Оптимизация балластного слоя на высокоскоростных линиях ГАЖК "Узбекистон Темир Йуллари"

При повышении температуры рельсовых плетей по сравнению с нейтральной (температурой закрепления t₀) в них могут развиваться значительные сжимающие силы (P_t = 1200ч1500 кН), которые при неблагоприятном стечении обстоятельств могут привести к опасному нарушению устойчивости пути - выбросу. Это быстрый, практически мгновенный процесс искривления рельсов в горизонтальной плоскости с одновременным (или предшествующим) небольшим подъемом путевой решетки (до 15 мм), при котором контакт нижней постели шпал со щебнем теряется частично или полностью (рис. 17).

Рис. 17. Выброс железнодорожного пути

На прямых выброс протекает с резким звуком, на кривых - более плавно и тихо. При этом образуется резкое искривление рельсов (до 0,3 - 0,5 м на длине 20 - 40 м) с несколькими волнами в горизонтальной плоскости. Рельсы на этом участке приобретают остаточные деформации и становятся непригодными для работы в пути, щебень с откосов призмы отбрасывается (до 1,0 м).

Обеспечение устойчивости бесстыкового пути - одно из важнейших требований при его устройстве. Недостаточная устойчивость - прямая угроза безопасности движения поездов, а избыточные запасы устойчивости снижают эффективность применения бесстыкового пути.

Задача сводится к определению ?t_у - допускаемого по устойчивости пути повышения температуры по сравнению с температурой закрепления рельсовых плетей.

Расчеты в диссертации были выполнены по наиболее распространенному методу С.П. Першина, в котором принята во внимание нелинейность сопротивления деформациям со стороны балластного слоя и узлов прикрепления рельсов к шпалам, а также учтено наличие начальных неровностей колеи, которые оказывают существенное влияние на устойчивость пути под действием продольных сил.

Согласно этому расчету при заданной длине l хорды зоны искривления и прочих известных параметрах можно найти стрелу f, при которой значения сжимающей силы максимальны. Это положение соответствует максимуму потенциальной энергии и отражает состояние неустойчивого равновесия.

Значение maxN_t меняется в зависимости от lи может быть получен минимум maxN_t, который при данном расчете и представляет собой наименьшую силу сжатия в состоянии неустойчивого равновесия. Минимум maxN_tпринят как значение расчетной закритической силы N_з, при достижении которой неустойчивое равновесие может перейти к выбросу пути.

Таблица 5. Параметры А и м, зависящие от типа рельса и плана линии

R, м	А при рельсах Р65	м при рельсах Р65
400	2480	0,232
600	3150	0,335
800	3610	0,385
1000	3830	0,410
Прямая	5830	0,585

В результате выполненных экспериментальных исследований /5,6/ на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» предложена оптимальная ширина плеча балластной призмы, равная 45 см.

В этом случае средняя сдвигающая сила, соответствующая сопротивлению балласта смещению шпал по результатам испытаний была равна 815 кг. В соответствии с графиком, приведенным на рис. 18 Принято:

к₁= 1,2.

к₂ принят:

- при эпюре шпал в прямой 1720 шт./км к₂=0,95

- при эпюре шпал в кривой 1840 шт./км к₂= 1,0

Коэффициент к₃зависит от степени затяжки гаек клеммных болтов (силы прижатия клеммы «PandrolFastclip»). При этом нормативное прижатие рельса к основанию для скреплений типа КБ составляет 19,6 кН, что соответствует крутящему моменту в размере 120 н м.

Для скреплений типа «PandrolFastclip» нормативное прижатие рельса к основанию составляет не менее 20 кН, т.е. в соответствии с графиком, приведенным на рис. 19, этот коэффициент может быть принят равным:

к₃ = 0,93 (при i=2% ₀)

к₃ = 0,97 (при i=3% ₀)

Для сравнения ниже рассмотрены 2 варианта конструкции и состояния пути:

Вариант 1. Сопротивление одиночных шпал смещению поперек пути 450 кг (при плече балластной призмы 25 см), начальная неровность составляет i=3% ₀

Вариант 2. Сопротивление смещению шпал типа BF 70 при плече балластной призмы составляет 815 кг (при плече балластной призмы 45 см), начальная неровность составляет i=2% ₀

Ниже приведена сводная таблица 6 температурных сил и повышений температуры рельсовой плетиДt_у, допускаемое по условию устойчивости для вариантов 1 и 2.

Таблица 6

Наименование показателей	Вариант 1	Коэффициент запаса по устойчивости по1-му варианту	Вариант 2	Коэффициент запаса по устойчивости по 2-му варианту	Преимущество 2-го варианта относит. 1-го варианта, %
Температурная сила Nз, кН при плане линии: R=400 м R=600 м R=800 м R=1000 м прямая	1864 2115 2294 2368 2824		2357 2787 3085 3217 4121		29 31 34 36 46
Допускаемое повышение температуры Дtу, 0С при плане линии: R=400 м R=600 м R=800 м R=1000 м прямая	45 52 56 58 69	1,36 1,30 1,30 1,26 1,47	58 68 75 79 101	1,76 1,70 1,70 1,72 2,00

Из приведенных в табл. 6 данных видно, что в первом случае коэффициент запаса по устойчивости k_у не превышает 1,47, в то время, как его значение по условию безопасности должно находиться в пределах 1,5 ч2,0 / 3/.Во втором случае коэффициент запаса по устойчивости находится в пределах 1,76ч2,00, что соответствует требованиям безопасности.

