Розробка математичної моделі взаємодії колії та рухомого складу при проходженні вертикальних нерівностей колії. Оцінка впливу геометричних та фізичних параметрів залізничної колії у вертикальній площині на параметри її напружено-деформованого стану.
Аннотация к работе
Для розвязання практичних проблем реконструкції та експлуатації колії використовують методику розрахунку колії на міцність, яка дозволяє проводити практичний розрахунок навантажень, напружень і деформацій в елементах верхньої будови колії. За проміжок часу 50 років з моменту затвердження існуючих правил розрахунку колії на міцність відбулися значні зміни у конструкції колії, рухомому складі та швидкостях руху, зявилася можливість врахувати додаткові фактори, що впливають на напружено-деформований стан. Ізольована нерівність на колії була прийнята сталою, яка може виникнути на колії певної конструкції під певним навантаженням та не залежить від фактичного стану колії виміряного колієвимірювальними засобами, а також залишається постійною протягом усього періоду експлуатації колії. Врахування фактичної нерівності колії у розрахунку колії на міцність дасть можливість визначити фактичні сили дії на колію та напруження у її елементах. В публікаціях, в яких відображено основні результати дисертації та які написані у співавторстві, автору належить: в [2] - розробка математичної моделі динамічної взаємодії колії та рухомого складу, з допомогою якої виконувалося дослідження силової дії на колію при проходженні рухомим складом нерівностей на колії; в [3, 5, 9]-пропозиції по коригуванню аналітичних виразів та значень відповідних коефіцієнтів у розрахунку колії на міцність для урахування впливу фактичної геометричної нерівності; в [1] - збір даних по стану колії у вертикальній площині на типових конструкціях верхньої будови колії, що використовуються на залізницях України та встановлення звязку у табличній формі між якісним станом та бальною оцінкою одного кілометра колії і параметрами характерної геометричної нерівності; в [6, 8, 11] - розробка методики визначення характеристик пружності підрейкової основи та їх розподілу вздовж колії під фактичними навантаженнями від рухомого складу; в [10, 11] - розробка методики безконтактного виміру прогину рейки фотографічним методом; в [1, 4, 8] - розробка методики визначення фактичної вертикальної нерівності колії по вимірах вагона-колієвимірювача.У першому розділі проводиться узагальнюючий історичний огляд розвитку методів розрахунку колії на міцність та взаємодії колії та рухомого складу і виконано аналіз існуючого стану вітчизняних і зарубіжних досліджень по проблемах взаємодії колії та рухомого складу, а також сучасні тенденції досліджень. У таблиці 2 для кожного якісного стану колії та відповідної бальної оцінки 1 км колії встановлено параметри ізольованої нерівності колії - максимальну глибину, мінімальну довжину, а також максимальний ухил нерівності. Результати, отримані у даному розділі, використовуються у пятому розділі для розвязання практичної задачі знаходження вертикальних сил дії необресорених мас рухомого складу на колію при певному геометричному стані колії. Під ідентифікацією параметрів колії розуміється експериментальне визначення її характеристик, які в подальшому використовуються для моделювання взаємодії колії та рухомого складу. Необхідність у експериментальному знаходженні характеристик колії викликана потребою збільшення точності моделювання, яка у значній мірі залежить від закладених у моделі характеристик колії, а також розробкою складніших моделей, що вимагають знання якісно нових характеристик.