Экспериментальные исследования резонансных явлений верхнего строения пути при воздействии поездных нагрузок

УДК 539.3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ ЯВЛЕНИЙ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОЕЗДНЫХ НАГРУЗОК

© 2003 г. Т.В. Суворова

В современных условиях возрастания роли железнодорожного транспорта в общем объеме грузопотоков, значительного увеличения грузоподъемности и скоростей его движения происходит ускоренное развитие процессов разрушения элементов рельсошпаль-ной решетки, накопления остаточных деформаций и различных нарушений в конструктивных слоях верхнего строения пути и земляного полотна. Это приводит к снижению уровня безопасности движения, существенному сокращению межпроверочных и межремонтных сроков верхнего строения пути. Ускоренный износ элементов пути, деформации основной площадки связаны с перераспределением характера нагруже-ния железнодорожной магистрали в сторону существенного увеличения интенсивности динамического воздействия поездных нагрузок. Механизм описанных явлений может быть объяснен следующим образом.

Колебательная система «верхнее строение пути -грунтовая среда» характеризуется набором собственных резонансных частот с определенными уровнями добротностей. Очевидно, что добротность системы на основной резонансной частоте определяет скорость затухания колебаний в системе. Чем меньше скорость затухания колебательных процессов, тем острее резонанс, тем быстрее идёт нарастание амплитуды. При проходе подвижного состава в конструкции рельсо-шпальной решетки, в теле балластной призмы, в подстилающей геологической структуре возбуждаются высокие уровни вынужденных колебаний в диапазоне частот, соответствующих значениям собственных частот колебаний системы. При определенном сочетании скорости следования подвижного состава, нагрузки на ось, расстояний между осями вагонов, периодичность воздействия колесных пар будет соответствовать частоте и фазе собственных колебаний элементов рассматриваемой системы. На резонансных частотах рельсошпальной решетки, балластной призмы, подстилающей грунтовой среды будут наблюдаться значительные уровни амплитуд колебаний. Как показано в [1], для подстилающей геологической среды наибольшая добротность сигнала наблюдается в зонах тектонических нарушений. Толщина и механические характеристики составляющих грунтовую среду слоев, характер взаимодействия между слоями также влияют на ее резонансные свойства. Чем слабее сцепление между породными слоями, тем более высокую добротность имеют колебания на соответствующей частоте. Следует отметить, что резонансные явления под действием поездных нагрузок приводят к увеличению амплитуды не только в грунтовой среде,

но и в сооружениях и коммуникациях, расположенных возле железнодорожного полотна. Таким образом, возникающий резонансный процесс - нарастание амплитуды колебаний рельсошпальной решетки может привести к существенным дефектам строения пути и даже к сходу с рельс последних вагонов. Резкие увеличения упругих колебаний элементов рассматриваемой системы могут спровоцировать внезапные деформации, обрушение насыпи, послужить причиной активизации оползнеобразования, столь распространенного в Северо-Кавказском регионе.

В русле этого направления с помощью мобильного виброизмерительного комплекса были проведены обширные экспериментальные исследования верхнего строения пути при поездных нагрузках. Характеристики виброизмерительного комплекса и методика проведения исследований динамических характеристик системы описаны в [2, 3]. Тип датчиков - низкочастотные вибропреобразователи НВП. В качестве полигона для проведения исследований были выбраны разные по характеру верхнего строения пути участки железной дороги, близ остановочной площадки «Мечетный» 1396 км и остановочной площадки 1386 км ветки СКЖД Ростов-Кущевская.

На полигоне № 1 близ остановочной площадки «Мечётный» 1396 км уложен двухколейный путь на балластной призме высотой 2,20 м, нечетный путь -бесстыковой, рельсовые плети уложены на железобетонные шпалы в 2002 г. Четный путь - давней укладки на деревянных шпалах, длина рельсовых плетей -25 м, балласт загрязнен.

