Автоматизация инженерных расчетов в путевом хозяйстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Надежность пути. Основные положения расчета пути на прочность, устойчивость и расчета затрат труда
• 1.1 Общие положения
• 1.2 Методика расчета пути на прочность. Исходные и основные положения
• 1.3 Обоснование разработки новой автоматизированной программы «Расчет пути на прочность от воздействия локомотивов»
• 1.3.1 Описание существующей программы
• 1.3.2 Обоснование замены старой существующей программы новой
• 1.4 Основные теоретические сведения о расчете пути на прочность и устойчивость
• 1.5 Составление ведомости затрат труда по техническим нормам. Определение поправочных коэффициентов
• 2. Постановка задачи на создание новой автоматизированной программы «Расчет пути на прочность и устойчивость»
• 2.1 Постановка задачи
• 2.2 Анализ и разработка алгоритма решения задачи
• 2.3 Расчет пути на устойчивость
• 2.4 Задачи при создании программы «затрат труда по техническим нормам»
• 3. Описание процесса разработки новой автоматизированной программы «Расчет пути на прочность и устойчивость» и «Расчет затрат труда по техническим нормам»
• 3.1 Структурирование входных данных, разработка БД для программы «расчет пути на прочность и устойчивость»
• 3.2 Разработка программного обеспечения по расчету пути на прочность и устойчивость
• 3.3 Разработка программного обеспечения по расчету затрат труда по техническим нормам
• 4. Апробация автоматизированных программ
• 4.1 Формирование тестового задания по расчёту пути на прочность
• 4.2 Ручной расчет по тестовому заданию
• 4.3 Расчет тестового задания старой и новой версиями программы по расчету железнодорожного пути на прочность
• 4.4 Оценка результатов расчета тестового задания
• 4.5 Апробация расчета на устойчивость
• 4.5.1 Ручной расчёт
• 4.5.2 Результат программного расчёта
• 4.5.3 Оценка результатов расчета тестового задания
• 4.6 Апробация расчета затрат труда
• 4.6.1 Ручной расчёт
• 4.6.2 Программный расчёт
• 4.6.3 Оценка результатов расчетов
• 5. Охрана труда. Анализ и оценка рисков воздействующих на работников
• 5.1 Анализ и оценка рисков воздействующих на работников
• 6. Основные положения расчёта стоимости ПО
• 6.1 Исходные данные
• 6.2 Определение объема программного обеспечения
• 6.3 Расчет трудоемкости программного обеспечения
• 6.4 Расчет заработной платы разработчиков ПО
• 6.6 Расчет отчислений, налогов и затрат
• 6.6 Расчет себестоимости, отпускной цены и прибыли
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложение

Введение

Путевые хозяйства Республики Беларусь и стран ближнего зарубежья ставят перед собой задачу эффективного управления прочностью и надёжностью железнодорожного пути. Данная проблема является актуальной ввиду ежегодного использования железными дорогами огромного количества дорогих материалов, в том числе высококачественной стали для рельсов и колёс.

Из-за жёсткой насадки колёс на оси (невозможности автономного проворачивания) в зонах их контактов с рельсами в кривых участках пути неизбежно происходит продольное скольжение контактирующих поверхностей колёс и рельсов при контактных напряжениях, превышающих предел текучести рельсового металла. Поэтому проблема повышения (управления) прочности и надёжности пути актуальна на дорогах Беларуси и за рубежом.

Современный уровень развития физики, благодаря широкому использованию аппарата математики и механики, а также результатов сложных опытов, позволяет вплотную подойти к непосредственному изучению атомарного механизма деформирования и разрушения элементов пути. Оценка прочности пути в инженерном понимании сводится к расчету факторов-производных от динамических эффектов и статического взаимодействия подвижного состава и пути, которые собственно и ограничивают несущую способность конструкции.

В настоящее время не существует строгой научной интерпретации способов управления прочностью и надёжностью пути. Решается данная проблема посредством применения аппаратов таких наук как строительная механика, теория упругости, механики грунтов, механики разрушения и динамики разрушения деформируемого тела. С помощью аппаратов данных наук можно произвести необходимые расчёты, которые в дальнейшем подвергаются программированию. В полученные программы закладывается нормативная база допускаемых величин тех или иных параметров. С помощью таких программных пакетов можно максимально приближенно спрогнозировать поведение участка железнодорожного пути с заданными верхним и нижним строением, под воздействием локомотива того или иного типа. На данное время, используемый программный пакет на кафедре «Строительство и эксплуатация дорог» (СиД) не удовлетворяет современным требованиям, не позволяет расширять базы данных, редактировать данные по строению пути, нет возможности формировать отчетность и рассчитывать все требуемы параметры.

Комплексный проект направлен на создание программ для кафедры СиД, которые автоматизируют необходимые для них расчеты и составление отчетов, которые производились вручную, и включает в себя:

· Автоматизированное приложение «Расчет пути на прочность и устойчивость»

· Автоматизированное приложение «Расчет затрат труда по техническим нормам»

· Автоматизированное приложение «Составление ПУ-74»

· Автоматизированное приложение «Проектирование стрелочного перевода»

· Автоматизированное приложение «Составление графика строительства новой железной дороги»

В данном дипломном проекте реализованы две из них:

· Автоматизированное приложение «Расчет пути на прочность и устойчивость»

· Автоматизированное приложение «Расчет затрат труда по техническим нормам»

1. Надежность пути. Основные положения расчета пути на прочность, устойчивость и расчета затрат труда

1.1 Общие положения

Надежность пути - это его свойство сохранять (в установленных пределах) значения параметров, характеризующих способность пути выполнять требуемые функции (бесперебойный и безопасный пропуск поездов с установленной скоростью) в заданных условиях эксплуатации и технического обслуживания (текущего содержания и ремонтов) [17]. Все существующие конструкции пути эксплуатируются в условиях накопления местных пластических деформаций и других повреждений практически во всех элементах: в верхней части головки рельсов, в прокладках между рельсами и шпалами, в шпалах под подкладками и в зонах их контактов со щебенками, в балластном слое и в верхней части земляного полотна.