Зясовано відсутність методик та правил, які б дозволяли як на теоретичному, так і на практичному інженерному рівнях оцінити вплив якісного геометричного стану 1 км колії, чи стану колії, вираженого бальною оцінкою, на надійність, довговічність та працездатність колії. Статистичний аналіз зібраної на залізницях України інформації про фактичні нерівності колії та її якісний стан показав, що вертикальні нерівності колії випадковим чином розподілені вздовж колії, а їх параметри - глибина та довжина - підкоряються закону розподілу імовірності Гамма. Розроблено математичну та компютерну модель динамічної взаємодії колії та рухомого складу, яку було використано для дослідження впливу фізичних та геометричних характеристик колії на її напружено-деформований стан, що виникає при проходженні рухомим складом вертикальної нерівності на колії. На основі багатоваріантних розрахунків за допомогою розробленої моделі запропоновано практичні рекомендації щодо удосконалення методики розрахунку колії на міцність та врахування фактичного геометричного стану колії у вигляді окремих нерівностей чи якісного стану 1 км колії. Врахування фактичного стану колії значно розширює можливості використання правил розрахунку колії на міцність: це встановлення допустимих швидкостей руху рухомого складу в залежності від фактичного стану колії, визначення раціональних умов утримання ділянок колії із різноманітними значеннями зовнішніх навантажень від рухомого складу та вантажонапруженості.Вплив стану колії на сили її взаємодії з рухомим складом у розрахунках колії на міцність // Тези доповідей першої науково-практичної конференції "Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка,
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
У дисертаційній роботі на основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень вирішена науково-технічна задача підвищення ефективності експлуатації колії та зменшення розладнань елементів колії шляхом врахування впливу фізичних та геометричних характеристик залізничної колії на її напружено-деформований стан. Основні наукові результати, висновки та практичні рекомендації дисертації полягають у наступному.
Оглядом існуючого стану колійної науки України встановлено наявність недоліків, неточностей та обмежень використання існуючих методів розрахунку напружено-деформованого стану колії та способів визначення її фізичних та геометричних характеристик. Зясовано відсутність методик та правил, які б дозволяли як на теоретичному, так і на практичному інженерному рівнях оцінити вплив якісного геометричного стану 1 км колії, чи стану колії, вираженого бальною оцінкою, на надійність, довговічність та працездатність колії.
Статистичний аналіз зібраної на залізницях України інформації про фактичні нерівності колії та її якісний стан показав, що вертикальні нерівності колії випадковим чином розподілені вздовж колії, а їх параметри - глибина та довжина - підкоряються закону розподілу імовірності Гамма. При цьому, із усієї групи нерівностей виключаються ті, які належать до відмінного стану колії. Параметри закону Гамма для глибини осідань становлять: a=13,22 мм та b=0,742 мм. Середньоквадратична похибка оцінки параметрів а та b при надійності 95% становить ?a=0,47 та ?b=0,027. Таким чином, відносна похибка складає менш, ніж 5%, що цілком прийнятно для практичних інженерних розрахунків.
Аналіз взаємозвязку довжин та глибин осідань показав, що між цими параметрами взаємозвязок практично відсутній, тобто, певній глибині осідань можуть в однаковій мірі відповідати як короткі, так і довгі довжини осідань.
Знайдено значення характерної глибини та довжини нерівності для кожного якісного стану колії при заданому ступені імовірності їх виникнення, рівному 0,9225. Знайдені значення дозволяють робити висновки стосовно напружено-деформованого стану колії, що відповідає якісному стану геометрії колії.
Розрахунки показують, що максимально-ймовірна глибина осідання при рівні ймовірності 0,9225 змінюється від 14,32 мм до 27,0 мм при незадовільному стані. Знаходження звязку параметрів осідань із параметрами фактичних нерівностей виконано з врахуванням геометричної схеми запису осідань вагоном-колієвимірювачем.
Розроблено математичну та компютерну модель динамічної взаємодії колії та рухомого складу, яку було використано для дослідження впливу фізичних та геометричних характеристик колії на її напружено-деформований стан, що виникає при проходженні рухомим складом вертикальної нерівності на колії. Така модель враховує вплив зміни геометричних та фізичних характеристик колії вздовж її осі. Порівняння розрахунків напружень у рейці по моделі та експериментально виміряних показує, що напруження у рейках та вертикальні сили дії колеса на них при діапазоні швидкостей 90-140 км/год відрізняються від середніх експериментальних величин не більш ніж на 10-11%.