На полигоне № 2 близ остановочной площадки 1386 км двухколейный путь уложен на более высокую балластную призму высотой 3,10 м. Реконструкция выполнена в 2001 г., бесстыковой путь уложен на железобетонные шпалы. Балласт - чистый, щебень более крупной фракции.

Измерения проводились по модификациям поперечно-продольных схем установки антенных устройств с воспринимающими датчиками. Ускорения точек поверхности балластной призмы, грунтовой среды, возникающие под действием динамических усилий, регистрировались по трем ортогональным направлениям: вертикальное, продольное и поперечное в привязке к направлению железнодорожного пути. В качестве динамических воздействий использовался проезд разных типов подвижного состава на разных скоростях движения. Частота дискретизации по всем замерам одинакова и составляет 1 кГц. В настоящей статье ввиду ограниченности объема при-

водятся только данные по вертикальной составляющей волнового поля при проходе пассажирского поезда по пути А на полигоне № 1 и вертикальной составляющей волнового поля при скрещивающемся проходе грузовых составов во встречном направлении на полигоне № 2 при установке датчиков у подошвы насыпи по схеме рис. 1

Рис. 1. Схема расстановки датчиков: АУ 1, АУ 2 места установки антенного устройства соответственно на полигонах 1 и 2

На рис. 2 приведена амплитудно-временная характеристика (АВХ) ускорений точки поверхности, называемой далее точкой отсчета, находящейся на расстоянии 4 м от ближнего рельса пути Б на полигоне № 1 (см. рис. 1) при при проходе по пути А пассажирского поезда со скоростью движения ориентировочно 50-60 км/ч, состоящего из локомотива и пятнадцати вагонов. Для сравнительного анализа были использованы вырезки АВХ длительностью 8,192 с.

А, м/с2

0,05 ----------------------------------------------------------------------------------—.............

4,2 8,4 12,6 16,8 21 25,2 29,4 33,6 ^ с

Рис. 2. АВХ вертикальной составляющей отклика системы при проходе пассажирского поезда по пути А

Спектральные характеристики внутренних вырезок одной и той же длительности при проходе состава с постоянной скоростью имеют характер, мало отличающийся от спектральной характеристики всей реализации, что позволяет характеризовать исследуемый процесс возбуждения системы как стационарный и использовать соответствующие методы обработки. Для получения оценок использовался метод усреднения Уэлча, т.е вся реализация была разбита на несколько анализируемых сегментов длительностью 8,192 с с перекрытием 50 % при использовании окна Кайзера-Бесселя с дальнейшим усреднением их спектральных характеристик. На рис. 3 приведена частотная характеристика этой вырезки, полученная в результате быстрого преобразования Фурье АВХ с использованием оконной обработки и удаления постоянных трендов. Очевидно, можно предположить, что общий подъём огибающей спектра на частоте при-

мерно 32 Гц определяется резонансом рельсошпаль-ной решетки, верхнего строения пути Б. Результаты обработки откликов волновых полей в вертикальной плоскости от поездных воздействий других типов составов, а также передаточная функция системы, полученная при ударном воздействии типа «падающий груз» подтвердили значение этой частоты.

А, м/с2

0 16,6 33,2 49,8 66,4 83,0 99,6 116,2 132,8 f Гц

Рис. 3. АЧХ пассажирского поезда

На рис. 4 приведена АВХ вертикальной составляющей ускорений поверхности точки отсчета на полигоне № 2, находящейся на расстоянии 4 м от ближнего рельса пути А (см рис. 1) при скрещивающемся прохождении грузовых поездов во встречных направлениях. Регистрация начата в момент прохода состава по пути Б, промежуток времени между 24-й и 93-й секундами соответствует проходу грузового состава по пути А, промежуток времени примерно между 24-й и 39-й секундами соответствует одновременному прохождению обоих поездов отсчётной точки. Грузовые составы имеют разные типы вагонов, что определяет характер изменения АВХ. Из представленного на рис. 4 графика также видно, что ряд вагонов грузового состава имеет колёсные тележки с повышенными характеристиками вибрационного шума. На рис. 5-7 представлены для сравнения амплитудно-частотные характеристики вырезок длительностью 8,192 с соответственно грузового состава по пути Б, грузового состава по пути А и совместного воздействия составов, движущихся во встречных направлениях.

