close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование модели температурной устойчивости бесстыкового пути под поездами

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Манюгина Екатерина Андреевна Шифр научной специальности: 05.22.06 - железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог Шифр диссертационного совета: Д 218.005.11 Название организации: Московский государственный университ
На правах рукописи
МАНЮГИНА
Екатерина Андреевна
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОДЕЛИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ ПОД ПОЕЗДАМИ
Специальность 05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание
и проектирование железных дорог
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МИИТ) на кафедре "Путь и путевое хозяйство".
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Гасанов Александр Искендерович
Официальные оппоненты:
Новакович Василий Иванович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО "Ростовский государственный университет путей сообщения", профессор каф. "Путь и путевое хозяйство"
Виногоров Николай Павлович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ОАО "Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта", ведущий научный сотрудник лаборатории "Бесстыковой путь".
Ведущая организация:ФГБОУ ВПО "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС).
Защита состоится "24" мая 2012 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного ученого совета Д 218.005.11 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова 9, стр.9, МИИТ, ауд. 1235
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Московский государственный университет путей сообщения"
Автореферат разослан "23" апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.т.н. А.Н. Савин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 . 12 июня 2008 г. на 7736 км перегона Шимановская - Селеткан Забайкальской ж.д., на котором произошло крушение пассажирского поезда со сходом 13 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 климатическими 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:
1. Выполнен аналитический обзор существующих методов определения устойчивости бесстыкового пути;
2. Проведены экспериментальные работы для определения модулей упругости подрельсового основания при положительном и отрицательном прогибе рельса в вертикальной плоскости;
3. Разработана совместная модель и методика расчета устойчивости бесстыкового пути при перемещениях рельсошпальной решетки в вертикальной и горизонтальной плоскостях под действием температурной продольной сжимающей силы;
4. 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;
5. Проведена оценка точности и адекватности разработанной методики расчета;
6. 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 вертикальных неровностей, асимметричность силового отпора подрельсового основания 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 устойчивость 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:
1. Прогнозировать потерю устойчивости бесстыкового пути от совокупности факторов, действующих на путь, как под поездами, так и без них;
2. 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 факторов в расчетах устойчивости бесстыкового пути;
- в усовершенствовании существующей конечно-разностной модели расчета устойчивости бесстыкового пути в горизонтальной плоскости посредством ввода характеристик начальных вертикальных неровностей;
- в экспериментальной оценке асимметрии отпора подрельсового основания;
- 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 эксплуатации 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.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, приведена статистика сходов и крушений на сети железных дорог РФ.
В первой главе произведен анализ развития расчета устойчивости железнодорожного пути. Решением данных вопросов занимались многие отечественные и зарубежные ученые. В России важный вклад в изучение проблемы устойчивости бесстыкового пути внесли такие ученые, как К.Н. Мищенко, Е.М. Бромберг, А.А. Кривободров, С.П. Першин, В.Г. Альбрехт, Г.М. Шахунянц, А.Я. Коган, В.И., Новакович, А.И. Гасанов, С.И. Морозов, В.А. Грищенко, В.В. Ершов, В.С. Лысюк, Г.В. Карпачевский, М.Ф. Вериго, Н.П. Виногоров, Нгуен Ван Туен, М.А. Маркарьян, О.А. Суслов, А.В. Савин, А.В. Лебедев и многие другие. К зарубежным ученым, работавшим над проблемой устойчивости бесстыкового пути, относят Й. Немешди-Немчека, Э. Немежди, А. Блоха, Г. Зандера, Г. Майера, Р. Леви, М. Мартине, Л. Сакмауера, М. Нумата, Д. Бартлета, Д. Игнятича и многих других. Исторический анализ эволюции моделей устойчивости бесстыкового пути и представление специалистов о дополнительных факторах его физического функционирования, позволили сформулировать 4 рабочие гипотезы:
1. В процессе нагрева рельсов под воздействием продольной температурной сжимающей силы при наличии в пути начальных вертикальных неровностей происходит деформация рельсов, сопровождающаяся локальным снижением давлений рельса на шпалы и шпал на балласт, приводящим к соответствующим снижениям поперечного сопротивления шпал перемещениям в балласте и, как следствие, к существенному снижению показателей его устойчивости;
2. При моделировании вертикальных температурных деформаций необходимо учитывать, что отпор основания деформациям вверх существенно отличается от отпора основания деформациям вниз. Эта асимметрия отпоров может оказать существенное влияние на величину параметра устойчивости пути;
3. Характеристики поперечного сопротивления шпал в балласте и характеристики сопротивления повороту рельса относительно шпал носят стохастический характер. Это обстоятельство должно привести к стохастическому характеру величины критической силы и может вносить существенный вклад в формирование численного значения этой силы;
4. Статистика крушений и аварий, предваряющаяся или сопровождающаяся потерей устойчивости бесстыковых рельсовых плетей, позволяет предположить, что при проходе поезда в пути возникают дополнительные явления, приводящие к ослаблению его сопротивляемости поперечным деформациям.
