Введение к работе
Актуальность исследования. В стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года большое внимание уделено развитию инфраструктуры. Планируется строительство новых железнодорожных линий общего назначения, линий под скоростное и высокоскоростное движение, вторых путей протяженностью до 3055,6 км, крупных обходов железнодорожных узлов, а также усиление и реконструкция существующих железнодорожных линий и узлов.
Все эти мероприятия будут непременно сопровождаться увеличением полигона бесстыкового пути не менее, чем на 16000 км. И это не случайно. За последние пять десятилетий бесстыковой путь доказал свою экономическую эффективность.
Однако эксплуатация данной конструкции пути на железных дорогах РФ показала, что не всегда обеспечивается его надежность. Так в период с 2000 по 2008 гг. произошло 36 выбросов бесстыкового пути, в том числе по сведениям Департамента пути и сооружений ОАО «РЖД» в 17 случаях со сходами подвижного состава. Наиболее тяжелая ситуация возникла в 2008 г .
июня 2008 г. на 7736 км перегона Шимановская - Селеткан Забайкальской ж.д., на котором произошло крушение пассажирского поезда со сходом
вагонов. Выбросы пути продолжались и в последующие годы. Например, на Свердловской ж.д. 04 апреля 2010 года произошел выброс пути со сходом двух пассажирских вагонов. Причиной схода стало достижение температуры рельсовой плети плюс 24 С и возникших дополнительных напряжений от подвижного состава, учитывая, что температура закрепления плети составляла минус 26 С. 26 июня того же года допущен сход 6 вагонов на перегоне Лебедево - Безымянный Приволжской ж.д. причиной схода стало ослабление устойчивости рельсошпальной решетки с образованием резкого угла в плане после работы комплекса путевых машин.
Поэтому в условиях активного расширения полигона укладки бесстыковой конструкции пути и прежде всего в регионах со сложными климатиче-
скими условиями и повышения интенсивности воздействия со стороны подвижного состава (увеличения осевых нагрузок, длин и веса поездов) является актуальным дальнейшее изучение работы этой конструкции. Одним из путей изучения температурной работы бесстыковых рельсовых плетей являются методы математического моделирования, позволяющие рассматривать в модели дополнительные факторы, которые ранее не учитывались, что и предусматривается основным направлением данного исследования.
Целью исследования диссертационной работы является разработка модели расчета температурной устойчивости бесстыкового пути в горизонтальной плоскости, учитывающей ряд дополнительных факторов, таких как неровность пути, асимметричность отпора, стохастический характер сопротивления шпал перемещениям, а также возникновение ослабления сопротивлений при проходе поезда, позволяющих уточнить закономерности работы бесстыкового пути, в том числе и в момент действия нагрузки от подвижного состава.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Выполнен аналитический обзор существующих методов определения устойчивости бесстыкового пути;
Проведены экспериментальные работы для определения модулей упругости подрельсового основания при положительном и отрицательном прогибе рельса в вертикальной плоскости;
Разработана совместная модель и методика расчета устойчивости бесстыкового пути при перемещениях рельсошпальной решетки в вертикальной и горизонтальной плоскостях под действием температурной продольной сжимающей силы;
Разработана программа численного интегрирования системы дифференциальных уравнений продольно - поперечного изгиба балки, находящейся в упругой среде при воздействии на нее продольной температурной сжимающей силы и системы вертикальных поездных нагрузок. Это позволяет
исследовать совместную работу рельсовых плетей в вертикальной и горизонтальной плоскостях;
Проведена оценка точности и адекватности разработанной методики расчета;
По разработанной методике проведено исследование:
особенностей температурного поведения пути в вертикальной плоскости, что позволило уточнить влияние наличия в пути вертикальных неровностей и асимметричности силового отпора подрельсового основания на деформацию пути и на давление шпал на балласт под действием температурной продольной сжимающей силы;
по определению влияния на устойчивость пути в горизонтальной (поперечной) плоскости параметров стохастического характера сопротивления поперечному перемещению шпал в балласте и повороту рельса относительно шпал;
по качественной оценке влияния на критическую температуру бесстыкового пути совместного рассмотрения вертикальной и горизонтальной моделей;
по оценке, в первом приближении, влияния параметров подвижного состава на поперечную устойчивость бесстыкового пути под проходящими поездами.