3. Расчет пути на прочность и устойчивость при воздействии электропоезда «Афрасиаб» с определением оптимальной толщины балластного слоя

балластный сыпучий земляной полотно

В рамках реализации первого этапа внедрения высокоскоростного движения на направлении ст. Ташкент - ст. Самарканд ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» в 2011 году приобрела два электропоезда Talgo AVE серии 250 (Афросиаб). Однако до настоящего времени не был оценен уровень динамического воздействия при движении этого поезда по железнодорожному пути со шпалами BF70 и рельсовыми скреплениями типа «Pandrol Fastclip». Не была также оценена прочность работы железнодорожного пути при воздействии высокоскоростных поездов и его устойчивость против выброса.

Выполненные испытания железобетонных шпал BF70 на заводе-производителе железобетонных шпал на прочность и трещиностойкость (рис. 20), приведенные в диссертации магистранта Шодманова А., подтвердили возможность применения этих шпал на скоростных и высокоскоростных линиях ГАЖК «Узбекистон темир йуллари». Для остальных элементов верхнего строения пути это надо доказать. Поэтому с целью определения оптимальных параметров укладки и эксплуатации остальных параметров верхнего строения пути (балластный слой, защитный слой земполотна) при максимальных скоростях движения пассажирского электропоезда «Афрасиаб» 250 км/час был выполнен приведённый ниже расчет пути на прочность и устойчивость.

Расчет выполнен в соответствии с «Методикой оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности». Исходные данные для расчета приведены в табл. 7



Рис. 20 Испытания шпал на прочность и устойчивость

Таблица 7 - Исходные данные для расчета

Тип подвижного состава	«Афрасиаб»
Расчетная скорость движения, v, км/ч	160,200,250
Эпюра шпал, Эш, шт./км: (прямая / кривая) 1680/1720; 1720/1840; 1840/2000
Толщина балласта (щебень / песок) аб, см	20/20; 35/20
Нагрузка от колеса на рельс, Рст, кг	9000
Диаметр колес, см	101,0
Неподрессоренный вес на одно колесо, qк, кг	1150
Статический прогиб рессорной системы, fст, мм	158
Модуль упругости подрельсового основания, кг/см2
в прямом участке пути летом Uпр-л	2000 - 3000
в прямом участке пути зимой Uпр-з	3000 - 4500
в кривом участке пути летом Uкр-л	2200 - 3400
в кривом участке пути зимой Uкр-з	3300 - 5100
Площадь полушпалы, , см2	2975
Опорная площадь подрельсовой прокладки, , см2	225
Расчетная минимальная температура рельса, tmin	-30OC
Расчетная максимальная температура рельса, tmax	+64OС

3.1 Расчетные усилия, передаваемые на рельс

Расчетная величина силы взаимодействия колеса и рельса в сечении под колесом определяется с вероятностью непревышения ее Ф = 0,99379 и составляет:

Р_РАСЧ = Р_СР + 2,5 S (1)

С учетом вероятностного сочетания составляющих общего давления колеса на рельс, реализуемых при движении современных единиц подвижного состава, имеем:

для силы среднего давления колеса на рельс

Р_СР = Р_СТ +Р_р^ср (2)

и для среднеквадратического отклонения совокупности действующих на рельс сил

(3)

Из формул (1 - 3) видно, что величина расчетного давления колеса на рельс определяется с учетом: статического давления от подвижного состава, отнесенного к одному колесу, (Р_СТ); дополнительного динамического давления, вызванного колебаниями кузова на рессорах, (Р_р^ср); дополнительных динамических давлений, вызванных наличием изолированной неровности на пути, (S_НП), неровностей на колесе - изолированной (S_ИНК) и непрерывной (S_ННК) с учетом доли колес, обращающихся на участке, с изолированными неровностями, (q₁).

