Лекция 10 Системы контроля устойчивости бесстыкового пути на зарубежных железных дорогах.

 

Широкая эксплуатация бесстыкового пути в таких странах Западной Европы, как Франция, Англия, США, Германия и др., началась в начале 50-х годов ХХ века.

Полигон бесстыкового пути в этих странах приближается к 100 % общей протяженности главного пути, реализуются высокие скорости движения поездов (до 250 км/ч), поэтому представляет интерес опыт этих стран по организации системы контроля и оценки поперечной устойчивости.

В статье в формулах сохранены условные обозначения использованного литературного источника.

Франция.[1,2] За расчетный параметр устойчивости на линиях Национального общества железных дорог Франции (SNCF) принято максимальное (критическое) значение поперечной силы (L_c) от движущейся подвижной единицы, обеспечивающее безопасную эксплуатацию бесстыкового пути.

В результате теоретических и экспериментальных (на эталонных путях) исследований была получена зависимость для определения фактической поперечной силы Н_ф.

 

Н_ф = α(Р+Р₀)*[1- β*S *Δθ (1+R₀/R)]*(K/K₀)^1/8*[ε(EI)^1/4/(EJ)^1/8] (н) (1)

 

В формуле (1.) произведение α (Р+Р₀) определяет минимальное сопротивление эталонного пути (прямая, путь выправлен подсыпкой) заданной конструкции пути, где Р – осевая нагрузка в н, Р₀ – имеет значение 3 ÷ 4* 10⁴ н, а α – коэффициент, учитывающий степень стабилизации балласта.

Коэффициент [1- β*S *Δθ (1+R₀/R)] учитывает влияние на H_ф изменения температуры Δθ и кривизны пути 1/R, где : S – сечение рельса в м², Δθ – увеличение температуры рельса сверх нейтральной в 1ºС, R₀ – минимальный радиус кривой, при котором допускается укладка бесстыкового пути, равный 800 м, β – эмпирический коэффициент, равный 0,125 м² на 1ºС.

Коэффициент (K/K₀)^1/8 учитывает влияние модуля пути на H_ф, K₀ = 2*10⁷ – модуль пути при не стабилизированном состоянии балласта в н/м², К – фактически измеренный модуль пути в н/м².

Коэффициент ε(EI)^1/4/(EJ)^1/8 учитывает влияние жесткости конструкции пути в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Здесь ε = 0,225 н^-1/8м^-1/4 – эмпирический коэффициент, а EI – жесткость рельса горизонтальной плоскости, в н/м² и EJ – жесткость рельса в вертикальной плоскости, в н/м².

В процессе эксплуатации пути периодически проходом путеиспытательного нагрузочного вагона определяются параметры k, Δθ, R и др., используя эти измеренные значения, и константы, а также проектные значения параметров, входящих в (1) и находящихся в базе данных, определяют при помощи вычислительных программ значения фактической поперечной нагрузки H_ф по формуле (1), и сравнивают их нормативными значениями H_с ,полученным по формулам , приведенным в таблице 1 для различных состояний пути.

Таблица 1

.

№ п/п	Уравнение	Примечание
	Hc=0,31(Р+4*104)	Путь с большим сроком службы, балласт недавно очищен.
	Hc=0,615(Р+3,33*104)	Путь с наработкой 8 млн.т брутто после очистки балласта.
	Hc=Р/3+1*104	Эталонный участок SNCF после очистки балласта.
	Hc=1,10(Р/3+1*104)	То же при ж.б. шпалах.
	Hc =0,85(Р/3+1*104)	Для определения ограничений скоростей в кривых на линиях SNCF.

 

Указанные зависимости получены на линиях Национального общества железных дорог Франции (SNCF) и подтверждены в 1953-1955 г на Нидерландских железных дорогах и на железных дорогах Германии (1955г.), причем значения L _c, полученные расчетным путем и экспериментально на эталонных путях совпадают до десятых долей ньютона.

Условие поперечной устойчивости считается выполненным, если H_ф – H_c= ±1,0кН

Используемые формулы характеризуют устойчивость нагруженного бесстыкового пути в сечении, где на путь передается поперечная и осевая нагрузка от подвижного состава.

Кроме указанного сечения дополнительно исследовалась устойчивость ненагруженного бесстыкового пути. Результаты исследования устойчивости ненагруженного бесстыкового пути использованы для определения минимального значения радиуса кривой.

Англия. [3]Сущность методики определения устойчивости бесстыкового пути сводится к выполнению следующих расчетов:

1) По известной формуле P_t = E F α Δt (2.) где E – модуль упругости рельсовой стали;F – площадь поперечного сечения двух рельсов; α – коэффициент линейного расширения рельсовой стали; Δt–превышение температуры рельсовых плетей относительно температуры их закрепления, определяется сила, возникающая в прикрепленных к основанию рельсовых плетях из-за повышения температуры.

