РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРАЦИИ В ЗОНЕ РЕЛЬСОВОГО СТЫКА ПРИ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЯХ РАЗЛИЧНОЙ УПРУГОСТИ

УДК 625.143

Результаты исследования вибрации в зоне рельсового стыка при рельсовых скреплениях различной упругости

Н. Р Мухаммадиев

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Для цитирования: Мухаммадиев Н. Р. Результаты исследования вибрации в зоне рельсового стыка при рельсовых скреплениях различной упругости // Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 3. - С. 407-415. БО1: 10.20295/1815-588Х-2020-3-407-415

Аннотация

Цель: Повышение стабильности пути в стыковых уравнительных пролетах позволит поднять эффективность бесстыкового пути, что является актуальной задачей. Методы: Проведено исследование параметров колебательного процесса балласта в зоне рельсового стыка при различном количестве стандартных прокладок-амортизаторов и прокладок-амортизаторов повышенной упругости. Результаты: Анализ Фурье показал, что верхнее строение пути (или вертикальное отклонение) приводит к деформации при большей амплитуде смещения и резонирует на неровностях пути. Практическая значимость: Выявлены и проанализированы зависимости виброускорений в зоне рельсового стыка от величины жесткости прокладок-амортизаторов и их количества.

Ключевые слова: Верхнее строение пути, подрельсовые прокладки-амортизаторы, анализ Фурье, рельсовый стык, виброускорения, места временного восстановления, жесткость пути.

Введение

В соответствии с основными направлениями технического прогресса на железнодорожном транспорте на сети отечественных дорог широкое распространение получила конструкция бесстыкового пути на железобетонных шпалах, что позволило резко сократить количество болтовых рельсовых стыков и тем самым существенно улучшить работу пути. Вместе с тем в современной конструкции бесстыкового пути предусматриваются уравнительные пролеты, состоящие из 3-4 рельсов длиной 12,5 м. Как показывает опыт эксплуатации, эта зона, включающая 4-5 стыков на железобетонных шпалах, подвержена более интенсивным расстройствам, чем средняя часть плети, вследствие повышенного воздействия подвижного состава на путь в стыках [1].

В этой статье представлено полевое исследование характеристик затухания вибраций земляного полотна за счет применения подрельсовых прокладок. Полевые испытания нацелены на изучение смягчения ударов в зоне рельсовых стыков на смешанных участках движения поездов.

Балластная конструкция железнодорожного пути применяется для традиционных пригородных и городских железнодорожных сетей во всем мире [2]. Ее преимущества: низкие капитальные вложения, высокие устойчивость и ремонтопригодность, конструктивность, значительный уровень поглощения вибрации и т. д. Существуют две группы компонентов пути: верхнее строение пути (ВСП) и нижнее строение пути [3]. К верхнему строению относятся рельсы, шпалы, рельсовые скрепления, балластный слой (балластная призма); к нижнему - земляное полотно

' Под рельсовая прокладка Рис. 1. Общий вид подрельсовой прокладки в рабочем состоянии

и искусственные сооружения (мосты, водопропускные трубы путепроводы и т. д).

В статье рассмотрена работа упругих под-рельсовых прокладок производства компании Getzneг. Они обладают заданной жесткостью и значительно улучшают упругие характеристики ВСП (рис. 1). Улучшенное распределение нагрузки повышает комфортабельность езды пассажиров и обеспечивает экономичность работы ВСП. Кроме того, повышенная амортизация оказывает положительное влияние на плавность движения подвижного состава [4].

К свойствам подрельсовых прокладок относятся:

1) высокая механическая прочность и оптимальная упругость;

2) значительная долговечность;

3) стандартные материалы с жесткостью от 30 до 200 кН/мм;

4) отличия по применению и геометрии;

5) удовлетворение всем критериям тестирования, изложенным в соответствующих стандартах [5].

Исследование направлено на рассмотрение использования подрельсовых прокладок для снижения вредных вибраций в зоне рельсового стыка. Оно включает в себя обзор стандартов и спецификаций, обзор литературы о работе под-рельсовых прокладок в пути и данные измерений. Его результаты помогут следить за работой подрельсовых прокладок на железобетонных шпалах в местах возникновения вредных вибраций из-за неровности пути в стыках, уравнительных пролетов, местах временного восстановления плетей, в районе переездов, стрелочных переводов и т. д.