Отдельные составляющие расчетного давления колеса на рельс учитываются следующим образом:

статическое давление колеса на рельс (Р_СТ) принимается в расчете по паспортным данным подвижного состава;

сила дополнительного давления от колебания кузова на рессорах учитывается средним давлением и среднеквадратическим отклонением:

, (4)

сила дополнительного давления, вызванного наличием изолированной неровности на пути, учитывается среднеквадратическим отклонением:

(5)

сила дополнительного давления, вызванного наличием изолированной неровности на колесе, учитывается среднеквадратическим отклонением;

(6)

сила дополнительного давления, вызванного наличием непрерывной, неровности на колесе, учитывается среднеквадратическим отклонением:

(7)

В формулах (4 - 7) введены следующие расчетные величины:

₀ - коэффициент, учитывающий влияние приведенной массы пути не дополнительные давления, вызванные наличием неровностей на колесе (табл. 8);

₁ - коэффициент, учитывающий влияние приведенной массы пути на дополнительное давление, вызванное наличием изолированной неровности на пути (табл. 8);

- коэффициент, учитывающий влияние жесткости подрельсового основания на крутизну дополнительной динамической неровности на пути (табл. 8);

- коэффициент, учитывающий род балластного слоя (табл. 8);

Таблица 8 - Расчетные коэффициенты

Обозначение расчетного коэффициента	Величина расчетного коэффициента для пути на балласте
	Песчаном	Гравий-ном	асбестовом при шпалах	щебеночном при шпалах
			Железобетонных	Деревянных	Железобетонных	Деревянных
0	0,433	0,433	0,402	0,433	0,402	0,433
1	1,0	1,0	0,931	1,0	0,931	1,0
	1,0	1,0	0,322	1,0	0,322	1,0
	1,5	1,1	1,5	1,5	1,0	1,0

l - среднее расстояние между осями шпал (табл. 10);

Таблица 9 - Величина среднего расстояния между осями шпал

Обозначение расчетной величины	Среднее расстояние между осями шпал в см при фактической эпюре шпал на участке, шт./км
	1680	1720	1840	2000
l	62	58	55	50

U - модуль упругости подрельсовго основания;

v - скорость движения экипажа;

q_K - вес необрессоренных частей экипажа, отнесенный к одному колесу;

d - диаметр среднего круга катания колеса;

е₀ - величина наибольшей расчетной глубины изолированной неровности (табл. 2.4.);

Таблица 10 - Наибольшая расчетная глубина изолированной неровности

Обозначение расчетной величины	Расчетная глубина изолированной неровности в см для колес
	локомотивных или моторвагонного состава при подшипниках	вагонных при подшипниках
	скольжения	качения	скольжения	качения
е0	0,067	0,047	0,133	0,067

- коэффициент, учитывающий влияние мощности рельса на образование неровности на пути:

;

J - момент инерции рельса с учетом величины износа;

К - коэффициент относительной жесткости рельса и основания:

;

Е - модуль упругости материала рельсовой стали, Е=2,110⁶ кг/см²;

- максимальный дополнительный прогиб рельса при проходке колесом косинусоидальной неровности, отнесенный к единице глубины неровности; принимается = 1,47, если соблюдается неравенство:

vv_КР,

где

,

g - ускорение свободного падения, g = 981 см/с².

При расчетах бесстыкового пути, а также для единиц подвижного состава, не прошедших экспериментальную проверку,

где f_СТ - статический прогиб рессорного комплекта.

3.2 Расчетные напряжения и деформации в элементах верхнего строения пути

Величина напряжений в элементах верхнего строения пути и прогиб рельса определяются с учетом воздействия на расчетное сечение системы (сосредоточенных нагрузок, в зону воздействия которых входит рассматриваемое расчетное сечение. Для верхнего строения пути современных типов влияние от отдельных сосредоточенных нагрузок (давлений осей подвижного состава) практически ощущается при расстоянии от оси до расчетного сечения не более 350 см. Притом следует выбирать наиболее неблагоприятные сочетания системы сосредоточенных нагрузок от осей подвижного состава, а именно; в расчетном сечении устанавливается ось подвижного состава, оказывающая максимально-вероятностное давление на рельс (Р_РАСЧ); воздействие от соседних осей учитывается коэффициентами линий влияния при величине давления этих осей на рельс, равной Р_СР. Коэффициенты линий влияния принимаются с учетом относительной жесткости рельса и основания (К) и расстояния от расчетного сечения до учитываемой нагрузки от соседней оси (Х=L_i) в соответствии с расчетными формулами: для изгибающих моментов

=е^-КХ(cos KX - sin KX),

для прогибов, перерезыващих сил и давления рельса на шпалу

=е^-КХ(cos KX + sin KX).

Наиболее неблагоприятное сочетание нагрузок следует принимать следующим образом:

- для экипажей с двухосной жесткой базой - одна из осей принимается за расчетную и учитывается влияние второй оси; для экипажей с трехосной жесткой базой предварительно определяется знак коэффициента линии влияния ближайших осей тележки: при положительном значении коэффициента линии влияния за расчетную ось принимается средняя ось тележки и учитывается влияние крайних осей, при отрицательном значении коэффициента линии влияния за расчетную ось принимается крайняя ось тележки и учитывается влияние средней оси.