Кроме того, в процессе эксплуатации истираются (изнашиваются) контактные зоны элементов пути; ослабляются соединения рельсов со шпалами; снижается несущая способность шпал вследствие старения; образуются "выплески" и ослабление балластного слоя из-за его засорения; накапливаются расстройства пути в плане, профиле и по ширине колеи, а в рельсах (особенно в верхней части их головки и в шейке в зонах накладок) накапливаются и развиваются усталостные трещины. Скорость развития всех указанных процессов нелинейно возрастает с увеличением наработки тоннажа после капитального ремонта пути (обновления верхнего строения).

Основные положения по надежности в технике регламентированы в межотраслевом масштабе и изданных в последние годы стандартах, а также методике расчета надежности пути с учетом постепенных отказов [18].

Отказ (повреждение) железнодорожного пути в каком-либо одном месте не означает отказа пути в целом. В некотором смысле аналогом железнодорожного пути как объекта прочности являются автомобильные дороги. Но имеются принципиальные особенности железнодорожного пути по сравнению с автомобильной дорогой.

Во-первых, железнодорожные колеса насажены жестко на оси и не могут вращаться автономно при движении по кривым, как автомобильные. Поэтому при движении по кривым участкам пути железнодорожные колеса осуществляют не только вертикальное воздействие на рельсы, но и горизонтальное, обусловленное неизбежным продольным скольжением, из-за различия длин наружной и внутренней рельсовых нитей с одной стороны и развернутых кругов катания колес, следующих по наружной и внутренней нити, с другой.

Во-вторых, динамические добавки к весу движущегося экипажа, обусловленные неровностями на дороге, на автомобильном транспорте амортизируются пневматическими шинами в зоне контакта колес с дорогой. Железнодорожные колеса имеют жесткий контакт с головкой рельса при чрезвычайно больших динамических нагрузках в зоне контакта (более 20 тс) и малой площади контакта (менее 2 см). Поэтому в зонах контакта колес и рельсов возникают пластические деформации металла (наклеп). В элементах подрельсового основания (балласте и земляном полотне) из-за вибрационного динамического воздействия, обусловленного неровностями на колесах и рельсах, накапливаются остаточные деформации.

В-третьих, на автомобильном транспорте повышают прочность дороги путем увеличения ее жесткости применением бетонных покрытий, а амортизацию (снижение) динамических воздействий колес из-за неровностей дороги осуществляют за счет экипажей (пневматические колеса и рессорное подвешивание кузова). На железных дорогах такой возможности амортизации нет. Поэтому снижение динамических добавок сил осуществляют в основном своевременной обточкой колес с неровностями и шлифовкой рельсов. Одним из мероприятий по снижению динамических добавок может быть шлифовка рельсов после пропуска 10-15 млн. т брутто груза, и обтачивание колес экипажа после превышения проката (износа по среднему кругу катания) 2,5 мм. На железной дороге Беларуси норматив допускаемого износа колес грузовых вагонов не более 9 мм.

В-четвертых, на железных дорогах в последнее десятилетие существенно возросли горизонтальные боковые воздействия гребней колес на головку рельса, особенно в кривых участках, что приводит в ряде случаев к распору колеи из-за наклона рельса с провалом противоположного колеса. Это случается на участках пути с костыльным скреплением при жестком торможении длинносоставных и тяжеловесных поездов.

Как видно все вышеперечисленные факторы негативно воздействуют на железнодорожный путь снижая прочностные характеристики. Поэтому необходимо подойти к рассмотрению всех данных факторов с точки зрения положений научных дисциплин, занимающихся оценкой прочности железнодорожного пути.

Сопротивление железнодорожного пути деформированию и разрушению определяется сложными процессами, характер протекания которых зависит от природы и физического состояния элементов пути, вида и режима механического нагружения, температурных условий, среда и многих других факторов.

Современный уровень развития физики, благодаря широкому использованию аппарата математики и механики, а также результатов сложных опытов, позволяет вплотную подойти к непосредственному изучению атомарного механизма деформирования и разрушения элементов пути [5]. Оценка прочности пути в инженерном понимании сводится к расчету факторов, лимитирующих несущую способность конструкции. Такими факторами являются: значительное (недопустимое) формоизменение, разрушение элементов пути при еще допустимых деформациях от превышения допускаемого значения нагрузки, постепенное разрушение вследствие износа или вредного воздействия среды, а также в результате ползучести или усталости материала элементов пути, превышение максимальных допустимых упругих деформаций или перемещений пути и его элементов, потери устойчивости и т.п. в дальнейшем под определением «прочности пути» понимается установление предельных (допускаемых) напряженных или деформированных состояний, при которых наступает недопустимая деформация или течение (разрушение) материала несущих элементов пути. Современная механика разрушения не приемлет для расчетов пути теории прочности, основанные на механике сплошной среды. Согласно [3, 1] оценка несущей способности реальной конструкции (в том числе и железнодорожного пути) расчетным способом при разовом воздействии максимальной статической нагрузки пока оказывается возможной лишь при использовании той или иной, так называемой, классической (феноменологической) теории прочности, основанной на методах механики сплошной среды. При этом принимается [1, 3, 5], что материал элементов конструкции является сплошным, изотропным и бездефектным. Согласно [3] для определения условия локального разрушения (пластической микродеформации, микротрещины) пользуются феноменологическими теориями прочности, в которых отсутствуют параметры, характеризующие структурные несовершенства материала (размеры трещины, величина зерен или пор и т п.).