Динамические силы,

возникающие

в зоне рельсового стыка

Проблемы, связанные с динамическими ударными силами из-за отступления от норм содержания в зоне рельсового стыка (ступенька, зазор, слабая затяжка стыковых болтов), значительно

увеличивают объем работ по содержанию пути и становятся причиной снижения уровня безопасности движения и эксплуатационной надежности. Незапланированные ремонтные работы вызывают большие расходы, например, когда колесо, которое пересекает зону рельсового стыка, придаст существенные динамические переходные силы, как показано на рис. 2. Динамический объем, связанный со структурным повреждением, часто называют силой Р. Она должна быть сведена к минимуму или подавлена, чтобы продлить долговечность железнодорожного пути. В данном полевом исследовании подрельсовые прокладки были разработаны для погашения ударной вибрации в зоне рельсового стыка. Следует отметить, что срок службы под-рельсовых прокладок - 10 лет. Эквивалентный угол наклона также может быть измерен и использован при определении Р2.

Формула прогнозирования [4-11]

P2 = P0 + 2av х

Mr,

Mv + MT

1 -

nC

4 Kt

х [ KtMv ]2,

где Р0 - статическая сила на колесах автомобиля, кН; 2а - угол наклона, радиан; С 1 - эквивалентное демпфирование пути, кНс/м; К - жесткость пути, МН/м; Р2 - динамическая вертикальная сила, кН; Ми - неподрессоренная масса кузова, кг; Мт - масса колесной пары, кг; V - скорость поезда, м/с.

Полевые испытания

Целью испытаний является оценка влияния жесткости и количества штатных и опытных прокладок-амортизаторов на уровень вибрации, передающийся на железнодорожный путь при проходе поездов в зоне рельсового стыка.

Характеристики стандартных прокладок ЦП-204-М-АРС (штатных: категория II, исполнение «Д», толщина - 14 мм, вес - 0,46 кг; рис. 3, табл. 1), по данным производителей, изложены в ТУ 2539-161-01124323-2003, которые отсутствуют в сети Интернет, и в ГОСТ Р 56291-2014, который в настоящее время признан недействующим. Действующий ГОСТ Р и результаты испытаний этих прокладок в сети Интернет найти не удалось. В недействующем ГОСТе приведены лишь диапазоны характеристик, которым должны удовлетворять прокладки ЦП-204-М-АРС. Наиболее важными среди них, на наш взгляд и с точки зрения данных исследований, являются: условная прочность при растяжении - не менее 10 МПа, относительное удлинение при разрыве - не менее 300 %, статическая жесткость на сжатие в интервале нагрузок от 20 до 90 кН для подрельсовых прокладок в пределах - для прокладок номинальной толщиной более 11 мм - от 50 до 85 МН/м или кН/мм.

Характеристики прокладок повышенной упругости БуМуп № (опытных) вообще отсутствуют (рис. 4). Однако прокладки нарезаны из материала, характеристики которого удалось получить от производителя. Они приведены в табл. 2.

Для оценки вибрационного воздействия, возникающего в зоне рельсового стыка от проходя-

Рис. 2. Траектория колеса и рельса в зоне рельсового стыка

Рис. 3. Стандартная прокладка ЦП-204-М-АРС

ТАБЛИЦА 1. Характеристика ВСП

Параметр Единица измерения Типовая конструкция пути на щебеночном балласте

Тип рельсов - Р65

Тип шпал - ШС-АРС

Толщина балласта под шпалой м 0,4

Ширина колеи мм 1523

Уровень мм 0-3

Стыковой зазор мм 12

Вертикальные и горизонтальные ступеньки в рельсовом стыке мм 0

Усилие прижатия рельсов клеммой кг 770-970

щих поездов, измерительные датчики устанавливались в месте передачи колебаний от шпалы на балласт, т. е. на поверхности балласта у торца шпалы и в подрельсовом сечении на глубине 40 см от подошвы шпалы (на основной площадке земляного полотна).

Схема размещения датчиков представлена на рис. 5 и 6.

В каждой точке измерений производилась фиксация колебаний, распространяющихся в трех направлениях: в вертикальной плоскости,

в горизонтальной поперек оси пути и в горизонтальной вдоль оси пути.

Сейсмоприемники устанавливались на выровненную площадку с точным соблюдением направлений измерения (вертикаль, горизонталь поперек и вдоль пути).

Для оценки влияния жесткости прокладки на уровень вибрации в зоне рельсового стыка проведены следующие циклы измерений:

1) со старыми стандартными прокладками (на основной площадке земляного полотна);

2) с тремя новыми стандартными прокладками с каждой стороны от рельсового стыка;

3) с пятью новыми стандартными прокладками с каждой стороны от рельсового стыка;

4) с семью новыми стандартными прокладками с каждой стороны от рельсового стыка;

5) с семью прокладками повышенной упругости с каждой стороны от рельсового стыка;

6) с пятью прокладками повышенной упругости с каждой стороны от рельсового стыка;

7) с тремя прокладками повышенной упругости с каждой стороны от рельсового стыка.