Структурный перечень пунктов, которые исследуются в диссертационной работе, выглядит так:
1. обоснование расчетной математической модели устойчивости бесстыкового пути;
2. выбор метода ее исследования;
3. исследование напряженно - деформированного состояния верхнего строения пути в вертикальной плоскости под действием продольной температурной сжимающей силы (проверка рабочей гипотезы 1);
4. исследование влияния асимметрии силового отпора подрельсового основания на напряженно-деформированное состояние верхнего строения пути при учете продольной температурной сжимающей силы (проверка рабочей гипотезы 2);
5. исследование влияния стохастического характера поперечного сопротивления шпал в балласте и сопротивления рельса относительно шпалы на величину критической температуры (проверка рабочей гипотезы 3);
6. исследование совместной вертикальной и горизонтальной модели устойчивости бесстыкового железнодорожного пути (проверка рабочей гипотезы 4).
Во второй главе приведено обоснование расчетной математической модели и выбор методов ее решения. Определены основные требования к формированию математической модели исследования устойчивости бесстыкового пути.
Согласно проведенным исследованиям на экспериментальном стенде ВНИИЖТа, в качестве оценочного критерия критических деформаций в пути, приняты следующие перемещения рельсошпальной решетки: для прямых - 0,0002 м, а для кривых - 0,0004м.
При решении задачи устойчивости конструкций в строительной механике используется несколько методов расчета: энергетический метод, метод аналитического решения дифференциального уравнения изгиба балки, методы, сводящиеся к интегрированию уравнения устойчивости, численные методы интегрирования, метод конечных элементов. Те же методы, естественно, нашли свое применение и при решении задачи устойчивости бесстыкового пути. В работе выполнен анализ данных методов с оценкой преимуществ и недостатков каждого из них, на основании которого, принято решение, что в данной работе будет использован метод конечных разностей, который обеспечивает достаточно большую гибкость построения и трансформирования расчетных алгоритмов, моделей и программ для решения широкого диапазона частных задач устойчивости и позволяет учесть большое количество дополнительных параметров.
В основу разработки математической модели устойчивости были приняты модели температурных деформаций - модель Г.М. Шахунянца (1), а для модели поперечной устойчивости - модель А.Я. Когана (2). В результате их объединения получена модель совместных вертикальных и горизонтальных деформаций. (1)
(2)
где q - распределенная нагрузка от веса ВСП, Н/м;
R- радиус кривой, м;
U(z) - модуль упругости подрельсового основания, зависящий от перемещения, МПа;
y - поперечный сдвиг рельсошпальной решетки, м;
z - деформация изгиба рельсошпальной решетки в вертикальной плоскости, м;
Е - модуль упругости рельсовой стали, МПа;
Iz - момент инерции поперечного сечения рельса относительно горизонтальной оси, м4;
Iу - момент инерции поперечного сечения рельса относительно вертикальной оси, м4;
f1(y,z) - функция, описывающая сопротивление поперечному перемещению рельсовой нити в зависимости от величины перемещения рельсошпальной решетки в вертикальной плоскости Н/м;
f2(y') - функция, описывающая сопротивление повороту рельсов относительно шпал в зависимости от угла поворота рельса, Н/м;
N - температурная продольная сжимающая сила, кН;
y0 - функция, описывающая начальную ненапряженную горизонтальную неровность рельсовой нити, м;
z0 - функция, описывающая начальную ненапряженную вертикальную неровность рельсовой нити, м.
(3)
где b (м) и B (кН/м) - эмпирические коэффициенты
(4)
где r, M, q - эмпирические коэффициенты.