На основі багатоваріантних розрахунків за допомогою розробленої моделі запропоновано практичні рекомендації щодо удосконалення методики розрахунку колії на міцність та врахування фактичного геометричного стану колії у вигляді окремих нерівностей чи якісного стану 1 км колії. Розрахунки показують, що середній ухил вертикальної нерівності змінюється від 1,01% при відмінному стані 1 км колії до 4,31% при незадовільному стані. Врахування фактичного стану колії значно розширює можливості використання правил розрахунку колії на міцність: це встановлення допустимих швидкостей руху рухомого складу в залежності від фактичного стану колії, визначення раціональних умов утримання ділянок колії із різноманітними значеннями зовнішніх навантажень від рухомого складу та вантажонапруженості.
Створена методика знаходження вертикальної нерівності залізничної колії за даними вагона-колієвимірювача дозволяє з прийнятною для інженерних розрахунків точністю отримати характеристику вертикальної нерівності колії в навантаженому стані, що дозволяє, на відміну від існуючих методів (нівелювання, ручні виміри методом хорд), враховувати також нерівнопружність підрейкової основи. Така методика дозволяє не тільки визначити вертикальні нерівності рейкових ниток, а також контролювати похибку визначення нерівності завдяки використанню записів перекосів колії. Аналіз похибки визначених нерівностей колії показав, що вона становить не більш ніж 7-10%. Методики визначення вертикальної нерівності та пружності колії використано у роботах по встановленню допустимих швидкостей руху на ділянках колії, на яких було виконано ремонти колії із використанням важких колійних машин.
Розроблена методика визначення нелінійної вертикальної пружності колії під фактично діючими навантаженнями від рухомого складу, на відміну від традиційних методів виміру пружності колії, дозволяє врахувати фактичне динамічне навантаження від рухомого складу та уникнути використання спеціального навантажувального пристрою. Окрім того, така методика дає можливість визначити параметри нелінійної пружності окремих опор та їх розподіл вздовж осі колії.
Розроблена методика безконтактного виміру динамічного прогину рейки фотографічним методом дає можливість виміряти абсолютний прогин рейки та значно зменшити систематичну похибку виміру. Порівняння записів прогинів за розробленою методикою із записами тензометричних прогиномірів показує, що прогин, виміряний фотографічним методом, приблизно у 1,5-2 рази більший від прогинів, виміряних тензометричними прогиномірами.
На основі комплексних експериментально-теоретичних досліджень виконано оцінку необхідної пружності рейкових скріплень з точки зору роботи рейок та баластного шару. Для залізниць України рекомендується вертикальна жорсткість вузла скріплення для ділянок колії зі змішаним рухом, де за кількістю поїздів переважає пасажирський рух з вагонами існуючої конструкції 40 КН/мм, а для ділянок колії зі змішаним рухом, де за кількістю поїздів переважає рух вантажних поїздів, 60 КН/мм, незалежно від конструкції скріплення та монтажних зусиль кріплення рейки до опори.
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО У ТАКИХ РОБОТАХ
1. Сисин М.П., Рибкін В.В. Знаходження вертикальної нерівності залізничної колії за даними вагона-колієвимірювача // Дніпропетровськ: Вісник ДНУЗТ. - 2003. - Вип. 2. - С. 24-29.
2. М.П. Сисин, В.В. Рибкін, О.М. Патласов, Дослідження динамічних коливань балки на пружній дисипативній основі під дією рухомого навантаження при проходженні силової нерівності колії // Дніпропетровськ: Вісник ДНУЗТ. - 2004. - Вип. 5. - С. 188-193.
3. Рибкін В.В., Баль О.М., Бондаренко І.О., Сисин М.П. Інженерний розрахунок залізничної колії на міцність // Залізничний транспорт України. - 2005. - № 2. - С. 40-44.
4. Уманов М.И., Цыганенко В.В., Сысын Н.П., Курган Д.Н. Скорости движения в кривых после ремонта // Путь и путевое хозяйство. - М., 2007. - № 10. - С. 29-30.