Актуальность темы
Новые экономические условия работы железнодорожного транспорта, развитие хозрасчета и формирование рынка транспортных услуг, усиление внутриотраслевой и межотраслевой конкуренции между транспортными предприятиями — все эти объективные обстоятельства заставляют искать пути повышения эффективности работы железных дорог. Основные направления для решения этих задач изложены в принятой, на расширенном заседании Коллегии МПС России, перспективной программе развития путевого хозяйства, направленной на повышение эффективности работы пути при одновременном снижении затрат на его содержание Главными принципами этой программы являются широкое распространение эффективных конструкций пути, применение на ремонте и содержании пути машинизированных комплексов, оснащенных техническими средствами нового поколения [70].
Принятая стратегия позволила в условиях дефицита финансовых ресурсов на основе ресурсосберегающих технологий улучшить основные эксплуатационные показатели работы путевого хозяйства [85].
В свете этих направлений необходимо продолжать перевод железнодорожного пути на бесстыковую конструкцию с железобетонным подрельсовым основанием, как более долговечную и экономичную по сравнению со звеньевым путем с деревянными шпалами [70]. Последнее напрямую связано и с экологическими проблемами, которые обостряются все больше и больше. Использование железобетонных шпал вместо деревянных позволяет сохранить от вырубки в среднем 1 га высококачественного крупноразмерного леса на 1 км пути [41].
С учетом требований нормативных документов типовую конструкцию бесстыкового пути в условиях ВСЖД без каких-либо эксплуатационных ограничений можно применять в прямых и кривых, радиусами от 600 м и более.
Однако применение бесстыкового пути особенно эффективно в кривых малого радиуса, за счет существенного уменьшения эксплуатационных затрат на тягу поездов и содержание пути по сравнению со звеньевой конструкцией.
Протяженность участков с кривыми радиусов от 599 м и менее составляет 20,2% от общей протяженности развернутой длины главных путей, что делает проблему расширения сферы применения бесстыкового пут для этих кривых наиболее актуальной.
Цель настоящей работы — расширения сферы применения бесстыкового пути в кривых малого радиуса, за счет увеличения его поперечной устойчивости.
Методика исследования основана на использовании комплекса теоретических и экспериментальных исследований, среди которых:
— методы строительной механики, динамики сооружений и устойчивости конструкций;
— численные методы расчета конструкций верхнего строения железнодорожного пути с помощью электронно-вычислительных машин;
— методы статистической обработки результатов экспериментов и их корреляционного анализа;
— эксплуатационные наблюдения за температурной работой плетей бесстыкового пути в различных условиях и анализ полученных данных с помощью индивидуально разработанных аналитических программно-прикладных средств.
Научную новизну представляют:
— конечно-элементная модель расчета устойчивости бесстыкового пути с нелинейными силами сопротивления деформациям и возможностью исследования процесса деформирования рельсо-шпальной решетки под действием продольных температурных сил, в том числе в кривых малого радиуса при наличии неустойчивости 2-го рода;
— предложенная методика оценки выброса бесстыкового пути и полученные на его основе, расчетные значения максимально допустимых температур нагрева рельсовых плетей для кривых, различных радиусов;
— экспериментально определенные силы сопротивления поперечным перемещениям шпал в балласте в зависимости от применяемого типа балластоуп-лотнительных машин и стадии капитального ремонта.
Практическая ценность диссертации:
— на основе предложенной методики уточнены значения допускаемых температур нагрева по условию устойчивости плетей для кривых малого радиуса;
— установлено влияние различных сил сопротивления деформациям рельсо-шпальной решетки на общую поперечную устойчивость бесстыкового пути;
— разработана и внедрена на предприятиях ВСЖД система мониторинга работы плетей бесстыкового пути на основе электронного паспорта.
На защиту выносятся:
— конечно-элементная модель расчета устойчивости бесстыкового пути с возможностью отслеживания всего процесса деформирования рельсо-шпальной решетки под действием продольных сжимающих сил;
— методика оценки выброса бесстыкового пути на основе анализа скорости роста поперечных деформаций;
— система оценки устойчивости плетей бесстыкового пути на основе электронного паспорта.