1.2 Методика расчета пути на прочность. Исходные и основные положения

Процедуре расчета пути на прочность предшествует процесс выбора методики основанной на положениях научных дисциплин, применяемых при оценке прочности пути, и взятой за основу расчета. Методика в данном ее рассмотрении будет складываться из способов, расчета отдельных элементов верхнего строения пути. Каждый способ пройдет через мониторинг, в ходе которого будет сформировано суждение об объектах пути, которые охватывает тот или иной способ, как об объектах прочности на основании анализа небольшого количества характеризующих элементы пути в прочностном отношении признаков. Использование небольшого количества признаков, характеризующих элементы пути, вызвано рядом допущений принимаемых при расчете, упрощающих его и не влияющих на конечный результат расчета.

Методика имеет следующие предпосылки и допущения:

1. Рельс считается балкой бесконечно большой длины неизменного сечения, лежащей на сплошном однородном упругом (равноупругом) основании.

2. Вертикальные силы считаются приложенными в плоскости симметрии рельса, т. е. не учитывается подуклонка рельсов.

З. Реакции основания считаются двусторонними, линейно зависящими от просадки основания (): предполагается, что подрельcовое основание сопротивляется не только давлению на него рельса, но и отрыву рельса от основания.

4. Предполагается, что при движении колеса не отрываются от рельса (движение без удара). По ПТЭ допускается до 0,7 - 2,0 мм (ползун).

5. Характеристики пути (, , и др.) считаются детерминированными (неслучайными, постоянными) величинами.

6. Рельс рассчитывается только на нормальные напряжения изгиба (не учитываются местные, в том числе контактные напряжения).

7. Расчет ведется по допускаемым напряжениям. За допускаемое напряжение принимается гарантированный предел текучести рельсовой стали (условный предел текучести).

По данным испытаний на растяжение стандартных образцов диаметром 10 мм из рельсовой стали определяются средние напряжения при остаточном удлинении образцов 0,2 %, а также их среднеквадратическое отклонение . Допускаемое напряжение определяется как минимальное вероятное значение случайной величины с уровнем вероятности Ф = 0,999. Для незакаленных рельсов стандартного производства

 МПа

где = 3,0 при Ф = 0,999 - нормирующий множитель, приводящий силу Р к уровню вероятности Ф, ее непревышения.

Объемнозакаленные рельсы имеют предел прочности на 38 % выше, чем стандартные незакаленные рельсы, а предел выносливости - на 15 %. В первом приближении можно принимать для обьемнозакаленных рельсов =400 МПа.

8. Продольные температурные силы непосредственно расчетной схемой не учитываются. Однако же учет их производится в практическом методе расчета пути на прочность следующим оборазом. Расчетные допускаемые напряжения от поездной нагрузки определяются из выражения:

(1.1)

где - коэффициент неучтенных непосредственнов расчете факторов (подуклонка рельсов, нетемпературные климатические факторы и др.), = 1,3;

- температурные напряжения, действующие в рельсах.

Таким образом из зависимости 2.1 вытекает:

(1.2)

Для бесстыковых плетей согласно [4] , где - разница между расчетной и нейтральной (температура закрепления рельса при укладке) температурами рельсовых плетей.

Рассмотренный материал показывает, что величина допускаемых напряжений тесно связана с методом расчета.

9. Влияние поперечных сил и эксцентриситета приложения вертикальных сил учитывается специальным коэффициентом .С учетом этого осевое напряжение в подошве рельса:

(1.3)

где М - изгибающий момент; - момент сопротивления относительно наиболее удаленного волокна подошвы.

Кромочные напряжения в подошве рельса и в его головке определяются по следующим формулам:

(1.4)

где - коэффициент перехода т осевых напряжений в подошве к кромочным в головке рельса.

Величины и зависят от радиуса кривой, типа верхнего строения пути, типа экипажа и положения оси в экипаже (направляющая или другая).

10. Вертикальные силы от расчетного колеса принимаются как максимально вероятные , определяемые с уровнем вероятности их непревышения = 0,994 и = 2,5 [4]. Одновременно давления от соседних колес тележки (или другой группы рассматриваемых колес) не могут быть максимальными. Ввиду относительно небольшого влияния соседних колес принимается допущение, что давления от них имеют средние значения.

Если рассмотреть совместно допущения №7 и №10, то условие прочности рельсов под поездной нагрузкой можно представить себе как сопоставление двух величин: суммарного нормального напряжения от изгиба рельса под действием колеса и изменения температуры и допускаемого напряжения. При этом первая величина определяется как максимальная вероятная с уровнем вероятности ее пепревышеши Ф=0.994 (=2,5), а вторая - как минимальная вероятная с уровнем вероятности непоявления меньших значений = 0,999 ( = 3,0).

11. Влияние климатических факторов учитывается лишь при температурных воздействиях на рельсы и изменениях жесткости пути () при промерзании шпал, балласта и земляного полотна.

12. Собственные напряжения в расчетах не учитываются [4].

13. Колеблющаяся масса колеса и пути в расчетах учитывается через коэффициент

(1.5)

где - колеблющаяся масса колеса;

- колеблющаяся масса пути, которая выражается в долях .

Для пути с деревянными шпалами = 0,433; = 1,31. Для пути с железобетонными шпалами = 0,401; = 1,48.

14. Неупругие сопротивления не учитываются.

15. За расчетное сечение пути принимается сечение в зоне влияния изолированной неровности на пути, которое экипаж проходит со сжатыми рессорами.

16. Максимальная сила инерции при проходе колесом изолированной неровности на пути имеет место уже после выхода колеса из неровности .

17. Подавляющая часть неровностей на колесах принимается в виде непрерывных, доля которых () = 0,95. Считается, что остальная часть колес ( %) имеет изолированные неровности. Дисбаланс колес не учитывается.