2) По эмпирической формуле (3.), полученной на основании лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний, определяется критическая сила, при которой происходит выброс пути

Р_КР = (π²EI _s /l²) + π²C / 16 D + W_D l²/ π² D q (3)

 

3) определяется зависимость между этими силами, т.е. коэффициент устойчивости пути К _у = Р _кр / Р_t (4).

В формуле (3) I_s – момент инерции двух рельсов, l – длина, на которой наиболее вероятен выброс пути (принята равной 6,0 м), q – максимальное отклонение пути от первоначального положения оси пути (принято 0,63 см, что соответствует уклону отвода 2,0‰), С – коэффициент сопротивления повороту рельсов в скреплениях, Д – расстояние между шпалами, W_D – максимальное сопротивление балласта поперечному смещению одной шпалы без воздействия поездов.

Для определения минимального значения Р_кр из 30 плохих участков был выявлен участок с самым плохим текущим содержанием, на котором имелась совокупность следующих отступлений от норм содержания: l =6 м, q = 0,63 см, сопротивление балласта – только от плеч балластной призмы, коэффициент сопротивления самых ослабленных износом скреплений – ¼ его значения для новых прикрепителей.

В этих условиях, то есть после подстановки в формулу (3) значений, соответствующих перечисленной совокупности отступлений от норм содержания, расчетная критическая сила в рельсах оказалась min Р _кр = 126 т.

При max Δ t = 38º C (для Англии) по формуле (2) значение Р_t = 128 т, е – коэффициент запаса устойчивости по формуле (1.4.) приблизительно равным 1,0.

При подстановке в формулу (3) значений, соответствующих состоянию пути без отступлений от норм содержания и Δt = 38º C, коэффициент запаса устойчивости оказывается равным 2,6.

Так как сила Р _кр определяется без учета воздействия поездов, то определяемое условие устойчивости Р _кр > Р_t можно отнести к устойчивости пути, незагруженного поездной нагрузкой.

США [4,5] Система контроля поперечной устойчивости бесстыкового пути включает в себя периодическое измерение боковой силы F_ф на действующем пути (включая отступления от норм содержания) и сравнения этой силы с боковой критической F _max, определяемой по эмпирической формуле

 

F _max = [1- (A*Δθ/22320)*(1+0.458D)]*(0.7P+6600) - (1.28*10^-3 SV²) (5)

 

где: А – поперечное сечение рельса, Δ θ – максимальное изменение температуры после укладки рельсов, D – кривизна пути, Р – вертикальное давление от оси на рельс, S – площадь поперечного сечения вагона, V – боковая скорость ветра. Без учета скорости ветра уравнение (5) дает предельную критическую поперечную силу, полученную по формуле (1).

Ассоциация американских железных дорог (AAR) использует систему автоматизированного измерения силы сопротивления пути поперечному сдвигу.

Центральное место в исследованиях AAR занимает нагрузочный вагон - путеизмеритель (TLV) для автоматизированного контроля.

TLV состоит из грузовой платформы, представляющей собой приспособленную для этих целей раму локомотива, опирающуюся на двухосные локомотивные тележки. Пятая ось смонтирована на нагрузочной тележке под центром вагона. TLV использует несколько сменных нагрузочных тележек, которые крепятся к раме вагона с использованием вертикальных приводов, подвешенных к кузову вагона. Нагрузочные тележки могут измерять реакции в стационарных условиях и движении.

В отличие от вагона – путеизмерителя, TLV способен создавать и поддерживать максимальные вертикальные и поперечные нагрузки для непрерывного измерения пути и на стоянке. Обнаруженное с помощью TLV ослабленное место помечается краской. С помощью компьютера формируется итоговая таблица о местоположении ослабленных мест пути, которая оперативно распечатывается после каждого прохода TLV и дает обслуживающему персоналу количественную информацию, соответствующему меткам краской на пути.

Германия [6,7]Для расчета критического повышения температуры Δt_У используется известный метод и формулы профессора Майера (Meier).

Для прямых Δ t _У = , º С (6.)

где L = 3 π, мм f ^x = 8.7 w (EJ / P_o), мм

Для кривых Δ t _У = - 8J / (α F R f ) + (7)

где L = 2 π, мм f ^x = (W - P₀ / H) (16 E J / P²₀)

Где f ^x – критическое отклонение пути, J – момент инерции рельсо-шпальной решетки, R – радиус кривой, W – сопротивление пути поперечному сдвигу, f – принятое отклонение пути, Р = α *Δ t_У* F E – критическая сила сжатия, L – принятая длина выброса.