Рис. 4. Прокладка повышенной упругости 8у1оёуп №

Цвет Лиловыи

Статическая область применения, Н/мм2 1,500

Пиковые нагрузки, Н/мм 2 8,00

Фактор механических потерь 0,10

Эластичность по отскоку, 0% 70

Остаточная деформация при сжатии, % < 5

Статический модуль упругости, Н/мм2 11,95

Динамический модуль упругости, Н/мм2 16,85

Статический модуль сдвига, Н/мм2 0,80

Динамический модуль сдвига, Н/мм2 1,18

Минимальное разрывное растягивающее напряжение, Н/мм2 7,00

Минимальное удлинение при разрыве, % 500

Истирание, мм3 90

Коэффициент трения (сталь) > 0,7

Коэффициент трения (бетон) > 0,7

Удельное объемное сопротивление, О • см > 1011

Теплопроводность, Вт/мК 0,150

Диапазон рабочих температур, °С От -30 до 70

Пик температур, °С 120

Горючесть Класс E/EN 13501-1

ТАБЛИЦА 2. Характеристики материала прокладок повышенной упругости

Бу1оёуп №

S }0Hg стило

fHKTÎ.W пупь, гткыиу» Puistixse

c-c щв

&

wow

щебеночный ia/tpatpt

Tç/tù зепляиога пололка

Рис. 5. Схема размещения вибродатчиков на экспериментальном участке: а - поперечный разрез; - вибродатчик; б - продольный разрез

а

б

Рис. 6. Полевые измерения

Результаты полевых измерений

Статистические ряды для последующей обработки формировались с учетом таких факторов:

- в статистический ряд включались результаты измерения при движении различных типов подвижного состава;

- от каждого вагона в статистический ряд включается максимальная величина виброускорений;

а

б

в

Рис. 7. График виброускорений основной площадки земляного полотна в зоне рельсового стыка

при старых штатных прокладках-амортизаторах: а - пассажирский поезд; б - «Ласточка»; в - «Сапсан»

- статистическая обработка результатов измерений производилась известными методами, основанными на теории математической статистики. В ходе статистической обработки определялись средняя величина виброускорений, измеренных в зоне рельсового стыка, среднеквад-ратическое отклонение от средней величины, максимально вероятное значение и коэффициент вариации. Уровень вероятности принимался равным 0,994.

По завершении испытаний построены графики изменения виброускорений в зависимости от типа подвижного состава, движущегося с различными скоростями и имеющими разную осевую нагрузку (рис. 7, а-в).

Проанализировав данные [8-10], нужно признать, что прокладка-амортизатор вносит свой вклад в распределение частот колебаний. Графики частоты виброускорений значительно отличаются друг от друга по своей плотности, форме и количеству диапазонов с максимальными амплитудами виброускорений.

Заключение

Подрельсовые прокладки, как правило, внедряются для улучшения устойчивости железнодорожного пути. Положительные результаты первых полевых испытаний в Европе мотивировали применение подрельсовых прокладок по всему миру. Важно отметить, что этот материал обычно используется для снижения жесткости пути в особых местах, таких как стрелочные переводы, места временного восстановления, железнодорожные переезды и для понижения вредных вибраций в зоне рельсового стыка. На основании исследований в результате регистрации вибрации было установлено, что подрельсовые прокладки привели к уменьшению вибрации в зоне рельсового стыка.

Дополнительное силовое и вибрационное воздействие на элементы пути в зоне рельсового стыка зависит от конструктивных параметров, в частности от величин стыкового зазора, ступеньки рельсов, затяжки стыковых болтов.

Библиографический список

1. Барабошин В. Ф. Повышение стабильности пути в зоне рельсового стыка / В. Ф. Барабошин, Н. И. Ананьев. - М. : Транспорт, 1978. - 43 с.

2. Remennikov A. M. A review on loading conditions for railway track structures due to wheel and rail vertical interactions / A. M. Remennikov, S. Kaewunruen // Structural Control and Health Monitoring. - 2008. - Vol. 15. -N 1. - P. 207-234.

3. Esveld C. Modern railway track / C. Esveld. - The Netherlands : MRT Press, 2001. - 632 p.

4. Indraratna B. Advanced rail geotechnology-ballas-ted track / B. Indraratna, W. Salim, C. Rujikiatkamjorn. -The Netherlands : CRC Press/Balkema, 2011. - Vol. 11. -N 10. - P. 201-205.

5. Engineering a quiet future. - URL : www.getzner. com (дата обращения : 10.03.2020 г.).

6. Kaewunruen S. Strategic framework to achieve carbon-efficient construction and maintenance of railway infrastructure systems / S. Kaewunruen, J. M. Sussman, H. H. Einstein // Frontiers in Environmental Sciences. -

2015. - N 3. - P. 1-4.