Несмотря на большое количество допущений и предпосылок расчет должен будет дать достаточно удовлетворительные результаты, хорошо совпадающие с экспериментальными данными. Это объясняется тем, что численные параметры, составляющие основу расчета взяты непосредственно из экспериментов такими, чтобы расчетные и экспериментальные значения сил, прогибов и напряжений совпадали [4]. Влияние допущений и неучтенных факторов учитывается в расчетах введением коэффициента запаса = 1,3.

Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его прочности содержит способы практического расчета нагрузок и напряжений в элементах верхнего строения пути от воздействия на него подвижного состава. Результаты этих расчетов применяются для: установления условий обращения нового или модернизированного подвижного состава самостоятельно или в комплексе с результатами испытаний и других исследований; проведения технико-экономических расчетов по выбору параметров основных элементов верхнего строения пути для заданных условий эксплуатации; расчетов по установлению рациональных скоростей движения подвижного состава в различных условиях эксплуатации. Методика дает результаты расчетов, совпадающие с экспериментальными данными, полученными при скоростях движения до 140 км/ч. Для скоростей движения пассажирских поездов свыше 140 км/ч в расчетах следует применять результаты испытаний конкретных типов подвижного состава (в частности, это относится к динамической нагрузке от колебаний надрессорного строения экипажа). Оценочные критерии прочности (допускаемые напряжения) в данной Методике определены из условия обеспечения надежности пути. Конструкции верхнего строения пути и экипажной части подвижного состава должны находиться в исправном состоянии, соответствующем требованиям "Правил технической эксплуатации Белорусской железной дороги и действующим техническим нормам. Все многообразие сил, действующих на путь, сводится к следующим основным расчетным схемам их приложения: вертикальные силы; горизонтальные поперечные (боковые) силы. Принимается условие, что силы, действующие на путь, независимы друг от друга. Горизонтальные поперечные (боковые) силы, а также крутящие моменты из-за эксцентриситета приложения вертикальных сил, в расчетах учитываются коэффициентом f, определенным по результатам испытаний. Расчетные формулы для определения нагрузок на путь и напряжений в элементах верхнего строения пути основаны на рассмотрении изгиба рельсов в вертикальной плоскости как балки бесконечно большой длины, лежащей на сплошном упругом основании. При этом предполагается, что напряжения, возникающие под воздействием статической (неподвижной) нагрузки, по величине аналогичны напряжениям от динамической (подвижной) нагрузки той же величины.

Динамическая максимальная нагрузка от колеса на рельс, кгс, определяется по формуле

(1.6)

где - среднее значение вертикальной нагрузки колеса на рельс, кгс;

- среднеквадратическое отклонение динамической вертикальной нагрузки колеса на рельс, кгс;

- нормирующий множитель, определяющий вероятность события, т.е. появления максимальной динамической вертикальной нагрузки.

Результаты многочисленных испытаний различных типов подвижного состава показывают, что распределение среднего квадратического отклонения динамической вертикальной нагрузки колеса на рельс подчиняется закону Гаусса.[Лысюк Сазонов Башкатова] Многолетний опыт расчетов верхнего строения пути на прочность подтверждает правильность "Правил" вероятности события (возникновения ) поэтому в Методике сохраняется эта вероятность, равная 0,994, т.е. из 1000 случаев прохода колеса в расчетном сечении только в шести случаях возможно превышение , при этом значение равно 2,5. Среднее значение вертикальной нагрузки колеса на рельс, кгс, определяется по формуле

(1.7)

где - статическая нагрузка колеса на рельс, кгс;

- среднее значение динамической нагрузки колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения экипажа, кгс.

(1.8)

где - динамическая максимальная нагрузка колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения, кгс.

Динамическая максимальная нагрузка колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения может быть определена одним из следующих способов.

1. При известных экспериментальных значениях k - коэффициента динамических добавок от вертикальных колебаний надрессорного строения (называемого также коэффициентом вертикальной динамики экипажа) - , кгс, определяется по формуле

(1.9)

где q - отнесенный к колесу вес необрессоренных частей, кгс.

Этот способ позволяет учитывать различное конкретное состояние пути и ходовых частей подвижного состава через применение соответствующих экспериментальных значений .

Значение для различных типов локомотивов по результатам испытаний по установлению допускаемых скоростей движения (для пути и локомотивов в исправном состоянии) приведены в таблицах 4 и 5 в [10]. 2. При отсутствии экспериментальных данных значение определяется по формуле

(1.10)

где - скорость движения, км/ч;

- статический прогиб рессорного подвешивания, мм; при двухступенчатом рессорном подвешивании за величину принимается сумма статических прогибов обеих ступеней.

2. Динамическая нагрузка колеса на рельс , кгс, может быть рассчитана с использованием эмпирических зависимостей динамических прогибов рессорного подвешивания от скоростей движения определяется по формуле

(1.11)

где - приведенная к колесу жесткость рессорного подвешивания, кг/мм;

- динамический прогиб рессорного подвешивания, мм. Значения шах для различных типов подвижного состава приведены в таблице 6 в [10].

Среднеквадратическое отклонение динамической вертикальной нагрузки колеса на рельс S, кгс, определяется по формуле композиции законов распределения его составляющих:

(1.12)

где - среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения, кгс;

- среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс при прохождении колесом изолированной неровности пути, кгс;

- среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс, возникающих из-за непрерывных неровностей на поверхности катания колес, кгс;

- среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренной массы, возникающих из-за наличия на поверхности катания колес плавных изолированных неровностей, кгс;

- количество колес рассчитываемого типа, имеющих изолированные плавные неровности на поверхности катания, отнесенное к общему числу таких колес, %, эксплуатируемых на участке;

- количество колес, %, имеющих непрерывную плавную неровность на поверхности катания.

Обычно при отсутствии конкретной информации принимается средний процент осей, имеющих изолированную плавную неровность, равный 5%, соответственно - непрерывную плавную неровность 95%.

