Пример реализации методики оценки условий и резерва поперечной устойчивости в кривых участках бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане

УДК 625.143.482

В. В. Атапин

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ УСЛОВИЙ И РЕЗЕРВА ПОПЕРЕЧНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ В КРИВЫХ УЧАСТКАХ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ ПРИ ОТСТУПЛЕНИЯХ ОТ НОРМ СОДЕРЖАНИЯ В ПЛАНЕ

В статье рассматривается пример реализации методики оценки условий и резерва поперечной устойчивости в кривых участках бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане. Приводятся результаты исследований данной методики, описывается ее положительный эффект.

Методика оценки условий и резерва поперечной устойчивости в кривых участках бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане подробно описана в статье [1]. Сущность данной методики заключается в следующем.

Известно, что кривизна железнодорожного пути и соответствующий ей радиус кривой оказывают влияние на поперечную устойчивость бесстыкового пути в процессе эксплуатации. Кроме того, в статье [1] доказано и обосновано, что принятые до настоящего времени в качестве единственного показателя оценки состояния пути в плане и разграниченные по установленным скоростям движения поездов разности смежных стрел изгиба при различных расстояниях между их вершинами на ленте не могут быть использованы для определения и оценки условий и резерва поперечной устойчивости бесстыкового пути. Это связано прежде всего с тем, что данный показатель был определен еще до 1957 г. и установлен для загруженного звеньевого пути как показатель плавности движения поездов в сечении, где боковые и рамные силы ведущей оси экипажа взаимодействуют с рельсом. Использование только этого показателя для оценки условий и резерва поперечной устойчивости бесстыкового пути в кривых участках неправильно и некорректно по следующим причинам:

экспериментально доказано, что расчетным сечением для бесстыкового пути является незагруженный путь, и это отражено во всех технических указания (ТУ);

полученные нормы превышений температур [А/у] экспериментально установлены также для незагруженного пути и приняты как функция от радиуса кривых [2] и др.

Известно, что в настоящее время кривизна железнодорожного пути и соответствующий ей радиус кривой измеряются путеизмерительными средствами, в основном вагонами-путеизмерителями. Однако кривизна, получаемая данными средствами, является текущей (мгновенной) и не может быть использована для оценки условий устойчивости бесстыкового пути в кривых участках пути. Необходимо использовать ее осредненные значения.

Таким образом, в результате проведенного исследования было установлено [1], что для оценки и резерва поперечной устойчивости в кривых участках бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане необходимо использовать значения кривизны железнодорожного пути, осредненные на длине, равной 4 и 20 м.

Кривизна, осредненная в кривых на длине 20 м и называемая базовой длиной, объясняется тем, что она формируется в процессе укладки рельсошпальной решетки и поддерживается рихтовкой в процессе эксплуатации пути по показаниям вагонов-путеизмерителей. При этой кривизне формируется начальное напряженное состояние рельсовых плетей и происходит его изменение при изменении температуры рельсовых плетей в процессе эксплуатации. Именно поэтому базовую кривизну можно считать как систему отсчета, относительно которой можно определять изменение кривизны на локальных участках при текущем содержании пути. Длина осреднения кривизны 20 м обосновывается также базой вагонов-путеизмерителей (17 м), принятой по конструктивным соображениям, длиной хорды для измерения вагоном-путеизмерителем параметров кривых (21,5 м), а также пересчетом замеренных значений параметров кривых к хорде длиной 20 м.

Кривизна, осредненная в кривых на длине 4 м и называемая длиной короткой неровности, экспериментально обосновывается и доказывается в исследованиях венгерских ученых, получивших значения длины упругих изгибов рельсошпальной решетки в плоскости пути при нагреве рельсовых плетей в кривых различных радиусов [1, 3]. Именно поэтому на данной длине происходит начальное зарождение и развитие отступлений в плане, а значит, и необходимость осреднения измеренной (мгновенной) кривизны и выявления данных неровностей с целью дальнейшего определения условий и резерва поперечной устойчивости.