Таким образом, предложенная модель характеризуется следующими основными особенностями:
- основу модели составляют два взаимосвязанных дифференциальных уравнения четвертого порядка относительно вертикальных и поперечных перемещений (далее - вертикальная подсистема и горизонтальная подсистема); - связь между подсистемами обеспечивается следующим образом - в результате интегрирования вертикальной подсистемы происходит определение давлений на шпалы и, соответственно, от шпал на балласт, которые позволяют вычислить силу трения шпалы по балласту в каждом сечении пути и общее изменение сопротивления поперечному сдвигу. Это сопротивление вводится в подсистему горизонтальной устойчивости; - позволяет проводить исследования как совместной модели, составленной из двух подсистем, так и исследования отдельных подсистем модели, что обеспечивается при ее реализации программным блокированием ввода или обнулением отдельных параметров общей системы;
- в вертикальной подсистеме модели формируется асимметричный отпор для деформаций изгиба вниз (положительный прогиб) и вверх (отрицательный прогиб). В качестве характеристик отпора используется модуль упругости подрельсового основания, определенный специально проведенным экспериментом;
- сопротивления поперечному сдвигу пути и сопротивления повороту рельса относительно шпалы (уравнения 3, 4) в подсистеме горизонтальной устойчивости принимаются в первом приближении линейными зависимостями; в качестве линеаризующих зависимостей приняты первые члены разложения в ряд Тейлора-Маклорена. Это позволило получать вполне адекватные значения выходных параметров модели для малых деформаций;
- модель позволяет проводить исследования, как в прямых, так и в кривых участках пути;
- при использовании в качестве возмущения системы начальных неровностей и сил сопротивления, ввод их возможен, как в виде аналитических детерминированных математических функций, так и в виде случайных функций с любым законом распределения вероятностей.
Разработанная модель проверена на адекватность. Такая проверка состояла в сопоставлении результатов расчета по модели с результатами аналитических решений. В качестве аналитических решений было использовано решение об устойчивости стержня, лежащего на двух опорах и погруженного в упругоподатливую среду.
Программный продукт для решения поставленных выше задач разработан в системе математического моделирования MatLab.
Третья глава посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния бесстыкового пути в вертикальной плоскости под действием температурной продольной сжимающей силы. Во всех расчетах пути на прочность с железобетонным подрельсовым основанием рекомендуется принимать модули упругости равные 100 МПа. Однако, в реальном пути за счет наличия под шпалой люфтов и неровностей, создаваемых щебеночным балластом, фактические значения модуля имеют несколько меньшую величину. Также можно предположить, что модули упругости подрельсового основания не симметричны, т.е. отпор основания носит характер, показанный на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема асимметричного отпора подрельсового основания от прогиба рельса (асимметричная схема отпора): P - величина отпора; z - прогиб рельса
С целью уточнения модулей упругости подрельсового основания на действующем участке пути был проведен полевой эксперимент, заключающийся в определении линии прогибов рельсов при воздействии одиночной нагрузки направленной вверх. Результаты эксперимента сопоставлялись с расчетами. В качестве расчетной модели принята модель балки на упругом основании, нагруженная распределенной нагрузкой, отражающей вес верхнего строения пути (ВСП):
где Е - модуль упругости рельсовой стали, МПа; Iz - момент инерции поперечного сечения рельса относительно горизонтальной оси, м4; z - деформация изгиба рельсошпальной решетки; в дальнейшем принято, что при z >0 - изгиб рельса вниз, z<0 - изгиб рельса вверх; U (z) - модули упругости подрельсового основания, далее принято, что U (z)=U1 при z>0 и U (z)=U2 при z<0 (рисунок 1); q - распределенная нагрузка от веса ВСП. При этом сходимость графиков линии влияния, полученных при проведении полевого эксперимента и по расчетной модели, определялась методом наименьших квадратов.
Были определены модули упругости при прогибе вверх и вниз при фиксированной распределенной нагрузке от веса ВСП равной 3250 Н/м. Основываясь на результатах этого эксперимента, в первом приближении, в дальнейших расчетах при исследовании устойчивости приняты значения модулей упругости равные U1=50 МПа при положительном прогибе и U2=3 МПа - при отрицательном. Для асимметричной схемы выполнены расчеты по определению доли обезгруживания и отрыва* рельсошпальной решетки в зависимости от различных периодов и амплитуд начальной вертикальной неровности и действующей продольной температурной сжимающей силы равной 1000 кН. Расчеты показали, что асимметрия отпора существенно влияет на обезгруживание подрельсового основания. При наличии начальных вертикальных неровностей разница между симметричной и асимметричной схемами отпора уменьшает давление шпал на балласт на 20 %. Было получено, что:
- ненагруженные начальные вертикальные неровности существенно снижают давление шпал на балласт;
- длины зон обезгруживания и отрыва подрельсового основания зависят от периода и амплитуды начальной вертикальной неровности.