Реализация и апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены: на научно-практической конференции «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока Транссибу», проходившей в СГУПСе 27−29 ноября 2002 г., на Третьей Международной научной конференции творческой молодежи, проходившей 15−17 апреля 2003 г. в ДВГУПСе, на расширенной дорожной школе ВСЖД, на заседаниях кафедры «Путь и путевое хозяйство» ИрГУПСа и СГУП-Са.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 статьях и 1 информационном листке.
Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, трех приложений, и списка литературы 125 наименований.
Заключение
.
1. Разработана конечно-элементная модель устойчивости бесстыкового пути, с нелинейными характеристиками сил сопротивления деформациям рельсо-шпальной решетки, которая позволяет производить расчет параметров процесса деформирования рельсо-шпальной решетки под действием температурных сил, в том числе в кривых малого радиуса при наличии больших значений поперечных перемещений, т.к. в таких кривых не наблюдается потеря устойчивости 1-го рода (смена положения равновесия), а возникает неустойчивость 2-го рода. В результате моделирования получены значения поперечных деформаций рельсо-шпальной решетки в процессе ее нагрева, и предложена методика определения допускаемых температур нагрева плетей, основанная на анализе скорости роста поперечных деформаций, а так же определено влияния начальных неровностей пути в плане на устойчивость плетей.
2. Выполненные расчеты показали, что экономический эффект от применения бесстыкового пути возрастает с уменьшением радиуса кривой. Данный факт обусловлен наличием у звеньевой конструкции дополнительных энергетических затрат на преодоление «углов» в стыках при движении по ним подвижного состава, а величина дополнительных затрат зависит от эксплуатационных условий участка (грузонапряженность, скорость движения поездов) и фактических значений «углов». Проведенный расчет величины дополнительных затрат от наличия «углов» в стыках для эксплуатационных условий ВСЖД показал, что ее значение колеблется от 3000 до 103 000 руб/км в год в зависимости от радиуса кривой.
3. Моделирование изгиба рельсо-шпальной решетки при ее укладке показало, что происходит локальное изменение паспортного радиуса звеньев в пред и застыковой зонах, которое вызывает в этих зонах образование «угла». При анализе результатов моделирования выявилась зависимость значений «углов» от радиуса кривой и типа накладок. Фактические измерения углов подтвердили качественную картину результатов моделирования, причем значения «углов» увеличиваются с наработкой тоннажа и достигают величины более 3° при радиусе кривой 300 м.
4. Обзор существующих методов повышения поперечной устойчивости бесстыкового пути и их техническая оценка, на основе моделирования, показала, что наиболее эффективными являются мероприятия, связанные с повышением сил сопротивления поперечным перемещениям шпал в балласте. Для определения их фактических значений были проведены экспериментальные исследования, которые показали, что требуемое значение сил сопротивления обеспечивает метод «омоноличивания» плеча балластной призмы. Была разработана технология и эскизные чертежи оборудования для «омоноличивания», а так же их экспериментальная проверка.
5. Для оценки фактического напряженно-деформированного состояния плетей разработано программное обеспечение для технического отдела дистанции пути, функцией которого является формирование начальных форм учета информации по плетям, создание и ведение журналов учета подвижек плети, а так же журнала температурной работы плети. При внесении данных в базу производится их анализ, в результате которого вычисляются запас устойчивости, а так же определяется возможность проведения различных видов путевых работ. 6. Для усиления поперечной устойчивости типовой конструкции бесстыкового пути в кривых малого радиуса необходимы дополнительные технические мероприятия, при этом происходит удорожание конструкции, максимальная величина которого, определенная из условия минимальной экономической эффективности с учетом срока окупаемости составляет от 2 038 900 руб/км до 1 242 530 руб/км в зависимости от радиуса кривой. Дополнительные затраты на «омоно-личивание» плеча балластной призмы с учетом стоимости латекса и дополнительных трудовых затрат на его нанесение составляют от 400 000 до 450 000 руб/км, что не превосходит максимально допустимых расчетных значений. Средний расчетный годовой экономический эффект за счет уменьшения приведенных эксплуатационных затрат при применении бесстыкового пути в кривых, радиуса менее 600 м составляет 100 000 — 120 000 руб/км в год.