Методы исследования в данной диссертационной работе основаны на положениях строительной механики и результатах предыдущих поколений ученых, в том числе экспериментальных и теоретических исследований, выполненных в ВНИИЖТе и ВУЗах РФ. Для исследования основным методом численного моделирования выбран метод конечных разностей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана совместная пространственная нелинейная модель расчета
устойчивости бесстыкового пути, учитывающая наличие в пути вертикаль
ных неровностей, асимметричность силового отпора подрельсового основа-
ния и стохастический характер сопротивления поперечному перемещению шпал в балласте, а также силовых воздействий подвижного состава;
- на основании экспериментально полученных данных определена
асимметрия отпора подрельсового основания;
- определено влияние стохастического характера сопротивления на величину критической температуры бесстыкового пути;
- показано влияние параметров подвижного состава на поперечную ус
тойчивость бесстыкового пути под проходящими поездами.
Достоверность полученных по разработанной методике результатов подтверждается хорошей сходимостью с результатами исследований устойчивости бесстыкового пути, проведенных на экспериментальном стенде ВНИИЖТ, а также сопоставлением результатов расчета по модели с результатами известных аналитических решений.
Практическая ценность диссертации. Разработанная в диссертационной работе методика позволяет:
Прогнозировать потерю устойчивости бесстыкового пути от совокупности факторов, действующих на путь, как под поездами, так и без них;
Провести анализ влияния качества выполненных ремонтных работ, связанных с ровностью геометрии пути, а также с локальными ослаблениями сопротивлений в узле скреплений и балластном слое.
Реализация результатов работы
Результаты работы были использованы ВНИИЖТом при разработке «Инструкции по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути», которая выйдет в 2012 г. (вместо ТУ-2000).
Методика расчета используется при дипломном проектировании.
Личный вклад автора состоит:
- в разработке гипотез о необходимости учета дополнительных факто
ров в расчетах устойчивости бесстыкового пути;
- в усовершенствовании существующей конечно-разностной модели
расчета устойчивости бесстыкового пути в горизонтальной плоскости по
средством ввода характеристик начальных вертикальных неровностей;
- в экспериментальной оценке асимметрии отпора подрельсового осно
вания;
в исследовании влияния стохастического характера сопротивления поперечному перемещению шпал в балласте и повороту рельса относительно шпал на величину критической температуры;
в оценке особенностей работы верхнего строения пути при проведении ремонтных работ, связанных с локальным ослаблением сопротивления повороту рельса относительно шпал для различных типов скреплений;
в оценке деформативности бесстыкового пути под поездами, способной к снижению его сопротивления поперечному сдвигу.
На защиту выносятся:
- усовершенствованная модель расчета бесстыкового пути;
- экспериментальное определение асимметрии отпора подрельсового
основания;
оценка влияние стохастического характера сопротивления поперечному перемещению шпал в балласте и повороту рельса относительно шпал на устойчивость бесстыкового пути;
оценка деформативности бесстыкового пути под поездами, способной к снижению его сопротивления поперечному сдвигу.
Апробация работы: Основные положения диссертации были доложены и получили одобрение:
- на VIII научно-технической конференции посвященной памяти Г.М.
Шахунянца «Современные проблемы проектирования, строительства и экс
плуатации железнодорожного пути», проходившей в Москве 02 июня 2011
г.;
- на VII международной научно - практической конференции «Trans -
Mech-Art-Chem», проходившей в Москве 18-19 мая 2010 г.;
- на XI научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», проходившей в Москве в 21-22 октября 2010 г.;
- на заседаниях кафедры «Путь и путевое хозяйство» МГУПС, проходивших в 2008-2011 гг.
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в том числе 3 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 91 наименование и приложения. Диссертация изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка и 31 таблицу.
