Вплив поперечних та поздовжніх горизонтальних сил на роботу безпідкладкової та підкладкової конструкції рейкової колії - Автореферат

До 1996-97 р.р. на українських залізницях на головних коліях на залізобетонних шпалах застосовувалися тільки підкладочні рейкові скріплення типу КБ з жорсткою клемою і 2-витковими пружними шайбами. Впровадження сучасної вітчизняної безпідкладкової конструкції колії з пружними рейковими скріпленнями типу КПП на залізобетонних шпалах, які не поступаються прогресивним закордонним конструкціям, є обєктивною необхідністю, обґрунтованою насамперед економічною недоцільністю застосування типових підкладкових конструкцій зі скріплень типу КБ на швидкісних ділянках та на ділянках з помірною вантажонапруженістю. Робота безпідкладкової конструкції колії з пружними скріпленнями на залізобетонних шпалах порівняно з підкладковою відрізняється тим, що змінюється просторова жорсткість рейкових ниток та опір поздовжнім та поперечним переміщенням колії. Але, не зважаючи на достатньо широке застосування нових конструкцій безпідкладкових скріплень на українських залізницях, у вітчизняній практиці наукових рішень відсутні дослідження, які б довели комплексне науково-технічне обґрунтування доцільності впровадження на залізницях безпідкладкових конструкцій рейкової колії з пружними рейковими скріпленнями для вітчизняних умов експлуатації. За завданням Головного управління колійного господарства Укрзалізниці були виконані такі науково-дослідні роботи: «Дослідження поздовжньої стійкості колії на залізобетонних шпалах при різних типах скріплень» № 535/02-1084.02 ЦТЕХ Київ, КУЕТТ, 2003 р., «Розробка та обґрунтування технічних параметрів та характеристик рейкових скріплень типу КПП для залізобетонних шпал» № 605/03-74/03-ЦТЕХ Київ, КУЕТТ, 2005р., «Наукове обґрунтування та розробка раціональних типів і конструкцій верхньої будови колії для нових умов експлуатації і швидкісного руху поїздів на залізницях України» № 16-2001 Б-ЦТЕХ Київ, КУЕТТ, 2004 р.В дисертації представлено нове вирішення наукової проблеми впливу горизонтальних поздовжніх та поперечних сил на роботу підкладкової та безпідкладкової конструкції рейкової колії для сучасних умов експлуатації залізниць України. Доведено, що стійкість в горизонтальній поздовжній та поперечній площині безпідкладкової конструкції колії з пружними вітчизняними рейковими скріпленнями забезпечується при довготривалій експлуатації. Вертикальна жорсткість для скріплень на жорстких полімерних підрейкових прокладках (КПП-1, СБ-3) після проведення випробувань (N=2·106 циклів) суттєво збільшилась (в 1,3-1,7 рази), що перевищує рекомендований міжнародний технічний норматив. На величину виникаючих поперечних сил впливають такі найважливіші параметри, як: конструктивні характеристики ходових частин рухомого екіпажу (довжина жорсткої бази візка, наявність зчленованих візків, навантаження на вісь, величини демпфіруючих моментів, жорсткість звязку кузова та візка); конструктивні характеристики колії (конструкція ВБК, радіус кривої, підвищення зовнішньої рейки); експлуатаційні характеристики (, ); коефіцієнт тертя . Безпідкладкова конструкція колії із пружним рейковим скріпленням КПП-5 має на 8 % меншу поперечну стійкість рейко-шпальної решітки; але при найгіршій силовій взаємодії колії та рухомого екіпажу, що має місце при русі поїзда в кривій ділянці R=300 м, поперечна стійкість для скріплення КПП-5 забезпечується на 120 %;Вимоги, що висуваються до конструкції проміжного рейкового скріплення і вибір раціональної конструкції скріплення / В.М. Твердомед // Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління : тези 1-ої междунар. наук-прак. конф., 4-6 груд. Дослідження поздовжньої стійкості рейко-шпальної решітки при різних конструкціях проміжного рейкового скріплення / Е.І. Твердомед // Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління : тези 2-ої междунар. наук-прак. конф., 29 лист. Жученко // Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління : тези 2-ої междунар. наук-прак. конф., 29 лист.

