Способ оценки напряженно-деформированного состояния железнодорожного пути в условиях Крайнего Севера и Сибири
METHOD FOR ASSESSING THE STRESS-STRAIN STATE OF A RAILWAY TRACK IN THE CONDITIONS OF THE FAR NORTH AND SIBERIA

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и предназначено для контроля и оценки фактического состояния элементов железнодорожного пути и прилегающей инфраструктуры в условиях Крайнего Севера и Сибири.
Известен метод измерений напряжений, усилий и деформаций, возникающих в верхнем строении пути под подвижным составом с помощью приборов, установленных непосредственно в пути (ГОСТ Р55050 - 2012).
Недостатками этого метода является то, что он позволяет проводить измерения лишь на ограниченных по протяженности участках пути и применяется в основном для определения допустимого воздействия железнодорожного подвижного состава на железнодорожный путь, для установления условий обращения по сети дорог, а также при сертификационных испытаниях.
Известен способ контроля и оценки фактического состояния элементов железнодорожного пути по условию их прочности по силам взаимодействия подвижного состава и железнодорожного пути. В составе грузового поезда размещают диагностический грузовой вагон, оборудованный тензометрическими колесными парами, с помощью которых измеряют вертикальные и боковые силы, передающиеся от колес диагностического грузового вагона на рельсы. Дополнительно перед поездкой в бортовую систему управления грузовым поездом вводят параметры пути, зависящие от конструкции верхнего строения оцениваемого пути. Вертикальные и боковые силы измеряют для загруженного диагностического грузового вагона в диапазоне частот, определяемом с учетом спектра силовых составляющих, возникающих в месте контакта колеса с рельсом при прохождении диагностического грузового поезда по длинным неровностям пути, коротким неровностям пути и неровностям на поверхности катания рельса. Размещают в составе грузового поезда нагрузочное устройство, с помощью которого в реальном времени определяют модуль упругости пути. По измеренным в движении величинам вертикальных и боковых сил, модуля упругости и введенным перед поездкой параметрам пути определяют характеристики напряженно-деформированного состояния пути под диагностическим грузовым вагоном на эксплуатируемых участках любой протяженности с привязкой к конкретным сечениям пути с помощью устройства GPS навигации. (Патент RU №2659365 С1, МПК В61К9/08, Е01В 35/12, опубл.20.06.2018).
Недостатком указанного способа является небольшой диапазон частот измеренных спектров силовых составляющих, возникающих в месте контакта колеса с рельсом при прохождении диагностического грузового поезда по длинным неровностям пути, коротким неровностям пути и неровностям на поверхности катания рельса, что негативно скажется на точности определения характеристик напряженно-деформированного состояния железнодорожного пути в условиях Крайнего Севера и Сибири.
Известно исследование поведения грунтов основания насыпей в условиях Крайнего Севера и Сибири, принятое за прототип, при низкочастотных нагрузках в трех взаимно перпендикулярных направлениях, создаваемых подвижным составом. Полученные сейсмические записи позволили выявить информативные параметры для трех частотных диапазонов сигнала: высокой частоты ВЧ - 2-8Гц, средней частоты СЧ - 0,1-2Гц и низкой частоты НЧ - ниже 0,1Гц, по которым можно судить об изменениях на ранней стадии несущей способности верхней (насыпь) и нижней (естественное основание) части разреза земляного полотна. Созданные аналитические модели позволяют объяснить процессы, происходящие в верхнем и нижнем строениях земляного полотна, предсказать поведение грунтов при климатических изменениях, дать количественные оценки параметров упругости и вязкости в условиях естественного залегания грунтов. (Орлова И.П. Разработка технологии сейсмического мониторинга состояния транспортных сооружений в условиях Крайнего Севера и Сибири. Диссертация к.т.н., 2022, 124с.).
Основным недостатком проведенных исследований является небольшой диапазон частот определяемых параметров напряженно-деформированного состояния элементов пути, недостаточный для получения достоверной информации о параметрах напряженно-деформированного состояния элементов пути в зимних условиях при замерзании всех участков пути.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предполагаемое изобретение, является повышение точности и достоверности определения характеристик напряженно-деформированного состояния железнодорожного пути в условиях Крайнего Севера и Сибири.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки напряженно-деформированного состояния железнодорожного пути в условиях Крайнего Севера и Сибири, заключающемся в том, что в соответствии со строением пути создают трехмерные конечно-элементные модели исследуемого участка железнодорожного пути с прилегающей к нему инфраструктурой, проводят гармонические нагружения трехмерных конечно-элементных моделей, жесткость элементов которых соответствует жесткости замерзшего и оттаявшего исследуемого участка железнодорожного пути с прилегающей к нему инфраструктурой, результаты гармонических откликов нагружаемых трехмерных конечно-элементных моделей применяют при определении диапазона частот измеряемых параметров напряженно-деформированного состояния элементов пути.
Изобретение поясняется чертежами:
На фигуре 1 показана конечно-элементная (КЭ) модель исследуемого участка железнодорожного полотна с прилегающей инфраструктурой и установленной на железнодорожном полотне моделью вагона;
y
x
- на фигуре 2 показано место на рельсе (узел КЭ сетки) для определения продольных напряжений δ и боковых перемещений U в головке рельса;
y
- на фигурах 3 (а, б) изображены графики изменений продольных напряжений δ в головке рельса по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (3а) и замораживании (3б) насыпи;
x
- на фигурах 4 (а, б) изображены графики изменений боковых перемещений U в головке рельса по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (4а) и замораживании (4б) насыпи;
x
- на фигуре 5 показано место на насыпи для определения боковых перемещений U насыпи;
x
- на фигурах 6 (а, б) изображены графики изменений боковых перемещений U насыпи по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (6а) и замораживании (6б) насыпи;
x
- на фигуре 7 показано место (верхний узел КЭ сетки) определения боковых перемещений U объекта инфраструктуры;
x
- на фигурах 8 (а, б) изображены графики изменений боковых перемещений U объекта инфраструктуры по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (8а) и замораживания (8б) насыпи.