А, м/с2

0 9,73 19,46 29,19 38,92 48,65 58,38 68,11 77,84 t, c

Рис. 4. АВХ вертикальной составляющей отклика системы при скрещивающемся проходе грузовых составов во встречном направлении на расстоянии 4 м от ближнего рельса пути А

________ I..I II 1 fc ,||| jl |.|. 1

чЩЩЩ

4,2 8,4 12,6 16,8 21 25,2 29,4

Грузовому составу, проходящему по пути А, соответствует вырезка из АВХ (см. рис. 4), начиная с 63 с, грузовому составу по пути Б соответствует вырезка из АВХ рис. 4, начиная с 7 с, совместному встречному движению соответствует вырезка АВХ, начиная с 25 с. Из этих графиков видно, что резонансные частоты верхнего строения пути на участке 1386 км имеют значения: путь А - 68-75 Гц, путь Б - 47-52 Гц. Несмотря на то что для анализа грузового состава по пути А была выбрана вырезка с более высокими амплитудными характеристиками, чем вырезка при скрещивающемся движении составов, амплитуды спектральных составляющих выше при скрещивающемся движении. Таким образом, скрещивающееся движение поездов через сложный механизм резонансных явлений и волнового взаимодействия в системе вызывает повышение амплитуды спектральных составляющих почти в полтора раза.

А, м/с2

А, м/с2 Е-2 5,75

4,75

0 14 28 42 56 70 84 98 112 £

Рис. 7. АЧХ одновременного прохода грузовых составов во встречных направлениях

О наличии резонанса в системе «верхнее строение пути» говорит ряд зарубежных исследований [4]. Расчеты, полученные с помощью разработанной в этой статье модели, показали наличие резонанса на частоте примерно 50 Гц, которая определяется существенным образом жесткостью пути. К сожалению, в работе не дается конкретных данных, для которых просчитана эта зависимость.

Полученные результаты экспериментальных исследований существенно уточнили значения резонансной частоты верхнего строения пути, показали её зависимость от параметров конкретных участков пути. Изменение резонансных частот верхнего строения пути четко указывает на изменение его состояния и жесткости.

14

28

42 56

70 84

98

112 f Гц

Рис. 5. АЧХ прохода грузового состава по дальнему пути Б

Литература

А, м/с2 Е-2 4,75

3,75

2,75

1,75

0,75

0

Рис. 6

14 28 42 56 70 84 98 112 f Гц АЧХ прохода грузового состава по ближнему пути А

1. Гликман А.Г., Стародубцев А.А. Опыт выявления тектонических нарушений методом спектрально-сейсморазведочного профилирования // Бюл. РАН «Экологическая безопасность». СПб., 1997. № 1-2. С. 26-29.

2. Суворов А.Б., Суворова Т.В. О характеристиках волновых полей, генерируемых движущимся транспортом в грунте // Тр. VII междунар. конф. «Соврем. проблемы механики сплошной среды». Ростов н/Д, 2001. С. 139-144.

3. Суворов А.Б., Суворова Т.В. Исследование волновых полей, генерируемых в грунте движением состава по железнодорожной магистрали // Изв. вузов. Сев.- Кавк. регион. Техн. науки. 2001. № 4. С. 70-75.

4. Тассили Э., Винсент Н. Распространение колебаний, возникающих при движении поезда // Железные дороги мира. 1991. № 3.

Ростовский государственный университет путей сообщения

27 января 2003 г.

0