1. Загальна характеристика роботи

1. В дисертації представлено нове вирішення наукової проблеми впливу горизонтальних поздовжніх та поперечних сил на роботу підкладкової та безпідкладкової конструкції рейкової колії для сучасних умов експлуатації залізниць України. Вирішення даної проблеми виконано за допомогою комплексних теоретичних, експериментальних та експлуатаційних досліджень. Доведено, що стійкість в горизонтальній поздовжній та поперечній площині безпідкладкової конструкції колії з пружними вітчизняними рейковими скріпленнями забезпечується при довготривалій експлуатації.

2. За допомогою експериментальних досліджень визначені показники технічних характеристик сучасних вітчизняних конструкцій рейкових скріплень та закордонних їх аналогів, які характеризують їх роботу в початковий період їх експлуатації та після випробувань на витривалість. Порівняння цих показників показало, що: 2.1. Вертикальна жорсткість для скріплень на жорстких полімерних підрейкових прокладках (КПП-1, СБ-3) після проведення випробувань (N=2·106 циклів) суттєво збільшилась (в 1,3-1,7 рази), що перевищує рекомендований міжнародний технічний норматив. Це свідчить про доцільність застосування поліуретанових чи гумових підрейкових прокладок, які в процесі експлуатації не мають тенденцію остаточного зминання та майже не втрачають свої пружні властивості. Скріплення КПП-1 з плоскою поліетиленовою підрейковою прокладкою мають занадто велику вертикальну жорсткість 276 КН/мм, яка після циклічних випробувань збільшилася до 395 КН/мм.

2.2. Скріплення типу КБ не є пружними (незважаючи на пружні шайби), ці скріплення не відповідають сучасним вимогам. У скріпленні типу КБ найбільш недосконалим є вузол закладного болта і його ізолюючого вкладиша, які руйнувалися при циклічних випробуваннях, не витримуючи стандартної прийнятої межі тривалої витривалості N=2·106 циклів.

3. Вперше на Українських залізницях виконано теоретичні розрахунки та розроблена методика з визначення горизонтальних поперечних сил взаємодії між колесами рухомого екіпажу та конструкцією колії на залізобетонних шпалах з урахуванням поздовжніх стискаючих сил в поїзді, схем вписування та конструктивних особливостей автозчепних приладів. При розрахунках встановлено, що: 3.1. На величину виникаючих поперечних сил впливають такі найважливіші параметри, як: конструктивні характеристики ходових частин рухомого екіпажу (довжина жорсткої бази візка, наявність зчленованих візків, навантаження на вісь, величини демпфіруючих моментів, жорсткість звязку кузова та візка); конструктивні характеристики колії (конструкція ВБК, радіус кривої, підвищення зовнішньої рейки); експлуатаційні характеристики ( , ); коефіцієнт тертя .

3.2. Поперечні горизонтальні сили мають обернену залежність від радіуса кривої: - найбільші поперечні направляючі сили виникали в кривій ділянці колії радіусом 300 м від локомотива ВЛ80 ( , при збільшенні радіуса до 1000 м сила зменшується на 14 % ( =90 КН);

- найменші поперечні сили взаємодії виникали від дії пасажирського вагону на візках моделі 68-7012 (при 300 м , при 1000 м сила зменшується на 30 % і складає ).

4. В результаті досліджень розроблені графіки-паспорти для визначення поперечних горизонтальних сил для сучасних моделей рухомого складу та внесені уточнення в розрахунки цих сил для рухомого складу, що тривалий час експлуатується. Використання методики розробленої в дисертації дозволяє на інженерному рівні визначати поперечні горизонтальні сили (направляючі, бокові, рамні), що діють на колію від рухомого складу.