Считая схему работы рельса под действием расчетной системы грузов статической, получаем:

величину изгибающего момента в расчетном сечении рельса

, (8)

величину давления рельса на шпалу в расчетном сечении

, (9)

величину прогиба рельса в расчетном сечении

(10)

По величине изгибающего момента и давления рельса на шпалу определяется напряжения в элементах верхнего строения пути:

в рельсах:

по оси подошвы

, (11)

кромочные по подшве

, (12)

кромочные в головке

, (13)

по верхней постели шпалы под подкладкой

, (14)

в балластном слое по нижней части шпалы

. (15)

В приведенных выше формулах приняты следующие обозначения:

W - момент сопротивления рельса;

f - коэффициент учета горизонтального изгиба и кручения рельса;

m_Г-К - коэффициент перехода от осевых напряжений в подошве рельса к кромочным напряжениям в подошве рельса:

,

Z_Г, Z_П - расстояние от горизонтальной оси рельса, проходящей через центр тяжести рельса, до крайних волокон соответственно головки и подошвы рельса;

b_П, b_Г - ширина соответственно подошвы и головки рельса в расчетном уровне;

- площадь подрельсовой подкладки;

- опорная площадь полушпалы с учетом изгиба.

3.3 Допускаемые напряжения

В соответствии с [6] критерии прочности пути определены из условия обеспечения его надежности по следующим критериям:

* [у_к] - из условия непревышения допускаемого количества отказов рельсов за период нормативной наработки;

* [у_ш] - из условия непревышения допускаемого износа шпал и прокладок под подкладками за период нормативной наработки;

* [у_б] и [у_з] - из условия непревышения допускаемой интенсивности накопления остаточных деформации соответственно в балласте и па основной площадке земляного полотна.

Численные значения оценочных критериев прочности звеньевого пути приведены в табл. 8.

Таблица 8 - Оценочные критерии прочности

Критерии	Вид подвижного состава	Значения оценочных критериев прочности, кг/см2, при грузонапряженности, млн. ткм брутто на км в год*
		>50	50-25	24-10	<10
[ук]	Локомотив «Афрасиаб»	1900	200	2400	3400
	Вагоны	1500	1600	2000	3000
[уш]	Локомотив «Афрасиаб»	12	16	20	30
	Вагоны	11	15	18	27
[уб]	Локомотив «Афрасиаб»	4.0	4.2	4.5	5.0
	Вагоны	2.6	3.0	3.5	4.0
[уз]	Локомотив «Афрасиаб»	1.0	1.0	1.1	1.2
	Вагоны	0.8	0.8	0.9	1.0

Данные таблицы применимы: [у_к] - для типовых нетермообработанных рельсов в прямых и кривых радиусом более 1000 м. Для термоупрочненных рельсов значения [у_к] увеличиваются на 14%, В кривых с R?1000 м [у_к] -2400 кг/см², так как нормативными документами предусмотрена сплошная смена рельсов между капитальными ремонтами пути в кривых с R=1000ч651 м - один paз, R=650ч351 м - два раза; R?350 м - три раза; [у_ш] - для сосновых стандартных шпал; [у_к]=40 кг/см²-допускаемое напряжение в прокладке (при железобетонных шпалах); [у_б] - для щебеночного и асбестового балласта. Для песчаного балласта приведенные значения [у_б] необходимо уменьшить в 1,6 раза, при карьерном гравии и ракушкe в 1,4 раза; [у_з] для земляного полотна из суглинистых грунтов.

3.4 Напряженное состояние основной площадки земляного полотна

Расчет напряжений на основной площадке земляного полотна, как правило, принято вести на основе вероятностного совокупного воздействия всех осей расчетного поезда. Учитывая, что по пути проследуют поезда с различным сочетанием нагрузки на ось (порожние и груженые), имеющие в составе вагоны различных типов (четырех-, шести- и восьми-осные), выбор состава расчетного поезда является затруднительным. Поэтому целесообразно определять напряжение на основной площадке земляного полотна от воздействия типовой единицы подвижного состава, преобладающей в поезде. Для средних условий за такую единицу подвижного состава можно принимать четырехосный грузовой вагон. При преобладающем движении по участку шести- или восьми-осных полувагонов за расчетную единицу подвижного состава принимать шести- или восьмиосный полувагон для определения воздействий на основную площадку земляного полотна.

Метод расчета напряжений на основной площадке земляного полотна заключается в суммировании напряжений, передаваемых в расчетную точку от трех соседних шпал, средняя из которых расположена в сечении над расчетной точкой.

,

где - напряжение на основной площадке земляного полотна, вызванное давлением основной расчетной шпалы в расчетном сечении:

_б - напряжение в балласте по нижней постели расчетной шпалы;

r₁ - поправочный коэффициент, учитывающий род шпал: для железобетонных - r₁ = 0,7, для деревянных - r₁ = 0,8;

m - коэффициент, учитывающий характер распределения напряжений в балластном слое по нижней поверхности шпалы в поперечном направлении:

Принимаемая в расчетах величина m должна соответствовать условию: 1 m 2;

С₁, С₂ - параметры, учитывающие характер распределения напряжений в балластном слое под шпалой:

, ,

b - средняя ширина нижней постели шпалы, h - толщина балласта под шпалой

Величины параметров С₁ и С₂ можно принимать для типовых конструкций верхнего строения пути; - напряжение в расчетной точке основной площадки земляного полотна, передаваемое от соседних шпал:

,

А - параметр, определяющий характер передачи давлений в балластном слое от соседних шпал на расчетную точку:

А=₁-₂+0,5 (sin 2₁ - sin 2₂),

- соответственно напряжения в балластном слое под первой и второй соседними шпалами от поездной нагрузки:

; ;

- давления от расчетной нагрузки и соседних осей подвижного состава соответственно на первую и вторую соседние шпалы:

;

Полученное в процессе расчета напряжение _h сравнивается с допускаемым напряжением для грунта основной площадки земляного полотна (табл. 11).