7. Asset Standards Authority. Rolling Stock Access Integrity Standards, RSU 120. Track interface. Minimum Operating Standards for Rolling. Stocks RSS0001 General Interface Requirements, Engineering Standards and Services, Transport for NSW. - Sydney, Australia,

2016.

8. Standards Australia, Railway track material. Part 19 : Resilient fastening systems. Australian Standard : AS1085.19-2001. - Sydney, Australia, 2001.

9. Standards Australia, Railway track material. Part 14 : Prestressed concrete sleepers. Australian Standard : AS1085.14-2003. - Sydney, Australia, 2003.

10. Asset Standards Authority, ESC 210. Standard for track geometry and stability. Engineering Standards, Transport for NSW. - Sydney, Australia, 2016.

11. Kaewunruen S. In situ monitoring of rail squats in three dimensions using ultrasonic technique / S. Kae-wunruen, M. Ishida // Experimental Techniques. - 2016. -Vol. 40 (4). - P. 1179-1185. - DOI : 10.3389/fenvs.2015. 00006

Дата поступления: 11.05.2020 Решение о публикации: 25.06.2020

Контактная информация:

МУХАММАДИЕВ Неъматжон Рахматович -аспирант; nemat.9108@mail.ru

Results of a study of vibration in the rail joint area with rail fasteners of different elasticity

N. R. Muhammadiyev

Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation

For citation: Muhammadiyev N. R. Results of a study of vibration in the rail joint area with rail fasteners of different elasticity. Proceedings of Petersburg Transport University, 2020, vol. 17, iss. 3, pp. 407-415. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2020-3-407-415

Summary

Objective: Increased track stability in expansion joint spans will increase the efficiency of the continuous track, which is a relevant today's objective. Methods: The bed oscillatory process parameters in the rail joint area with a different number of standard shock absorbers and shock absorbers of increased elasticity have been studied. Results: Fourier analysis showed that a track superstructure (or a vertical deflection) leads to deformation at a higher displacement amplitude and resonates at the track irregularities. Practical importance: Dependences of vibration accelerations in the rail joint area on the stiffness and number of shock absorbers have been revealed and analyzed.

Keywords: Track superstructure, rail shock pads, Fourier analysis, rail joint, vibration acceleration, temporary recovery sites, track stiffness.

References

1. Baraboshin V. F. & Anan'yev N. I. Povysheniye stabil'nostiputi v zone rel 'sovogo styka [Enhancing track stability in the rail joint area]. Moscow, Transport Publ., 1978, 43 p.

2. Remennikov A. M. & Kaewunruen S. A review on loading conditions for railway track structures due to wheel and rail vertical interactions. Structural Control and Health Monitoring, 2008, vol. 15, no. 1, pp. 207234.

3. Esveld C. Modern railway track. The Netherlands, MRT Press, 2001, 632 p.

4. Indraratna B., Salim W. & Rujikiatkamjorn C. Advanced rail geotechnology-ballasted track. The Netherlands, CRC Press/Balkema, 2011, vol. 11, no. 10, pp. 201-205.

5. Engineering a quiet future. Available at: www. getzner.com (accessed: March 10, 2020).

6. Kaewunruen S., Sussman J. M. & Einstein H. H. Strategic framework to achieve carbon-efficient construction and maintenance of railway infrastructure systems. Frontiers in Environmental Sciences, 2015, no. 3, pp. 1-4.

7. Asset Standards Authority. Rolling Stock Access Integrity Standards, RSU 120. Track interface. Minimum Operating Standards for Rolling. Stocks RSS0001 General Interface Requirements, Engineering Standards and Services, Transport for NSW. Sydney, Australia, 2016.

8. Standards Australia. Railway track material. Part 19: Resilient fastening systems. Australian Standard: AS1085.19-2001, Sydney, Australia, 2001.

9. Standards Australia. Railway track material. Part 14: Prestressed concrete sleepers. Australian Standard: AS1085.14-2003. Sydney, Australia, 2003.

10. Asset Standards Authority. ESC 210. Standard for track geometry and stability. Engineering Standards, Transport for NSW. Sydney, Australia, 2016.

11. Kaewunruen S. & Ishida M. In situ monitoring of rail squats in three dimensions using ultrasonic technique. Experimental Techniques, 2016, vol. 40 (4), pp. 11791185. DOI: 10.3389/fenvs.2015.00006

Received: May 11, 2020 Accepted: June 25, 2020

Author's information:

Nemat R. MUHAMMADIYEV - Postgraduate Student; nemat.9108@mail.ru