Следовательно, для определения и оценки условий и резерва поперечной устойчивости в кривых участках бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане первоначально с помощью путеизмерительных средств непрерывно измеряют кривизну рельсовых плетей в плоскости железнодорожного пути.

Далее на основании измеренной (мгновенной) кривизны определяют осредненную кривизну в пределах круговой кривой на базовой длине, т. е. на длине 20 м, и осредненную кривизну на заданной длине короткой неровности, т. е. на длине 4 м.

Затем определяют максимальные по амплитуде значения осредненной кривизны в пределах круговой кривой на базовой длине и максимальные значения осредненной кривизны в пределах круговой кривой на заданной длине короткой неровности.

Далее вычисляют для каждой круговой кривой расчетную минимальную температуру закрепления рельсовых плетей (min t3) по формуле:

mm t3 = ^ - [Аty ].

Потом, зная, что максимальное значение кривизны, осредненной на длине короткой неровности, т. е. на длине 4 м, является местом с наименьшим значением радиуса кривой и ослабляющим поперечную устойчивость пути, а максимальное значение осредненной кривизны на длине 20 м - базой для отсчета, рассчитывают отклонение фактической температуры закрепления рельсовых плетей от первоначальной (At^x) по формулам:

АtриX = Кэп • 9360

или

Чих = Кэп • 9360

RKH ^БДН R4u R20u

где Кэп - коэффициент, учитывающий количество шпал на один километр пути. Принимается равным единице при R < 1200 м и 0,92 при R > 1200 м.

Далее определяют новую фактическую температуру закрепления рельсовых плетей (^.рих) по формуле:

t = t -Аt .

о.рих з рих v s

Затем проверяют условие устойчивости круговой кривой

^.рих ^ mm ^

и находят температурный резерв поперечной устойчивости бесстыкового пути в пределах круговой кривой (AAtp,m) по формуле:

ААt = t - min t.

рих о.рих з

Затем судят о состоянии рельсошпальной решетки бесстыкового железнодорожного пути. Рассмотрим пример реализации данной методики.

Место укладки кривой: направление Рязань - Инза, участок Воеводской - Качелай Куйбышевской железной дороги, путь - 1,655 км; административная структура - ПЧ-20/ ПЧУ-3/ПД-3/ПДБ-3; установленные скорости - 100/80/60 км/ч. Конструкция пути: рельсовые плети из рельсов Р65, шпалы железобетонные, балласт щебеночный, рельсовые плети уложены и закреплены на шпалах при температуре = 34 °С, радиус кривой по паспорту (Яп) - 649 м, ожидаемая летняя температура для оценки резерва поперечной устойчивости бесстыкового пути /ож = /тах = 58 °С, допускаемое повышение температуры рельсовых плетей (из таблицы П.2.1 [1]) [Л/у] = 44 °С, интервалы осреднения кривизны (мгновенной) пути - 4 и 20 м. Все данные взяты по состоянию на июнь 2012 г.

Первоначально непрерывно измеряют кривизну (мгновенную) рельсовых плетей в плоскости пути с помощью вагона-путеизмерителя КВЛ-П2.1. Замеренная кривизна рельсовых плетей приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Кривизна (мгновенная) рельсовых плетей в плоскости пути, измеренная на участке Воеводское - Качелай (путь 1) с помощью вагона-путеизмерителя КВЛ-П2.1

Определяют осредненную кривизну рельсовых плетей на длине короткой неровности, т. е. на длине 4 м, и осредненную кривизну рельсовых плетей на длине базовой неровности, т. е. на длине 20 м (рисунок 2).