3.4 Расчеты бесстыкового пути

Практические расчеты бесстыкового пути выполняются с целью определения условий укладки и закрепления плетей бесстыкового пути и установления режимов эксплуатации. Для этого на основе рассмотрения условий прочности и устойчивости плетей бесстыкового пути определяются возможные запасы изменения температуры плети по сравнению с температурой закрепления ее для работы в выбранном режиме эксплуатации.

Допускаемые интервалы изменения температуры плети бесстыкового пути по условиям прочности рельса

Для бесстыкового пути из-за наличия погонных и стыковых сопротивлений температурному изменению длины плети характерно развитие значительных продольных сил, вызывающих осевое напряженное состояние рельса даже при отсутствии поездной нагрузки. Поэтому общее условие прочности для рельсов бесстыкового пути, принятое до настоящего времени в практических расчетах, имеет вид:

K_ПК+_t[]

где К_П - коэффициент запаса прочности, К_П= 1,3;

_К - кромочные напряжения в наиболее загруженных волокнах рельса, реализуемые при воздействии поездной нагрузки. Устанавливаются предварительным расчетом элементов верхнего строения пути на прочность;

_t - нормальные напряжения в рельсах, возникающие в связи с изменением температуры плети по сравнению с температурой ее зацепления;

[] - допускаемое напряжение для рельса плети бесстыкового пути, принимаемое равным условному нормальному пределу текучести рельсовой стали, []= 3500 кг/см².

Плеть бесстыкового пути работает при температурах как выше, так и ниже температуры закрепления. То есть нормальные температурные напряжения могут быть и растягивающими (при пониженных температурах), и сжимающими (при повышенных температурах). Учитывая характер распределения нормальных напряжений от изгиба по поперечному сечению рельса, следует общее условие прочности преобразовать:

для температур работы бесстыковой плети ниже температуры закрепления

K_ПП-К+_tp[];

для температур работы бесстыковой плети выше температуры закрепления

K_ПГ-К+_tс[];

где _tp; _tс - соответственно нормальные напряжения растяжения и сжатия по поперечному сечению рельса бесстыковой плети, вызванные изменением температуры рельса по сравнению с температурой закрепления;

_П-К - растягивающие напряжения в кромочных волокнах подошвы рельса от изгиба под поездной нагрузкой. Подсчитываются формуле (12) с учетом состояния балластного слоя. Для районов с минимальными температурами не ниже - 20^ОС расчетные параметры состояния железнодорожного пути принимаются для подсчета _П-Кпо летним условиям работы, а для районов с минимальными температурами рельса ниже - 20°С - по зимним условиям работы;

_Г-К - сжимающие напряжения в кромочных волокнах головки рельсе от изгиба под поездной нагрузкой. Подсчитываются по формуле (13) для летних условий работы пути.

При полном отсутствии температурного изменения длины рельса температурные напряжения незагруженной поездной нагрузкой плети составляют

_t = Еt25t,

где - коэффициент линейного расширения рельсовой стали,

=1,1810^-5 1/град;

t - интервал изменения температуры рельса по сравнению с температурой закрепления.

Следовательно, на основе условий прочности можно определить допускаемые интервалы безопасного изменения температуры:

- понижение температуры рельса по условиям прочности кромочных волокон подошвы рельса

- повышение температуры рельса по условиям прочности кромочных волокон головки рельса

Допускаемые интервалы изменения температуры плети бесстыкового пути по условиям устойчивости

В летних условиях при повышенных по сравнению с закреплением плети температурах продольные сжимающие температурные силы могут привести к нарушению устойчивости первоначального положения плети, т.е. к выбросу пути. Допускаемое повышение температуры по условиям сохранения устойчивости положения рельсо-шпальной решетки составляет:

где F - площадь поперечного сечения рельса;

[N_K] - допускаемая продольная сила, не вызывающая потери устойчивости положения рельсошпальной решетки.