Результаты расчетов доли обезгруживания и отрыва в зависимости от периодов и амплитуд начальной вертикальной неровности представлены в таблице 1.
Из таблицы 1 вытекает, что при наличии в пути начальной вертикальной неровности возникает обезгруживание части подрельсового основания вплоть до полного отрыва шпал от балласта. Это неизбежно должно приводить к образованию по длине пути зон пониженного сопротивления шпал поперечным перемещениям. Таблица 1 - Доля обезгруживания и доля отрыва в зависимости от периодов и амплитуд начальной вертикальной неровности
Амплитуда начальной вертикальной неровности, мПериод начальной вертикальной неровности, м46810Доля обезгруживания и отрыва, %обезгр.отрывобезгр.отрывобезгр.отрывобезгр.отрыв0,002513348144744500,0045748544250294700,00658525649524150270,0159565854554952410,01659585957565354470,0226159595757545449 Далее проведено исследование давления шпал на балласт под подвижным составом. В качестве подвижного состава был выбран локомотив ВЛ-10. Статическая нагрузка от локомотива принималась равной 115 кН. Расчетная схема расстановки сил от состава (локомотива ВЛ-10) представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Расчетная схема расстановки сил от локомотива ВЛ-10:
А - зона перед локомотивом; В - зона между двумя тележками первой секции, расстояние - 4,5 м; С - зона между двумя секциями локомотива, расстояние в этой зоне составляет 5,92 м; D - зона между тележками второй секции- 4,5 м; E - зона после локомотива
Моделированием было определено, что наличие подвижного состава увеличивает обезгруживание и отрыв рельсошпальной решетки в зонах под поездом. Наиболее существенным по величине такое обезгруживание имеет место в зонах перед и после локомотива и между его секциями. Один из результатов расчета длины обезгруживания и отрыва показан в таблице 2.
Таблица 2 - Длина обезгруживания и отрыва в зонах под поездом при периоде начальной вертикальной неровности 8 м
Амплитуда начальной вертикальной неровности, мРасчетные зоныАСЕДлина обезгруживания и отрыва, мобезгр.отрывобезгр.отрывобезгр.отрывотсутствует2,502,51200,0024,5020300,00442,51,5041,50,00642,71,0042,50,0143,51043,30,01443,50,5043,5 Четвертая глава посвящена исследованию влияния стохастического характера сопротивления поперечному перемещению шпал в балласте и повороту рельса относительно шпал на величину критической температуры, способной повлиять на устойчивость бесстыкового пути в горизонтальной плоскости.
С этой целью разработана математическая модель поперечной устойчивости бесстыкового пути, отличающаяся тем, что силы отпора шпал поперечному перемещению и их повороту относительно рельса по длине пути рассматриваются как случайные функции. Распределение вероятностей изменения параметров этого отпора принято в соответствии с законом Гаусса. Моделированием показано, что стохастический характер сопротивления поперечному перемещению шпал в балласте и повороту рельса относительно шпал приводит к уменьшению величины критической температуры. В качестве примера на рисунке 3 представлена зависимость изменения минимальной критической температуры Tкр от коэффициента вариации стохастического сопротивления повороту рельса относительно шпал при различных периодах начальной горизонтальной неровности и уклоне неровности 2 ‰.
Рисунок 3 - Зависимость изменения минимальной критической температуры при различных периодах начальной горизонтальной неровности и уклоне неровности 2 ‰ от коэффициента вариации стохастического сопротивления повороту рельса относительно шпал
Таким образом, разработанная методика численного интегрирования дифференциального уравнения, описывающего модель поперечной устойчивости, позволила провести исследования влияния конструктивных особенностей и величины локального ослабления сопротивления пути выбросу, вероятные при проведении ремонтных работ в зависимости от параметров начальных горизонтальных неровностей, что позволяет уточнить расчеты. Пятая глава посвящена использованию совместной модели устойчивости для исследования степени влияния температурных деформаций пути в вертикальной плоскости на его поперечную устойчивость.