5. Результати порівняльних розрахунків поперечної стійкості безпідкладкової та підкладкової конструкції колії з врахуванням додаткових поперечних горизонтальних сил, виникаючих при гальмуванні поїзда, показали, що: - найкращі показники поперечної стійкості рейко-шпальної решітки має підкладкова конструкція колії із залізобетонними шпалами та типовим скріпленням КБ. Безпідкладкова конструкція колії із пружним рейковим скріпленням КПП-5 має на 8 % меншу поперечну стійкість рейко-шпальної решітки; але при найгіршій силовій взаємодії колії та рухомого екіпажу, що має місце при русі поїзда в кривій ділянці R=300 м, поперечна стійкість для скріплення КПП-5 забезпечується на 120 %;

- поперечна стійкість рейкових ниток підкладкової конструкції з типовим скріпленням КБ на 12 % більша порівняно з безпідкладковою конструкцією рейкової колії з пружним рейковим скріпленням КПП-5; але, при цьому, для скріплення КПП-5 поперечна стійкість забезпечується на 108% в найгірших умовах при R=300 м.

6. Проведені порівняльні розрахунки поздовжньої стійкості підкладкової та безпідкладкової конструкції колії показали, що: - поздовжня стійкість рейкової колії при безпідкладковій конструкції з пружним скріпленням КПП-5 має більшу 5% забезпеченість порівняно з підкладковою конструкцією колії та типовим скріпленням КБ;

- поздовжня стійкість рейкової колії може бути втрачена при підкладковій конструкції колії з типовим рейковим скріплення КБ при недостатній щільності затискання клемних болтів та при безпідкладковій конструкції колії з рейковим скріпленням КПП-1. Скріплення КПП-5 забезпечують достатній опір поздовжнім переміщенням з забезпеченням поздовжньої стійкості не менше ніж на 117-140 %;

- найгірші несприятливі умови для забезпечення поздовжньої стійкості рейкових ниток створюються в екстремальних умовах на ділянках гальмування поїздів при сумісній дії сили від вигину рейок під вертикальним навантаженням, температурних сил та сили від рекуперативного гальмування.

7. На основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень стійкості і надійності роботи підкладкових та безпідкладкових конструкцій рейкової колії із сучасними вітчизняними пружними скріпленнями, запропоновані наступні рекомендації щодо їх сфер застосування: - враховуючи наявність підкладки та гарні показники поперечної стійкості колії в кривих ділянках, підкладкову конструкцію рейкової колії з типовими жорсткими скріпленнями типу КБ слід застосовувати на ділянках з вантажонапруженістю від Г=40 млн. т км/км на рік до Г=80 млн. т км/км на рік та в крутих кривих;

- безпідкладкову конструкцію рейкової колії з вітчизняним пружним скріплення типу КПП-5 слід застосовувати на ділянках в межах вантажонапруженості від Г=20-45 млн. т км/км на рік, в тому числі на лініях з прискореним рухом пасажирських поїздів V=121-140 км/год.;

- надійну роботу безпідкладкової конструкції колії із скріпленням типу КПП-1 можна рекомендувати на ділянках з обмеженим діапазоном експлуатаційних умов: вантажонапруженістю не більше Г= 25 млн т км/км на рік, маса вантажних поїздів не більше 2000 т.

1. Твердомед В.М. Проміжні рейкові скріплення / В.М. Твердомед // Збірник наукових праць Київського університету економіки і технологій транспорту. - Вип. 1-2. -Київ: КУЕТТ. - 2003. - С. 36-41.

2. Даніленко Е.І. Дослідження проміжних рейкових скріплень для залізобетонних шпал на витривалість при впливі циклічного навантаження / Е.І. Даніленко, В.М. Твердомед, О.М. Жученко // Збірник наукових праць Київського університету економіки і технологій транспорту. - Вип. 7. -Київ: КУЕТТ. - 2005. - С. 28-37.

3. Даніленко Е.І. Теоретичні дослідження поздовжньої стійкості рейкових ниток при сучасних рейкових скріпленнях на залізобетонних шпалах / Е.І. Даніленко, В.М. Твердомед, М.Д. Костюк // Збірник наукових праць Державного економіко-технологічного університету транспорту. - Вип. 12. - Київ: ДЕТУТ. - 2007. - С. 39-47.

4. Твердомед В.М. Стабільність ширини рейкової колії при різних конструкціях проміжних рейкових скріплень / В.М. Твердомед // Збірник наукових праць Державного економіко-технологічного університету транспорту. - Вип. 15. - Київ: ДЕТУТ. - 2009. - С. 105-108.