Рисунок 2 - Кривизна рельсовых плетей в плоскости пути, полученная путем осреднения мгновенной кривизны

на длине 4 и 20 м на участке Воеводское - Качелай

Зная, что на поперечную устойчивость бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане оказывают влияние места с наибольшей кривизной или наименьшим значением радиуса, определим данные места [4]. Максимальная кривизна рельсовых плетей в пределах круговой кривой при осреднении на длине 4 м (Х4м) находится в точке 1 и равна 0,002968 1/м (см. рисунок 2), что соответствует радиусу Я4м, полученному по данной кривизне, равному 337 м (рисунок 3). Максимальная кривизна рельсовых плетей в пределах круговой кривой при осреднении на длине 20 м (К20м) находится в точке 2 и равна 0,001798 1/м (см. рисунок 2), что соответствует радиусу ^20м, полученному по данной кривизне, равному 556 м (см. рисунок 3).

-Радиус, полученный путем осреднения кривизны (мгновенной) пути на дпине4 мгм

-Радиус, полученный путем осреднения кривизны (мгновенной) пути на дпине 20 мг м

Рисунок 3 - Радиус круговой кривой, полученный по кривизне рельсовых плетей, осредненной на длине 4 и

20 м, на участке Воеводское - Качелай

Далее определяют для рассматриваемой круговой кривой расчетную минимальную температуру закрепления рельсовых плетей по формуле (1):

min t3 = 58 - 44 = 14(°С).

Затем определяют отклонение фактической температуры закрепления рельсовых плетей в пределах круговой кривой по следующим формулам (2):

А ^их = 1 • 9360

или

At = 1- 9360(—----) = 11,0 (°С).

р 337 556

Определяют новую фактическую температуру закрепления рельсовых плетей в пределах круговой кривой по формуле (3):

^.рих = 34 -11 = 23 (°С).

А затем проверяют условие устойчивости круговой кривой, исходя из неравенства (5):

23 (°С) > 14 (°С), условие выполняется.

Далее вычисляют температурный резерв поперечной устойчивости бесстыкового пути в пределах круговой кривой, определяемый по формуле (6),

АА t рих = 23 -14 = 9

и судят о состоянии рельсошпальной решетки бесстыкового железнодорожного пути.

В данном примере наглядно видно, что условие устойчивости в пределах исследуемой круговой кривой выполняется, температурный резерв АА^рих составляет 9 °С. К тому же, положительный эффект данной методики заключается и в том, что определение осредненной кривизны на длине 4 м (длина короткой неровности) способствует выявлению реально существующего участка (места) кривой с наибольшей кривизной (т. е. с наименьшим радиусом), которая оказывает непосредственное воздействие на поперечную устойчивость бесстыкового пути, а определение осредненной кривизны на длине 20 м является базой для отсчета максимальной кривизны.

Помимо этого примера в таблице 1 представлены результаты исследований других кривых Куйбышевской железной дороги, в которых на основании данной методики была произведена проверка условия устойчивости бесстыкового пути и подсчитан температурный резерв.

Таблица 1 - Результаты исследований

Но- Участок Rn, м Осредненная кри- ts, min t3, AtрИX, tо.рих, Условие AAV

мер визна пути, 1/м °С °С °С °С устойчи- °С

п/п К4м К20м вости ^.рих > min tj

Октябрьск — 30,0 > 18

1 Правая Волга (1 путь) Балашейка — 615 0,002316 0,001884 34 18 4,0 30,0 (выполн.) 29,5 > 20 12,0

2 Новообразцовое (1 путь) Вырыпаевка — 504 0,002803 0,002106 36 20 6,5 29,5 (выполн.) 22,8 > 15 9,5

3 Базарная (путь 1) Барыш — 654 0,002853 0,001766 33 15 10,2 22,8 (выполн.) 28,1 > 9 7,8

4 Поливаново (путь 1) Вырыпаевка — 1081 0,001917 0,001181 35 9 6,9 28,1 (выполн.) 28,4 > 16 19,1

5 Базарная (путь 1) Кузоватово — 599 0,002319 0,001826 33 16 4,6 28,4 (выполн.) 26,0 > 11 12,4

6 Безводовка (путь 2) Кузоватово — 852 0,002359 0,001395 35 11 9,0 26,0 (выполн.) 21,6 > 9 15,0