1.3 Обоснование разработки новой автоматизированной программы «Расчет пути на прочность от воздействия локомотивов»

1.3.1 Описание существующей программы

Существующая программа представляет собой систему программных окон, открывающихся последовательно по мере прохождения процедуры расчета. Переход между такими окнами в программе выполнен избирательно, т. е. не всегда существует возможность перехода в окно, располагающееся на иерархию выше. При запуске программы появляется главное окно программы, в котором прописано два пункта, позволяющие либо перейти к процедуре расчета пути на прочность, либо получить небольшую справку по использованию данной программы.

При переходе к окну «запуск программы расчета» начинается работа непосредственно с самим расчетом. Выбор данных предлагаемых программой осуществляется с помощью падающего меню, рисунок 1.1. В падающих меню выбираются характеристики рассматриваемой, подвергаемой расчету системы «колесо-рельс».

Рисунок 1.1 - Программное окно производства расчета в момент выбора исходных данных из предлагаемого

Данные вводимые с клавиатуры вводятся в окно программы в предназначенные для этих целей поля, рисунок 1.2



Рисунок 1.2 - Программное окно производства расчета в момент ввода исходных данных имеющих диапазон значений

После каждого ввода основных исходных данных программа выводит окна с промежуточными данными, рисунок 1.3. На данном этапе работы с программой прослеживается невозможность перехода на иерархию выше т. е. невозможно поменять основные исходные данные, а так же не возможно воспользоваться справкой в ходе работы с программой.

Рисунок 1.3 - Программное окно выводящее промежуточные исходные данные

По окончанию ввода исходных данных, выводится программное окно с результатами расчета, рисунок 1.4, которое не имеет полос прокрутки и листается с помощью операции «Выделение».



Рисунок 1.4 - Программное окно выводящее окончательные данные расчета

После нажатия клавиши «Esc» появляется окно завершения работы, рисунок 1.9, пройдя через которое можно завершить работу в программе, начать расчет заново, либо распечатать результат расчета. Пункт печати при нажатии левой кнопкой мыши на него не производит никаких действий подразумевающих печать. Другой способ печати описан в краткой справке.

1.3.2 Обоснование замены старой существующей программы новой

На сегодняшний день нет единой научной методики, позволяющей осуществить точный расчёт пути на прочность, но существует множество методик, позволяющих максимально спрогнозировать показатели прочности и устойчивости железнодорожного пути. Большинство методик входит в цикл проектирования новых железнодорожных линий и подъездных путей к предприятиям промышленности при имеющихся локомотивах и в прогнозирование возможности пропуска подвижного состава по существующему пути. В целях удобства выполнения сложных расчетов, заложенных в методиках, их программируют, одновременно закладывая базу нормативных значений рассчитываемых параметров прочности.

Таким образом, данные программы являются автоматизированным звеном цикла проектирования железнодорожных линий и прогнозирования возможности пропуска подвижного состава. Полученный вывод при прохождении данного звена существенно влияет на безопасность взаимодействия прогнозируемого подвижного состава и системы конструкций верхнего строения пути. Следовательно, данное звено должно работать четко, без сбоев и несовместимостей с существующим программным обеспечением и без ошибок. Оно должно находить свое применение в современных условиях, то есть в базу данных должны быть заложены характеристики современных локомотивов и современных конструкций верхнего строения пути. Так же расчет параметров, характеризующих прочность, должен быть произведен в единицах измерения, соответствующих нормативно-технической документации (СНБ, ТКП и др.).

Одной из таких программ, обеспечивающих выполнение расчета пути на прочность, является программа, которая используется не менее 15 лет в учебных и производственных целях. С момента создания программы и по сегодняшний день происходили изменения, носящие характер усовершенствования конструкций верхнего строения пути и создания нового усовершенствованного подвижного состава, а так совершенствовалось программное обеспечение компьютеризированной техники.

Существующая программа, судя по ее виду файла запуска, должна является портабельной, то есть не требовать установки на жёсткий диск, а значит, ее работа должна осуществляться при определении программы с любого электронного носителя. Однако при попытке работы с программой с электронного носителя программа отказывается работать.

В базу данных программы заложены характеристики локомотивов, сконструированных начиная с 1960-х гг. На сегодняшний день парк локомотивов укомплектован данными единицами подвижного состава, но также на участках где есть возможность развивать более высокие скорости, используется подвижной состав более поздних годов выпуска. Существующая программа позволяет делать расчёт только с использованием старых локомотивов, и не дает возможности записи характеристик для новых усовершенствованных локомотивов.

На сегодняшний день практически весь главный ход железнодорожного пути лежит на железобетонных шпалах с подкладочными жесткими болтовыми скреплением КБ, БП и К1; с бесподкладочными анкерными скреплениями АРС м ПАНДРОЛ - 350; с упругим прутковым скреплением ЖБР-65; пружинным скреплением СБ и упругим пластинчатым болтовым скреплением ЖБ. Программа предлагает при железобетонных шпалах только два типа раздельных скреплений КБ и К2, рисунок 1.16. К тому же не учтены виды подкладок, которые в данной программе делятся только на типовые и повышенной упругости, что очень не практично, так как в настоящее время существуют прокладки с различными значениями модулей упругости в зависимости от назначения поверхности (на шпале или под рельсом).

Любая автоматизированная система, используемая в учебных и производственных целях должна выдавать конечный результат в единицах измерения, соответствующих нормативно-технической документации. Такой единицей измерения напряжений в элементах верхнего строения пути и в земляном полотне является МПа (Мега Паскаль). Существующая программа не может выдавать результаты расчёта в таких единицах измерения, поскольку при её создании такой единицей измерения являлась кгс (килограмм сила), и программа имела направление на расчёт в данных единицах измерения всех параметров, характеризующих прочность пути. Встроенной системы перевода из одних единиц измерения в другие при создании программы предусмотрено не было.