Условия укладки и эксплуатации бесстыкового пути

Для железных дорог Узбекистана характерно применение температурно-напряженного бесстыкового пути без сезонных разрядок напряжений. Укладка и эксплуатация бесстыкового пути в этом случае возможны при соблюдении условия

Т_А[Т_А],

где Т_А - фактическая максимальная годовая амплитуда колебания температуры рельса для района эксплуатации бесстыкового пути;

[Т_А] - допускаемая по условиям прочности и устойчивости амплитуда изменения температуры рельса:

[Т_А]=t_P+t_C - [t₃],

t_P - допускаемый интервал понижения температуры рельса по сравнению с температурой закрепления, когда в рельсах возникают растягивающие температурные силы, принимается t_P=t_ПП;

t_C - допускаемый интервал повышения температуры рельса по сравнению с температурой закрепления, когда в рельсах возникают сжимающие температурные силы, принимается равным наименьшей из величин t_ПГ и t_y;

[t₃] - интервал температур, на котором можно произвести окончательное закрепление плетей, устанавливаемый по условиям производства работ; минимальный интервал [t₃] рекомендуется принимать при закреплении в весенний период 15^ОС, а в осенний период - 10^ОС;

При соблюдении условия возможна укладка и эксплуатация бесстыкового пути температурно-напряженного типа без сезонных разрядок. Фактический возможный интервал закрепления плети составит:

t₃=t_Р+t_С-Т_А

При этом возможные крайние температуры закрепления плети могут быть приняты:

минимальная температура закрепления

mint₃ = t_maxmax - t_С

максимальная температура закрепления

maxt₃ = t_Р + t_minmin.

В этих формулах включены температуры:

t_maxmax - максимальная летняя температура рельса;

t_minmin - минимальная зимняя температура рельса.

В результате расчетов были получены все параметры напряженно-деформированного состояния пути: сила воздействия от колеса на рельс (P_расч); осевые и кромочные напряжения в подошве и головке рельса (у_п-о;у_п-к; у_г-к); напряжения в прокладке (у_ш); напряжения в балластном слое и на основной площадке земляного полотна (у_биу_опзп); допускаемые интервалы изменения температуры плети бесстыкового пути Дtp и Дtс; температурный интервал закрепления плетей (mintз - maxtз); температурные силы в плетях Р_t.

Результаты расчетов для различной толщины балластного слоя и скоростях движения электропоезда «Афрасиаб» приведены в прил. 1

Полученные напряжения были сравнены с их допускаемыми величинами (табл. 8), в результате чего были сделаны следующие выводы:

1. Установлена существенная зависимость напряжений в элементах верхнего строения пути от модуля упругости подрельсового основания. Для объективной оценки расчетных и фактических напряжений необходимо экспериментальным путем установить величины этого параметра для различных условий эксплуатации (раздел).

2. Для принятых в расчетахU_пр-л=3000 кг/см²; U_пр-з=4500 кг/см²U_кр-л=3400 кг/см²; U_кр-з=5100 кг/см² при а_б=20/20 см при эпюре шпал от 1680 до 2000 шпал/км напряжения в резиновых прокладках, в балласте под шпалой и на основной площадке земляного полотна существенно превышают допустимые значения. При а_б=35/20 см не превышение допустимых напряжений в этом случае имеет место только при эпюре шпал 2000/2000 шпал/км и скоростях до 160 км/ч. При принятых величинах U_i на скоростных и высокоскоростных участках при воздействии электропоезда «Афрасиаб» необходимо устройство защитных слоёв земляного полотна из гравийно - песчаной смеси толщиной не менее 50 см.

3. Для принятых в расчете U_пр-л=2000 кг/см²; U_пр-з=3000 кг/см²; U_кр-л=2200 кг/см²; U_кр-з=3300 кг/см² при а_б=20/20 см при эпюре шпал 1680/1720, 1720/1840 и 1840/2000 шпал/км при скоростях 160-250 км/ч напряжения в резиновых прокладках, в балласте под шпалой и на основной площадке земляного полотна превышают допустимые значения. Не превышение допустимых напряжений в этом случае имеет место только при эпюре шпал 2000/2000 шпал/км и скоростях до 160 км/ч. При а_б=35/20 см не превышение допустимых напряжений в этом случае имеет место при эпюре шпал 2000/2000 шпал/км и скоростях до 200 км/ч. При принятых величинах U_i на высокоскоростных участках при воздействии электропоезда «Афрасиаб» необходимо устройство защитных слоёв земляного полотна из гравийно - песчаной смеси толщиной не менее 50 см.

4. Установлено, что толщина балласта на скоростных участках при воздействии электропоездов «Афрасиаб» и «Узбекистан» (до 200 км/ч) должна быть не менее а_б=35/20 см. Участки с меньшей толщиной балласта необходимо реконструировать.

5. На высокоскоростных участках необходимо устройство защитных слоев из щебенисто-гравийно-песчаных смесей, укладываемого на границе щебня и естественного грунта. Толщина защитного слоя в каждом конкретном случае рассчитывается в зависимости от типа подвижного состава и эксплуатационных параметров железнодорожной линии и должна быть не менее 50 см при толщине щебеночного слоя 35 см.

3.6 Методика определения модуля упругости подрельсового основания

При определении модуля упругости подрельсового основания величина Р может быть установлена следующими способами:

1. По известным величинам статических осевых нагрузок от различных типов подвижного состава, статически действующими на расчетное сечение (рис. 22). При необходимости учет влияния соседних осей производится по известной методике расчетов железнодорожного пути на прочность.