7 Безводовка (путь 2) Безводовка — 1070 0,002618 0,001181 35 9 13,4 21,6 (выполн.) 21,7 > 13 12,6

8 Рачейка (путь 2) Рачейка — Ба- 943 0,002347 0,001243 32 13 10,3 21,7 (выполн.) 25,2 > 15 8,7

9 лашейка (путь 2) Балашейка — 739 0,002521 0,001579 34 15 8,8 25,2 (выполн.) 26,6 > 18 10,2

10 Новообразцовое (путь 2) 600 0,002905 0,002002 35 18 8,4 26,6 (выполн.) 8,6

Таким образом, на основании полученных результатов исследования можно сделать вывод о том, что использование представленной методики помогает достаточно легко и просто определить состояние рельсовых плетей в кривых участках бесстыкового железнодорожного пути при отступлениях от норм содержания в плане, а точнее:

— рассчитать отклонение фактической температуры закрепления рельсовых плетей от первоначальной;

— вычислить новую фактическую температуру закрепления рельсовых плетей;

— проверить условие устойчивости бесстыкового железнодорожного пути;

— определить температурный резерв устойчивости.

Кроме того, применение данной методики на всем полигоне бесстыкового железнодорожного пути позволит не только заблаговременно определять с точностью до метра то место, где произошло ослабление поперечной устойчивости бесстыкового пути, и осуществлять постоянный контроль за изменениями фактической температуры закрепления рельсовых плетей при отступлениях от норм содержания в плане, но и решать с ее помощью следующие задачи:

— выделять и ранжировать участки с отступлениями от норм содержания в плане по степени опасности;

— принимать в случае необходимости меры по устранению ослабления поперечной устойчивости бесстыкового пути;

— накапливать полученную информацию и на основании ее делать прогноз о состоянии рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути и др.

Список литературы

1. Атапин, В. В. Методика оценки условий и резерва поперечной устойчивости в кривых участках бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане [Текст] / В. В. Атапин / Вестник транспорта Поволжья. - 2012. - Вып. 1 (24). - С. 47 - 52.

2. Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути [Текст] / МПС России. - М.: Транспорт, 2000. - 96 с.

3. Надь, И. Исследования явлений, вызываемых температурными напряжениями в бесстыковом пути [Текст]: Пер. с венг./ И. Надь. - М., 1976.

4. Ершов, В. В. Устойчивость бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания [Текст] / В. В. Ершов // Путь и путевое хозяйство. - 2008. - № 3 - С. 13 - 15.

УДК 625.143:620.19

В. П. Кутовой, А. П. Шабанов, М. М. Шакиртов

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕРШИНЫ УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ В ГОЛОВКЕ РЕЛЬСА

Рассмотрена возможность развития усталостных трещин в поле внешних сжимающих напряжений. Построена конечноэлементная модель, имеющая узкий трещиноподобный дефект с вершинами, очерченными по окружности, которая нагружалась пульсирующей сжимающей нагрузкой. Анализировалось напряженно-деформированное состояние в вершине этого дефекта по истечению каждого полуцикла нагружения. Показано, что такая нагрузка вызывает в исследуемой области симметричный цикл нагружения с существенными сжимающими и растягивающими напряжениями. В процессе роста количества циклов нагружения абсолютная величина этих напряжений увеличивается. Полученные результаты позволяют построить возможные схемы развития контактно-усталостных и усталостных повреждений в рельсах.

Наиболее опасные дефекты, возникающие в процессе эксплуатации рельса, имеют усталостный и контактно-усталостный характер. Как правило, эти трещины появляются в тех зонах рельса, которые нагружены преимущественно сжимающими напряжениями. К таким повреждениям можно отнести, например, трещины по рисункам 11, 21 и другие в работах [ 1,2] (рисунки 1, 2).

88 ИЗВЕСТИ Я Транссиба |№, 0113)