1.4 Основные теоретические сведения о расчете пути на прочность и устойчивость

Конструкция верхнего строения пути по прочности, устойчивости и состоянию должна обеспечить безопасное и плавное движение поездов с наибольшими скоростями, установленными для данного участка. Это требование ПТЭ необходимо выполнять в условиях непрерывного действия различных динамических нагрузок и природных воздействий, а также с учетом накопления остаточных деформаций всех элементов пути.

В основе требований, предъявляемых к конструкции верхнего строения пути, лежат условия обеспечения его прочности, устойчивости и экономичности. Расчетами на прочность определяется минимально необходимый тип верхнего строения пути в заданных условиях эксплуатации, а целесообразный тип верхнего строения пути определяется технико-экономическими расчетами. Далее приведены расчеты пути на прочность и устойчивость.

Методика расчетов верхнего строения пути на прочность и устойчивость позволяет решать ряд задач:

· определение напряжений и деформаций в элементах верхнего строения пути в заданных условиях эксплуатации;

· оценка возможности повышения осевых нагрузок и скоростей движения при заданной конструкции пути;

· определение возможности работоспособности конструкции пути до очередного капитального ремонта;

· анализ причин потери прочности и устойчивости пути;

· проектирование новых конструкций.

Вертикальные силы, передаваемые колесами экипажа рельсам при стоянке, называются статической нагрузкой.

Динамические силы, действующие на путь, представляют собой алгебраическую сумму сил, каждая из которых вызвана определенным видом колебаний экипажа, силами веса, центробежными силами и т.п.

Для упрощения расчетов вертикальных динамических сил учитывают только основные, наибольшие силы и пренебрегают остальными.

К основным силам относят:

· весовую часть экипажа (кН/ось, кН/колесо);

· силы, передаваемые рессорным подвешиванием колесам при колебании обрессоренных масс;

· силы инерции необрессоренных масс, вызванные их колебаниями на упругом пути из-за наличия неровностей пути и колес;

· вертикальные силы, возникающие в связи с возвышением наружного рельса в кривых и действием на колесную пару горизонтальных поперечных сил.

Вертикальные силы инерции необрессоренных масс в большинстве случаев являются наибольшей составляющей динамического воздействия на рельс, а поэтому они в основном и определяют вертикальные динамические силы. Причинами их возникновения могут быть колебания колес, вызванные неровностями пути и шлее, а также извилистым движением колесных пар.

Горизонтальные поперечные силы, направленные перпендикулярно оси пути, возникают в уровне поверхности катания колеса по рельсу и между гребнем шлее и боковой поверхностью головок рельсов. Устойчивость и прочность рельса зависит от полной поперечной силы (боковой), передаваемой ему колесом. Равнодействующая боковых сил от одной колесной пары называется рамной силой.

Боковая сила в прямых достигает 20...40 кН, а в кривых 50...100 кН.

В кривых, кроме рамных сил, возникают центробежные силы, поперечные составляющие силы веса и тяги.

В расчетах пути учитывают, что рельс взаимодействует не с одним, а со всеми колесами одной тележки экипажа, опирающимися на него. При динамическом расчете пути под воздействием системы грузов необходимо найти одну силу, которая, будучи статически приложена в расчетном сечении, по своему воздействию оказалась бы эквивалентной динамическому воздействию всей системы грузов.

Вертикальная эквивалентная сила от колеса на рельс за пределами его стыка достигает 250 кН, а в зоне стыка на деревянных шпалах - 300 кН.

Горизонтальные продольные силы возникают вследствие угона пути, торможения и изменений температуры рельсов. При торможении локомотива продольная сила достигает 80...100 кН на звено, a рукеперативном торможении на спуске - 600…700 кН. Температурная сила в рельсах бывает в пределах 1000...2000 кН.

Рисунок 1.5 - Схема передачи вертикальной нагрузки от колеса на основание пути: Р - вертикальная сила; у_п-к - в кромках подошвы рельса; у_ш -в шпале (в прокладке) под подкладкой; у_б - в балласте под шпалой;у_h - на основной площадке земляного полотна

К содержанию бесстыкового пути предъявляются специальные требования по сравнению со звеньевым путем, связанные со значительными температурными силами, появляющимися в рельсовых плетях при больших перепадах температуры рельсов относительно температуры их закрепления.

В летнее время в каждой плети появляются температурные сжимающие силы до 600-1000 кН (60-100 тс). При сочетании с силами, вызываемыми воздействием на путь подвижного состава (например, силы угона) и наличии отступлений в содержании пути (неровности в плане, нарушенные размеры плеча балластной призмы и др.) сжимающие силы возрастают и могут стать причиной выброса пути. В зимнее время в плетях возникают растягивающие силы, достигающие при чрезмерно низких температурах 1200-1700 кН (120-170 тс). При слабой затяжке гаек клеммных и закладных болтов такие силы могут привести к срезу стыковых болтов и разрыву стыков в уравнительных пролетах, а в случае излома плети - к образованию большого зазора, опасного для прохода поезда.

Поэтому одно из основных требований, предъявляемых к текущему содержанию бесстыкового пути, - предотвращение продольных перемещений рельсовых плетей от совместного воздействия температурных и динамических сил. Это достигается обеспечением постоянного прижатия рельсов к подкладкам, подкладок к шпалам и контролем за угоном плетей и состоянием пути (положение в плане, состояние балластной призмы и др.).

Гайки клеммных и закладных болтов при укладке плетей должны затягиваться с крутящими моментами соответственно 200 и 150 Нм. В процессе эксплуатации затяжка должна контролироваться динамометрическими ключами. При падении среднего усилия затяжки на гайках клеммных болтов до 100 Нм (10 кгс-м), закладных - до 70 Нм (7 кгс-м) необходимо во избежание угона плетей производить их подтягивание.