Венгрия. [8] на Венгерских ж.д. в 1974 г. завершено 15-ти летнее исследование устойчивости бесстыкового пути. [7]. Для одной и той же конструкции пути на деревянных шпалах определялись условия устойчивости на стенде без движения поездов (1-й этап) и на стенде при движении поездов (2-й этап). Особенностью эксперимента было то обстоятельство, что при исследованиях устойчивости пути как на первом, так и на втором этапах путь не доводился до выбросного состояния. Первый (статический) этап исследования выполнялся по методике, весьма близкой к методике, использованной ВНИИЖТом при экспериментах на специальном стенде, только в качестве стенда использовался путевой треугольник, т.е. эквивалент поворотного круга.

Оригинальность второго (динамического) этапа исследований заключалась в том, что по этому треугольнику – стенду пропускались отдельные отцепы вагонов, предварительно набравшие скорость при помощи локомотива.

В процессе каждого из двух этапов эксперимента получены предельные температуры нагрева рельсовых плетей, соответствующие следующим состояниям рельсошпальной решетки:

- волнообразные упругие деформации рельсовых плетей в пределах подкладок, шпалы неподвижны (превышение температур Δ t₁ );

- волнообразные упругие деформации рельсошпальной решетки со смещением шпал (Δ t₂);

- деформации рельсошпальной решетки с ростом остаточных перемещений

(Δ t₃).

За критерий устойчивости принято предельное состояние рельсошпальной решетки, при котором не возникают остаточные деформаций и соответствующее этому состоянию превышение температур, т.е. Δ t₂.

 

Значения Δ t _у , полученные по результатам испытаний

 

 

Таблица 1

Условия эксперимента Δ t	Радиус кривой, м
Без подвижной нагрузки, Δ t 1	57,9	56,9	49,4	36,6
С подвижной нагрузкой, Δ t2	43,8	41,4	35,0	24,0
Δ t2 – Δ t1, º С	14,1	15,5	14,4	12,6
Уменьшение Δ t1, %	24,4	27,3	29,2	34,5

 

В отношении устойчивости кривых радиусом 300 м и 400 м сделан следующий вывод: путь, лежащий в кривой радиуса R = 400 м без нагрузки от подвижного состава является еще устойчивым, а с нагрузкой от подвижного состава – не устойчив, а в случае недостатков в содержании пути имеется опасность выброса пути, путь, лежащий в кривой R = 300 м как без нагрузки от подвижного состава, так и с нагрузкой от подвижного состава не устойчив.

За нормативные значения поперечной устойчивости приняты значения Δ t₂, т.е.

[Δ t_у] = Δ t₂.

Таким образом, в качестве параметров устойчивости использованы следующие показатели и условия устойчивости:

- (Франция) - не превышение критических значений поперечных сил Н _С, (полученных на эталонных путях), расчетных значений фактических поперечных сил Н_Ф, подсчитанных по формуле (1) по исходным данным, полученным в результате прохода путеиспытательного нагрузочного вагона.

Условие поперечной устойчивости - (Н_Ф ± 1,0 Кн) ≤ Н_С;

- (Англия) – коэффициент устойчивости К_У, равный отношению продольных сил критической Р _кр, определяемой по формуле (3)и фактической Р_t,определяемой по формуле (2)

Условие устойчивости К_У = (Р _кр / Р_t ) ≥ 1,0 ;

- (США) - не превышение измеряемой боковой силы F_Ф боковой критической силы F_MAX, определяемой по формуле (5).

Условие устойчивости - F_Ф ≤ F_MAX;

- (Германия) – превышение температуры закрепления по условиям поперечной устойчивости Δ t _У, полученной по формулам (6,7) для незагруженного пути с учетом максимально допустимого отступления от норм содержания в плане.

Условие устойчивости – не превышение Δ t _У в процессе эксплуатации.

- (Венгрия) - превышение температуры закрепления по условиям поперечной устойчивости Δ t _УД, для незагруженного пути с учетом воздействия поездов.

Условие устойчивости – не превышение Δ t _УД в процессе эксплуатации.

В вышеупомянутых аналитических и эмпирических зависимостях учитывались следующие ослабляющие поперечную устойчивость факторы (кроме повышения температуры относительно температуры закрепления рельсовых плетей):отступления от номинальной кривизны (Франция, Англия, США, Германия), степень стабилизации балласта (Франция),не подбитые шпалы и ослабление затяжки скреплений Англия), влияние воздействие поездов на незагруженные сечения пути (Венгрия).

В качестве расчетных использовались следующие поперечные сечения пути:

- сечения, где направляющие боковые силы экипажа взаимодействуют с рельсами (Франция,),

- незагруженный путь без воздействия поездов (Англия, Германия),

- незагруженные вертикальной поездной нагрузкой сечения (межтележечное пространство), подверженные вибрационному воздействию от проходящих поездов (Венгрия),

- межтележечное пространство, загружаемое (вагоном TLV) тележкой с регулируемым сочетанием вертикальных и горизонтальных (в том числе распорных) нагрузок (США).