На фиг. 1, 2, 5, 7 изображены КЭ модели, включающие в себя диагностический грузовой вагон 1 с тензометрическими колесными парами 2, установленными на железнодорожное полотно 3, уложенное по насыпи 4, и объект 5, имитирующий окружающую инфраструктуру. Указанные элементы расположены на основании 6.
y
x
y
x
На КЭ модели (фиг.2) на рельсе указано место 7 определения продольных напряжений δ и боковых перемещений U головки рельса, а на фиг. 3а, 3б и 4а, 4б изображены соответствующие указанной КЭ модели графики изменений продольных напряжений δ и боковых перемещений U в головке рельса по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (3а, 4а) и замораживании (3б, 4б) насыпи.
x
x
На КЭ модели (фиг.5) указано место 8 на насыпи 4 для определения боковых перемещений U насыпи и соответствующие указанной КЭ модели графики (фиг.6а и 6б) изменений боковых перемещений U насыпи 4 по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (6а) и замораживании (6б) насыпи.
x
x
На КЭ модели (фиг.7) указано место 9 для определения боковых перемещений U объекта инфраструктуры 5 и соответствующие указанной КЭ модели графики (фиг.8а, б) изменений боковых перемещений U по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (8а) и замораживании (8б) насыпи 4.
Изобретение осуществляется следующим образом.
10
Оценку напряженно-деформированного состояния (НДС) железнодорожного пути можно осуществлять, например, посредством грузового поезда, в котором размещают диагностический грузовой вагон, оборудованный тензометрическими колесными парами для измерения вертикальных и боковых сил, передающихся от колес диагностического грузового вагона на рельсы. В соответствии со строением пути создают трехмерные конечно-элементные модели исследуемого участка железнодорожного пути с прилегающей к нему инфраструктурой, причем элементы 3, 4, 5 исследуемого участка железнодорожного пути расположены на замороженном основании 6, модуль упругости которого принят 3⋅10 Па. Проводят гармонические нагружения трехмерных конечно-элементных моделей с жесткостями их элементов, соответствующими замерзанию и оттаиванию исследуемого участка железнодорожного пути с прилегающей инфраструктурой. Вертикальные и боковые силы измеряют для загруженного диагностического грузового вагона массой 100 т в диапазоне частот, который определяют с учетом результатов гармонических откликов конечно-элементных моделей. Строят графики изменений продольных напряжений и боковых перемещений исследуемых элементов 3, 4, 5 железнодорожного пути.
10
7
10
Качественное сравнение полученных графиков (см. фиг. 3а и 3б, 4а и 4б, 6а и 6б) однозначно показывает необходимость измерения параметров НДС элементов пути при замерзании насыпи (модуль упругости 3⋅10 Па) на значительно более высоких частотах, чем при оттаивании насыпи (модуль упругости 3.5⋅10 Па). Так, например, продольные напряжения в головке рельса в случае замерзания насыпи (фиг. 3б) на частотах более 120 Гц увеличиваются более чем на два порядка. Количественно на частоте, например, 220 Гц продольные напряжения при замерзании насыпи выше, чем при ее оттаивании (см. фиг. 3а). Аналогичные выводы можно сделать из сравнения фигур 4а и 4б для боковых перемещений головки рельса и фигур 6а и 6б для боковых перемещений насыпи. Для боковых перемещений верхнего узла КЭ модели объекта инфраструктуры 5 (фиг. 1) с неизменной жесткостью (модуль упругости 3⋅10 Па) в обоих рассмотренных случаях значительных отличий не выявлено, хотя также подтверждается необходимость измерения параметров НДС ее элементов на частотах более 50 Гц как при оттаивании, так и при замерзании насыпи (см. фиг. 8а и 8б). Анализ графиков позволяет возможным сделать вывод о том, что исследование напряженно-деформированного состояния элементов пути необходимо проводить в диапазоне частот 0-350 Гц и выше.
Предложенный способ позволит существенно повысить точность измерения основных характеристик напряженно-деформированного состояния пути, определяющих, например, прочность пути под груженым диагностическим вагоном с максимальной допустимой нагрузкой на ось и привязкой к конкретным участкам. Такими характеристиками могут быть, например, боковые перемещения головки рельса, сдвиг подошвы рельса, напряжения соответственно во внешней и внутренней выкружке головки рельса, напряжения соответственно во внешней и внутренней кромке подошвы рельса, вертикальные прогибы рельса, ускорение рельса, вертикальные прогибы шпал, ускорения шпал, напряжения в балласте, напряжения смятия шпал подкладками, напряжения на основной площадке земляного полотна на выбранных участках пути любой протяженности.
Максимальные значения напряжений и деформаций пути, полученные по результатам измерений сил, действующих от колеса на рельсы сравнивают с максимальными допустимыми значениями, установленными нормативными документами, и используют для определения допускаемых скоростей движения грузовых вагонов с максимальной допустимой осевой нагрузкой 23,5 т при движении по исследуемым участкам пути, определения максимального веса поезда и рациональных режимов его ведения, оценки накопления остаточных деформаций верхнего строения пути с целью определения видов и сроков проведения ремонта пути.