Путевые работы, связанные с временным ослаблением устойчивости бесстыкового пути, в летнее время разрешается производить при условии, если отклонение температуры рельсовых плетей от температуры их закрепления (при которой они были закреплены) в течение всего времени производства работ не превысит значений, приведенных в Технических указаниях по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути. В жаркое летнее время такие работы могут выполняться в утренние и вечерние часы. При этом ко времени максимального повышения температуры плетей в течение дня должны быть полностью закончены отделочные работы, связанные с обеспечением необходимой сопротивляемости рельсошпальной решетки поперечному сдвигу, особенно в местах разрядки и зарядки щебнеочистительных и выправочно-подбивочных машин. К таким работам относятся: добавление балласта в шпальные ящики и на откосы призмы, его планировка и уплотнение, сплошное довертывание гаек клеммных, закладных и стыковых болтов на уравнительных рельсах до усилий затяжки, соответствующих нормативным значениям.

Если же разница между температурой рельсовых плетей и температурой их закрепления в плюсовую сторону превышает допустимые значения, и при этом перенести выполнение путевых работ на утренние часы не представляется возможным, то до их начала должна быть произведена разрядка температурных напряжений в рельсовых плетях.

На участках бесстыкового пути должен быть организован непрерывный контроль за температурой рельсов, осуществляемый на специальных температурных постах дистанций пути, на стендах дорожных метеостанций, а также непосредственно в местах производства путевых работ.

Летом с наступлением температур, близких к наивысшей для данной местности, а зимой при понижении температур на 60°С и более по сравнению с температурой закрепления, или при температуре воздуха минус 25°С и ниже, на весь период действия таких температур надзор за бесстыковым путем должен быть усилен. Порядок и сроки дополнительных осмотров и проверок бесстыкового пути устанавливает начальник дистанции пути в зависимости от местных условий.

Осенью и зимой, до наступления периода наиболее низких температур, соответствующих данному региону, должны быть отрегулированы зазоры в стыках уравнительных рельсов и закреплены болты таким образом, чтобы при особо низких температурах не произошло среза болтов и разрыва стыков.

При невозможности такой регулировки зазоров, например, при наличии чрезмерно растянутых зазоров во всех стыках рельсовой нити уравнительного пролета, необходимо заменить уравнительный рельс на удлиненный и соответственно уменьшить зазоры в стыках. До замены рельса в уравнительном пролете должны быть сплошь закреплены клеммные и закладные болты на концах (по 50-60 м). При наступлении весны снятый рельс в уравнительном пролете должен быть поставлен на свое место и произведена регулировка зазоров.

1.5 Составление ведомости затрат труда по техническим нормам. Определение поправочных коэффициентов

Трудовые затраты являются важным показателем трудового участия рабочих в выполнении как отдельных видов работ, так и всего их комплекса. Они учитываются на основании выполняемых объемов работ и технических норм трудовых затрат на измеритель работы. Эти нормы практически для всех путевых работ приводятся в ведомостях затрат труда типовых технологических процессов на различные виды ремонтов пути.

Трудовые затраты по каждой конкретной работе определяются исходя из объема выполняемой работы и технической нормы времени на измеритель на эту же работу по формуле

g = Va (1.13)

где V - количество работ в единице измерителя; a - техническая норма времени на измеритель, чел·мин.

Технические нормы трудовых затрат для разработки технологических процессов выражаются в виде норм времени на измеритель работы. Поскольку точность в расчетах принята равной одной минуте, то и эти нормы времени выражаются в человеко-минутах.

Аналогично имеются и технические нормы времени работы путевых машин, которые выражаются в машино-минутах на измеритель работ.

Технические нормы времени на измеритель учитывают только чистое время работы. В действительности же рабочими затрачивается дополнительное время на переходы в рабочей зоне, т. е. по фронту работ, периодический отдых и пропуск поездов. При определении трудовых затрат это учитывается специальным коэффициентом:

g = V a б. (1.14)

где б - поправочный коэффициент.

Поправочный коэффициент

(1.15)

где Т - число минут в рабочем дне, 480 мин;

- потери рабочего времени на переходы и отдых рабочих, пропуск поездов, мин.

Потери рабочего времени

Уt = t₁ + t₂ + t₃, (1.16)

где t₁ - время, необходимое для перехода рабочих в рабочей зоне, принимается 15 мин на весь рабочий день;

t₂ - время, необходимое на физиологический отдых рабочих, по трудовому законодательству - 5 мин после каждого рабочего часа, кроме предобеденного и последнего. На весь рабочий день принимается 30 мин;

t₃ - время, необходимое на пропуск поездов по ремонтируемому пути (на двухпутном участке и по соседнему), мин.

В итоге формула определения поправочных коэффициентов примет вид

(1.17)

Потери рабочего времени на пропуск поездов будут зависеть от количества и вида (пассажирские, грузовые и т. п.) поездов, пропускаемых за время работ, схемы ограждения участка работ сигнальными знаками.

Потери времени на пропуск поездов определяются: - для однопутного участка

t₃ = п_пасt + п_грt + п_м.вt + п_локt; (1.18)

- для двухпутного участка

t₃ = п_пас(t + t?) + п_гр(t + t?) + п_м.в(t + t?) + п_лок(t + t?), (1.19)

где t - норма времени на пропуск поездов по пути, на котором ведутся путеремонтные работы, для соответствующего вида пропускаемого поезда, мин;

t? - норма времени на пропуск поездов по соседнему пути для всех видов ограждения, мин.

Нормы времени на пропуск поездов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Нормы времени на пропуск поездов, в минутах

В итоге, определяются следующие поправочные коэффициенты:

б₁ - поправочный коэффициент, учитывающий ограждение участка сигналами остановки с пропуском поездов по месту работ со снижением скорости;

б₂ - поправочный коэффициент, учитывающий ограждение участка сигналами остановки с пропуском поездов по месту работ без снижения скорости;

б₃ - поправочный коэффициент, учитывающий ограждение места работ сигналами уменьшения скорости;

б₄ - поправочный коэффициент, учитывающий ограждение места работ сигнальными знаками «С»;

б₅ - поправочный коэффициент, применяемый для работ, выполняемых в «окно».