При расчетах по совместной модели было определено, что учет вертикальных неровностей и их взаимное расположение с горизонтальными неровностями (сдвиг по фазе) в зависимости от их абсолютных величин может существенно (на десятки процентов) понизить величину критической температуры поперечной устойчивости пути. В качестве примера, один из вариантов расчета показан в таблице 3. Выявлено, что учет взаимного расположение волн (сдвиг по фазе) начальных ненапряженных вертикальных и начальных горизонтальных неровностей может также существенно влиять на достоверность расчетной оценки величин критических перемещений и температур.
Таблица 3 - Влияние сочетания длин неровностей с уклоном 1 ‰ и их взаимное расположение (сдвиг по фазе) на величину критической температуры Период вертикальной неровности/период горизонтальной неровности, мСдвиг по фазе, рад0π/8π/6π/4π/2π5/4π3/2πКритическая температура, °С4/842,147,049,15477,542,137364/1244,945,145,446,049,644,846504/1660,058,257,757,156,360,06574 При проведении расчетов совместной модели особое внимание уделялось зонам (см. рисунок 2), где при действии критической температуры, происходило перемещение рельсошпальной решетке на критические величины. В качестве примера, на рисунке 4 представлен один из вариантов расчета, где критическое перемещение рельсошпальной решетки наблюдается между двумя секциями локомотива. Согласно результатам расчетов при большинстве вариациях неровностей пути критические перемещения рельсошпальной решетки наблюдались в зоне С, то есть в промежутке между секциями локомотива, а также в зонах В и D, то есть в промежутке между тележками первой и второй секции локомотива. На рисунке 5 представлен один из вариантов расчетов, где перемещение рельсошпальной решетки наблюдается между секциями локомотива.
Получено, что при воздействии на путь продольной температурной сжимающей силы и при наличии начальных вертикальных и горизонтальных неровностей, под поездом могут возникать дополнительные перемещения рельсошпальной решетки и разгрузка подрельсового основания. Это явление может приводить к снижению сопротивления поперечному деформированию бесстыкового пути и снижению уровня его безопасности. Однако эти результаты являются предварительными. Для получения более достоверных, в этой части, результатов необходимо дальнейшее развитие модели температурных деформаций пути и экспериментальное изучение его параметров сопротивляемости, например, с учетом вибраций элементов верхнего строения пути, генерируемых проходящими поездами.
Рисунок 4 - Перемещение рельсошпальной решетки под поездом при периодах начальных неровностей 4 м и уклоне 1 ‰
Рисунок 5 - Перемещение рельсошпальной решетки под поездом при периодах начальных неровностей 8 м и уклоне 1‰
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие научные выводы и практические результаты:
1. На основании анализа известных моделей устойчивости бесстыкового пути в данном диссертационном исследовании предложены гипотезы относительно необходимости учета дополнительных факторов, влияющих на устойчивость бесстыкового пути. 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. 2. Предложена математическая модель и методика ее реализации для расчета устойчивости бесстыкового пути, позволяющая включить влияние ряда дополнительных факторов, уточняющих результаты расчетов. 3. К особенностям разработанной модели можно отнести:
- наличие блока моделирования температурного деформирования пути в вертикальной плоскости, что открывает возможность учета влияния начальных ненапряженных вертикальных неровностей пути на формирование критических, с точки зрения устойчивости пути, деформаций;
- возможность представления отпора подрельсового основания в вертикальной плоскости как асимметричной функции; расчеты показали, что это позволяет получить дополнительный эффект при расчете деформаций;
- возможность оценки стохастического характера функций сопротивления пути поперечному перемещению шпал в балласте на образование критических деформаций;
- возможность оценки взаимного расположения вертикальных и горизонтальных неровностей на величины критических перемещений;
- возможность рассмотрения температурных деформаций при приложении к пути поездных нагрузок.
4. Разработанная методика расчета поперечной устойчивости бесстыкового пути дает хорошую сходимость результатов расчетов критических температур с аналогичными величинами, полученными ранее.