Путем нагружения рельса статической нагрузкой, передаваемой от домкратов на головку рельса (рис. 22). При этом влияние соседних осей не учитывается (т.к. li ?3,5 м).

2. Нагружением рельса динамической нагрузкой от различных типов подвижного состава, движущихся с различной скоростью. При этом с помощью тензометрической аппаратуры и осциллографов непрерывно фиксируется с записью и дальнейшей расшифровкой величины прогибов рельсов в расчетных сечениях. В этом случае необходимо учитывать влияние соседних осей на величины динамических нагрузок от колес подвижного состава (см. следующий раздел).

Прогибы рельса в указанных случаях определяются с помощью прогибомеров. Прогибомеры устанавливают на свайках, забитых около рельсов на глубину 0,70-0,75 м от верха поверхности балласта (рис 23).



а) путь без нагрузки; б) путь под нагрузкой

Рис. 22 Схема определения модуля упругости подрельсового основания (вариант 1)

Рис. 23 Схема определения модуля упругости подрельсового основания (вариант 2)

Общие выводы по диссертации

1. Диссертация посвящена изучению вопроса разработки оптимальной конструкции балластной призмы на участках ГАЖК «Узбекистон темир йуллари», где обращаются высокоскоростные («Афрасиаб» - до 250 км/ч) и скоростные поезда («Афрасиаб» и «Узбекистан» - 160-200 км/ч) на направлении Ташкент - Самарканд.

2. Установлено, что высокий уровень динамического воздействия на путь и земляное полотно от воздействия скоростных и высокоскоростных поездов «Афрасиаб» и «Узбекистанс учетом высокочастотной вибрации вызывает резкий рост остаточных деформаций, в том числе интенсивное дробление балластного слоя в пути, осадки земляного полотна, износ подвижного состава и др.

3. Впервые выполнены расчеты напряженного и деформированного состояния элементов верхнего строения пути и земляного полотна под воздействием электропоезда «Афрасиаб» при скоростях до 250 км/ч. Для сравнения взяты результаты аналогичных расчетов, выполненных магистрантом Шодмановым С. для электропоезда «Узбекистан» для скоростей до 160 км/ч.

4. Установлено, что динамическое воздействие на путь от электропоезда «Афрасиаб» на 34-38% ниже, чем при тех же условиях упоезда «Узбекистан». Динамическое воздействие от электропоезда «Афрасиаб» при скорости 250 км/ч приблизительно соответствует динамическому воздействию от поезда «Узбекистан» при скорости 160 км/ч.

5. Были проанализировать требования различных нормативных документов по конструкции и размерам балластной призмы на скоростных и высокоскоростных линиях. Установлено, что в нормативных документах них нет единого подхода к параметрам балластной призмы для участков скоростного и высокоскоростного движения поездов.

6. Установлено, что фактическая толщина балластного слоя на направлении Ташкент-Самарканд на многих участках находится в пределах 20-35 см и менее, то есть явно недостаточна для обеспечения безопасности движения поездов на скоростных и высокоскоростных линиях.

7. Установлены критерии определения необходимой толщины балластного слоя и ширины плеча балластной призмы по предельно допустимым напряжениям на основной площадке земляного полотна и исключению выброса бесстыкового пути.

8. Получены величины допускаемых повышений температуры Дt_у, ⁰С по сравнению с температурой закрепления плетей железнодорожного пути со шпалами BF70 и скреплениями «PandrolFastclip» на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» по условию устойчивости пути.

9. Определены оптимальные размеры плеча балластной призмы из условия исключения выброса пути для скоростных и высокоскоростных линий. При эпюре шпал в прямых и кривых участках пути 2000 шт./км ширина плеча должна составлять не менее 45 см.

10. Приведенная в ВСН «Ведомственные технические указания по проектированию новых железнодорожных линии колеи 1520 мм» ширина балластной призмы поверху на прямых однопутных участках должна быть на высокоскоростных линиях в размере не менее 3,85 м нельзя считать обоснованной, так как плечо балластной призмы в этом случае составляет 57,5 м (вместо требуемых 45 см). Это приводит к удорожанию строительства железнодорожного пути.

6. Установлено, что уклон неровности железнодорожного пути в плане не должен превышать i=2% ₀.

7. Установлена существенная зависимость напряжений в элементах верхнего строения пути у_iот модуля упругости подрельсового основанияU_i. Для объективной оценки расчетных и фактических напряжений необходимо экспериментальным путем установить величины этого параметра для различных условий эксплуатации. Рекомендуемая методика приведена в разделе 4.9.

8. Для принятых в расчетахпо первому варианту U_пр-л=3000 кг/см²; U_пр-з=4500 кг/см²; U_кр-л=3400 кг/см²; U_кр-з=5100 кг/см² при а_б=20/20 см при эпюре шпал от 1680 до 2000 шпал/км напряжения в резиновых прокладках, в балласте под шпалой и на основной площадке земляного полотна существенно превышают допустимые значения. При а_б=35/20 см не превышение допустимых напряжений в этом случае имеет место только при эпюре шпал 2000/2000 шпал/км и скоростях до 160 км/ч. При таких величинах U_iи толщине балласта на скоростных и высокоскоростных участках при воздействии электропоезда «Афрасиаб» необходимо устройство защитных слоёв земляного полотна из гравийно - песчаной смеси толщиной не менее 50 см.

9. Для принятых в расчете по второму варианту U_пр-л=2000 кг/см²; U_пр-з=3000 кг/см²; U_кр-л=2200 кг/см²; U_кр-з=3300 кг/см² при а_б=20/20 см при эпюре шпал 1680/1720, 1720/1840 и 1840/2000 шпал/км при скоростях 160-250 км/ч напряжения в резиновых прокладках, в балласте под шпалой и на основной площадке земляного полотна превышают допустимые значения. Не превышение допустимых напряжений в этом случае имеет место только при эпюре шпал 2000/2000 шпал/км и скоростях до 160 км/ч. При а_б=35/20 см не превышение допустимых напряжений в этом случае имеет место при эпюре шпал 2000/2000 шпал/км и скоростях до 200 км/ч. При принятых величинах U_i на высокоскоростных участках при воздействии электропоезда «Афрасиаб» необходимо устройство защитных слоёв земляного полотна из гравийно - песчаной смеси толщиной не менее 50 см.

10. Установлено, что толщина балласта на скоростных участках при воздействии электропоездов «Афрасиаб» (до 200 км/ч) и «Узбекистан» (160 км/ч) должна быть не менее а_б=35-40/20 см. Участки с меньшей толщиной балласта необходимо реконструировать.

11. На высокоскоростных участках целесообразно при толщине щебеночного слоя 40 см устройство защитных слоев из щебенисто-гравийно-песчаных смесей, укладываемого на границе щебня и естественного грунта. Толщина защитного слоя в каждом конкретном случае рассчитывается в зависимости от типа подвижного состава и эксплуатационных параметров железнодорожной линии, но должна быть не менее 50 см.

Литература

1. Приказ №70Н ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» от 05.11.1995 г. «О переходе на новую систему ведения путевого хозяйства на основе повышения технического уровня и внедрения ресурсосберегающих технологий». Ташкент, 1995.

2. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути. Ташкент, «Узбекистон темир йуллари», 2004.

3. Железнодорожный путь/под ред. Т.Г. Яковлевой. - М.: Транспорт, 2001.

4. Основы устройства и расчетов железнодорожного пути. Под ред. С.В. Амелина и Т.Г. Яковлевой. М.: Транспорт, 1990.

5. Бесстыковой путь. /Под ред. Г. Альбрехта. М.: Транспорт, 2000.

6. Шахунянц, Г.М. Железнодорожный путь: Учеб.для вузов ж.-д.трансп. - 3-е изд., перераб. и доп. / Г.М. Шахунянц - М.: Транспорт. 1987.

7. Шахунянц Г.М. К вопросу об определении эпюры давления на балласт. Труды МИИТа, вып. 45, Трансжелдориздат, 1936

8. Прокудин И.В. Прочность и деформативность железнодорожного земляного полотна из глинистых грунтов, воспринимающихвибродинамическую нагрузку: Дис…. докт. техн. наук. - Л., 1982. - 455 с.

9. Марготьев А.Н. Оценка прочности балластного слоя и земляного полотна по предельному состоянию. - М.: Транспорт, 1970. - 152 с.

10. Соловьев В.В. Размеры двухслойной балластной призмы на участках обращения поездов с осевыми нагрузками 250 - 270 кН. Дис. … канд. техн. наук. - Л., 1990. -185 с.

11. Мамажанов Р.К. и др. Определение оптимальных параметров и условий эксплуатации железнодорожного пути с железобетонными шпалами типа BF 70 и эластичными рельсовыми скреплениями «Pandrol Fastclip» на направлении Самарканд - Бухара. Ташкент, ТашИИТ 2005 г.

12. Мамажанов Р.К. Экспериментальные и эксплуатационные исследования работы железнодорожного пути с железобетонными шпалами BF70 и промежуточными рельсовыми скреплениями типа «РandrolFastclip».Ташкент, ТашИИТ 2006 г.

13. Овчинников А.Н., Мамажанов Р.К., д.т.н., Вопросы исследования поперечной устойчивости путевой решетки с железобетонными шпалами типа BF 70 и скреплениями «Pandrol Fastclip». Ташкент, ТашИИТ, 2006 г.

14. Овчинников А.Н. Перспективы применения на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» железобетонных шпал с эластичными скреплениями. Алматы, КАТиК, 2005 г.

15. Овчинников А.Н. Экспериментальные исследования работы железобетонных шпал BF70 с упругими рельсовыми скреплениями. Москва, РГУПС, 2009 г.

Размещено на Allbest.ru