Для определения продолжительности работ составляется ведомость затрат труда по техническим нормам (таблица 1.2). Кроме продолжительности, по ведомости определяют количество рабочих на отдельные операции, а затем число рабочих на участке фронта работ для выполнения полного объема подготовительных, основных и отделочных работ.

В ведомости сначала заполняют графы 1-7, определяя затраты труда с учетом поправочного коэффициента. Особое внимание при заполнении графы «Наименование работ» необходимо обратить на правильную технологическую последовательность подготовительных, основных и отделочных работ, согласно технологическому проекту.

Технические нормы затрат труда и времени работы машин (графы 4, 5) принимают из типовых технологических процессов или сборников типовых норм времени на работы по ремонту верхнего строения пути [11,12].

Объем работ устанавливают по объектной ведомости, составленной на основе натурного осмотра ремонтируемого участка и характеристик пути до и после ремонта. Объем работ показывают для участка, равному фронту работ в «окно».

Графы 8-11 заполняются одновременно при составлении графиков производства работ в «окно» и после «окна», подготовительных и отделочных работ.

Таблица 1.2 - Ведомость затрат труда по техническим нормам

В данной ведомости представлен расчет затрат труда и продолжительности работы по очистке щебня машиной RМ-80.

В расчетах принят поправочный коэффициент, применяемый для работ, выполняемых в «окно» б5 = 1,15.

2. Постановка задачи на создание новой автоматизированной программы «Расчет пути на прочность и устойчивость»

2.1 Постановка задачи

Путевые хозяйства Республики Беларусь и стран ближнего зарубежья ставят перед собой задачу эффективного управления прочностью и надёжностью железнодорожного пути. Данная проблема является актуальной ввиду ежегодного использования железными дорогами огромного количества дорогих материалов, в том числе высококачественной стали для рельсов и колёс.

Под «Определением прочности пути» понимается установление предельных (допускаемых) напряженных или деформированных состояний, при которых наступает недопустимая деформация или течение (разрушение) материала несущих элементов пути.

В настоящее время не существует строгой научной интерпретации способов управления прочностью и надёжностью пути. Решается данная проблема посредством применения аппаратов таких наук как строительная механика, теория упругости, механики грунтов, механики разрушения и динамики разрушения деформируемого тела. С помощью аппаратов данных наук можно произвести необходимые расчёты, которые в дальнейшем подвергаются программированию. В полученные программы закладывается нормативная база допускаемых величин тех или иных параметров. С помощью таких программных пакетов можно максимально приближенно спрогнозировать поведение участка железнодорожного пути с заданными верхним и нижним строением, под воздействием локомотива того или иного типа.

На основание замеченной выше актуальности данной проблемы ставится задача создания автоматизированной программы, с помощью которой будет производится расчет на прочность современных конструкций верхнего строения железнодорожного пути от воздействия современного подвижного состава.

2.2 Анализ и разработка алгоритма решения задачи

На основании мониторинга проведенного в данном разделе составляется формульный расчет пути на прочность.

Основные исходные данные необходимые для проведения расчета пути на прочность:

Характеристики выбранного типа локомотива:

- нагрузка на колесо - кгс;

- необрессоренный вес - кгс;

- жесткость рессор - кгс/мм;

- диаметр колеса - мм;

- последовательные расстояния между осями колесных пар - ;

- скорость движения экипажа - км/ч;

- коэффициенты для направляющих осей локомотивов или вагонов при прохождении составом кривого участка пути - ;

- коэффициенты перехода от осевых напряжений в подошве рельса к кромочным в головке - ;

- величина наибольшей расчетной глубины изолированной неровности на колесе - см;

- доля колес имеющих имеющих изолированные неровности, от общего количества колес рассчитываемого типа локомотива - ;

- коэффициент, учета взаимодействия массы пути и необрессоренной массы экипажа - .

Характеристики типа верхнего строения пути:

- тип рельсов;

- тип шпал;

- вид промежуточных скреплений;

- род балласта;

- количество шпал на километр (эпюра) - шт/км;

- характеристики состояния рельсов;

- коэффициент относительной жесткости подрельсового основания и рельса - см;

- момент сопротивления, относящийся к волокнам подошвы рельса - см;

- момент сопротивления, относящийся к волокнам головки рельса - см;

- опорная площадь подкладки (прокладки при безподкладочном скреплении) - см;

- коэффициент, учитывающий величину колеблющейся массы пути - ;

- коэффициент, учитывающий влияние рода балласта на образование неровности пути - ;

- коэффициент, учитывающий влияние материала шпал на образование неровностей в пути - ;

- коэффициент, учитывающий влияние типа рельсов на образование неровностей в пути -;

- коэффициент изгиба шпалы по ее длине - ;

- модуль упругости подрельсового основания - кгс/см.

Характиристики плана линии:

- радиус кривой - ;

- характеристики состояния рельсов;

- величина износа рельсов.

- расстояние между шпалами в зависимости от эпюры - см.

Теоретические формулы расчета пути на прочность представлены в данном разделе на основании проведенного мониторинга способов расчета пути на прочность. Обозначения переменных в формулах соответствуют обозначениям принятым в описании исходных данных.

Расчет начинается с определения максимального прогиба рессоры локомотива , мм, который по формуле

, (2.1)

где и - коэффициенты, зависящие от выбранного типа локомотива.

Далее необходимо найти максимальное значение вертикальной силы, вызываемой колебаниями рессор по формуле

(2.2)

Далее с учетом исходных данных и формулы (2.2) вычисляется значение среднего давления любого колеса на рельс по формуле