5. Для определения характеристик отпора подрельсового основания, был проведен полевой эксперимент, в результате которого определены модули упругости подрельсового основания, равные 50 МПа при положительном прогибе и 3 МПа - при отрицательном, что говорит об асимметрии отпора подрельсового основания. Моделированием выявлено, что разница результатов вычисления давления шпал на балласт при симметричном отпоре подрельсового основания и асимметричном составляет около 20 %; что свидетельствует о целесообразности учета рассмотренного характера этого параметра в дальнейших исследованиях с применением математического моделирования. 6. Получено, что под воздействием продольной температурной сжимающей силы при наличии в пути начальной вертикальной неровности происходит процесс обезгруживания подрельсового основания, а при некоторых параметрах даже приводит к полному отрыву шпал от балласта.
7. Подтверждено, что стохастический характер сопротивления пути поперечному сдвигу приводит к уменьшению критических температур в рельсе. Так, вероятностное рассмотрение сопротивления перемещению шпал в балласте приводит к меньшей величине критической температуры, нежели при осредненном рассмотрении. Это свидетельствует о целесообразности при решении ряда задач такого подхода к моделированию устойчивости пути и необходимости, одновременно, дальнейшего изучения стохастического характера сопротивления пути сдвигу.
8. При детальном рассмотрении процесса устойчивости, получено, что наличие в пути начальных вертикальных неровностей в зависимости от их периодов и уклонов снижает величину критической температуры в рельсе, что должно, учитываться в последующих исследованиях и практических расчетах. 9. Выявлено, что учет взаимного расположение волн (сдвиг по фазе) начальных ненапряженных вертикальных и начальных горизонтальных неровностей может также заметно влиять на достоверность расчетной оценки величин критических перемещений и температур.
10. Получено, что при воздействии на путь продольной температурной сжимающей силы и при учете неровностей, под поездом, в зонах между тележками и секциями локомотива, могут возникать дополнительные перемещения рельсошпальной решетки; однако эти результаты должны рассматриваться как предварительные. Для получения более достоверных, в этой части, результатов необходимо дальнейшее развитие модели температурных деформаций пути и экспериментальное изучение его параметров сопротивляемости.
11. Разработанная методика позволяет проводить анализ качества и однородности конструкции пути, и поведения пути при его содержании.
12. Разработанный в диссертационной работе расчетный аппарат может, в дальнейшем, использоваться для корректировки норм содержания колеи, в части влияющей на его устойчивость. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Манюгина Е.А. Влияние местных нарушений сопротивления поперечному сдвигу на устойчивость бесстыкового пути// Транспортное дело России, М., №12, 2010 г. - С.194-196. 2. Гасанов А.И., Манюгина Е.А. Стохастический характер устойчивости рельсовых плетей// Мир Транспорта, М., № 2, 2011 г. - С. 154-156.
3. Манюгина Е.А. Экспериментальное определение модулей упругости подрельсового основания при перемещениях в вертикальной плоскости// Транспортное дело России, М., № 3, 2011 г. - С. 96-97.
4. Манюгина Е.А. Взаимодействие колеса и рельса// Труды юбилейной десятой научно-практической конференции "Безопасность движения поездов", М., 2009 г. - С. XIII-33- XIII-34.
5. Манюгина Е.А. Повышение эффективности бесстыкового пути// VII Международная научно - практическая конференция "Trans-Mech-Art-Chem", М., 2010 г.- С. 214-216.
6. Манюгина Е.А., Гасанов А.И. Влияние локальных изменений сопротивляемости бесстыковых рельсовых плетей на их температурные поперечные деформации// Труды VIII научно-технической конференции посвященной памяти Г.М. Шахунянца "Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути", проходившей, М., 2011 г.- С. 54-57.
7. Манюгина Е.А. Устойчивость бесстыкового пути под поездом// Труды XI научно-практической конференции "Безопасность движения поездов", М., 2010 г. -С. XV 15-XV 17.
Манюгина
Екатерина Андреевна
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОДЕЛИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ ПОД ПОЕЗДАМИ
Специальность 05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание
и проектирование железных дорог
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени Подписано в печать ___.____.____ Заказ -_________. Тираж 80 экз. Формат бумаги 60х84 1/16. Объем 1,5 п.л.кандидата технических наук
127994, Россия, г. Москва, ул. Образцова, дом 9, стр. 9, УПЦ ГИ МИИТ.
* Доля обезгруживания и отрыва - это относительная длина, на которой имеет место это явление относительно полной длины рассматриваемого участка. ---------------
------------------------------------------------------------
---------------
------------------------------------------------------------
2
14
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
183
Размер файла
252 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа