Раціоналізація норм улаштування рейкової колії в кривих малих радіусів для підвищення ресурсів роботи рейок

Abstract

UA: Дисертація присвячена науковому обґрунтуванню і практичному вирішенню проблеми підвищення ресурсів роботи рейок у кривих із радіусами 450 м і менше шляхом раціоналізації норм улаштування, утримання і експлуатації колії. На основі даних про інтенсивність технічних відмов колії по боковому зносу зроблено висновок про те, що причинами цього явища є особливості взаємодії колії й рухомого складу в таких кривих. Як теоретичну модель для розрахунків сил взаємодії колії й рухомого складу було прийнято існуючу математичну модель просторової динамічної системи «екіпаж–колія». В цій моделі колія розглядається як просторова конструкція, яка складається з балок-рейок, які спираються на велику кількість окремих опор-шпал із нелінійними пружно-дисипативними характеристиками. В існуючу математичну модель було внесено зміни, які враховують інерційні характеристики колії. Теоретичними й експериментальними дослідженнями в лабораторних умовах та в колії встановлено просторові жорсткості рейкових опор при використанні дерев’яних або залізобетонних шпал та 9 типів проміжних рейкових скріплень, які дозволені до використання у кривих малих радіусів. Зроблено прогнозну оцінку змін просторових жорсткостей рейкових опор під час експлуатації колії. Виконано чисельні дослідження впливу конструктивних характеристик рейкової колії, норм улаштування й утримання, термінів експлуатації, режимів ведення поїзда на боковий знос і пошкоджуваність рейок дефектами у кривих малих радіусів. Адекватність розроблених моделей і методів для вирішення поставлених задач підтверджено порівнянням результатів розрахунків з експериментальними даними. Розроблено практичні рекомендації стосовно улаштування і особливостей експлуатації колії у кривих малих радіусів, які дозволять зменшити інтенсивність зносу і пошкоджуваність рейок дефектами до 40 %. RU: Диссертация посвящена научному обоснованию и практическому решению проблемы повышения ресурсов работы рельсов в кривых с радиусами 450 м и меньше путем рационализации норм устройства, содержания и эксплуатации пути. Во введении представлена общая характеристика работы, приведены актуальность, связь с научными темами, сформулированы цель и задачи исследований, описаны практическая значимость и научная новизна. В первом разделе работы сформулирован общий подход к решению проблемы повышения ресурсов работы рельсов в кривых участках малого радиуса. Был сделан вывод, что причинами интенсивности технических отказов пути вследствие бокового износа рельсов и других дефектов контактно- усталостного происхождения на поверхности катания в кривых малых радиусов являются особенности взаимодействия пути и подвижного состава, прежде всего грузовых вагонов. Для определения мер по уменьшению интенсивности бокового износа и других дефектов нужно установить влияние норм и допусков содержания рельсовой колеи в таких условиях на динамику взаимодействия пути и подвижного состава. Во втором разделе изложены теоретические основы исследований влияния подвижного состава на путь в кривых малых радиусов. За основу была принята математическая модель пространственной динамической системы «экипаж-путь», которая была разработана проф. А.Н. Даренским для условий промышленного железнодорожного транспорта. Рельсы рассматриваются как балки большой длины, которые опираются на отдельные опоры, что имеют пространственные упруго-диссипативные свойства. Учтена возможность движения по пути колес, которые имеют дисбаланс, неравномерность проката, ползуны и создают ударные силы в стыках. Для учета инерционных свойств пути были рассмотрены его колебания под действием подвижного состава. Предложенная методика определения сил взаимодействия позволила учитывать не только упругие и геометрические характеристики рельсов, жесткости опор, эпюру шпал, а также массу пути, которая принимает участие в ее колебании в любой момент времени. В конце раздела, на основе полученных математических моделей, был определен перечень жесткостей рельсовых опор. В третьем разделе приведены результаты исследований пространственных жесткостей рельсовых опор при применении деревянных и железобетонных шпал со скреплениями ДО, Д2, Д4, КППД-2, СКД65-Д, КБ, СКД65-Б, КПП-5 и КПП-5- К. Жесткости рельсовых опор при пространственных нагрузках рассматривались как системы последовательно соединенных жесткостей промежуточных скреплений и жесткостей системы «шпала-балласт». В свою очередь пространственные жесткости рельсовых скреплений рассмотрены как системы последовательно и параллельно соединенных жесткостей упругих элементов- прокладок и прикрепителей. Определен перечень зависимостей изменений жесткостей упругих элементов, которые необходимо было определить экспериментально. Для определения количественных характеристик изменений динамической жесткости прокладок промежуточных скреплений, вследствие старения, были проведены их испытания, которые были в эксплуатации. Анализ условий эксплуатации пути показал, что главными факторами, которые влияют на изменения пространственных жесткостей рельсовых опор, являются сроки его эксплуатации. В четвертом разделе выполнены численные исследования влияния параметров рельсовой колеи на боковой износ и повреждаемость рельсов в кривых малых радиусов. Для обобщения учета влияния параметров рельсовой колеи в работе был применен параметр, который имеет название «фактор бокового износа». Было учтено влияние радиусов кривых, горизонтального поперечного непогашенного ускорения, ширины колеи, тормозных процессов, конструкции подрельсовой основы на динамические процессы взаимодействия экипажа и пути при разных конструкциях подрельсового основания. Была проверена адекватность разработанных моделей и методов расчетов путем сравнения данных расчетов и результатов экспериментальных работ. Были разработаны рекомендации относительно практического использования результатов исследований, в частности рекомендации относительно режимов ведения поездов и рекомендации о применении конструкции подрельсового основания в разных условиях эксплуатации. EN: The thesis deals with scientific rationale and practical solution to the problem of higher operational life of rails laid in curves of a radius of 450m and less by rationalizing the track arrangement, maintenance and operation norms. On the base of the data on the number of technical failures of the track due to side wear, it was concluded that the reasons were in the special nature of the vehicle/track interaction in curves. The existing mathematical model of the spatial vehicle/track dynamic system was taken as a theoretical model for calculation of interaction forces between the track and the vehicle. This model considered the track as a spatial structure consisting of beams (rails) rested on many separate rail supports (sleepers) of non-linear elastic-dissipative characteristics. The altered mathematical model considered the track inertia properties. The theoretical and experimental research, both in laboratories and in the field, made it possible to establish spatial rigidities of rail supports on wooden and reinforcedconcrete sleepers and nine types of rail intermediate fastenings allowed only for small radius curves. The predictive estimate of changes in the spatial rigidities of rail supports in operation was conducted. The numerical research into the influence of rail track structural characteristics, arrangement, maintenance and operational norms, operational terms, train operational modes for side wear, and rail damageability in small radius curves was conducted. The adequacy of the models and methods to solve the problems was confirmed by comparing the calculation results with the experimental data. The practical recommendations on the peculiarities of track arrangement and operation in small radius curves were developed; further they may help decrease the rail side wear up to 40 % and reduce damages through other defects.