Оптимизация конструкции подрельсового основания на высокоскоростных линиях ГАЖК "Узбекистон Темир Йуллари"

Вывод по результатам расчетов

Установлены следующие преимущества шпал BF70 относительно шпал типа Ш1 (ГОСТ 10629-88):

1. По критерию выносливости бетона в сжатых зонах показатели шпалы BF70 превышают аналогичные показатели шпалы Ш1:

- в подрельсовом сечении - на 82%;

- в средней части шпалы - на 104%.

2. По критерию выносливости наиболее растянутой арматуры показатели шпалы BF70 превышают аналогичные показатели шпалы Ш1:

- в подрельсовом сечении - на 3%;

- в средней части шпалы - на 21%.

3. По критерию трещиностойкости бетона в растянутых зонах показатели шпалы BF70 превышают аналогичные показатели шпалы Ш1:

- в подрельсовом сечении - на 44%;

- в средней части шпалы - на 20%.

4. Предельная поперечная сила, кН (тс) по условию трещиностойкости на нейтральной оси приведенного сечения шпалы BF70 превышают аналогичные показатели шпалы Ш1: - в подрельсовом сечении - на 16%;

- в средней части шпалы - на 60%.

В целом, по критериям выносливости и трещиностойкости шпалы BF70 существенно превышают аналогичные показатели шпалы Ш1, что определяет их более высокую надежность, а также возможность укладки и эксплуатации на скоростных и высокоскоростных линиях и на участках с повышенными осевыми нагрузками.

Выполненные расчеты подтверждаются испытаниями шпал на прочность и трещиностойкость (раздел 2.6).

2.6 Испытания шпал BF70 на трещиностойкость и прочность

Важнейшим параметром, определяющим возможность применения шпал BF70 на высокоскоростных участках является их сопротивляемость к возникновению трещин. В связи с этим для оценки трещиностойкости железобетонных шпал типа BF70 были выполнены их испытания в средней части и подрельсовом сечении (рис. 13). Методика исследований соответствовала требованиям стандартовО'zDSt EN 13230 - 1,2:2003. При этом нагружение шпал выполнялось до первой трещины (табл. 13).

Таблица 7/ Результаты испытаний шпал на трещиностойкость

Параметры	Номера шпал
	1	2	3	4	5	6
Fcon, кН	Норма	28
	Факт	52,3	54,4	53,8	-	-	-
Frr, кН	Норма	128
	Факт	-	-	-	306	294	302

Примечание. Fr_r - испытательная нагрузка при которой появляется первая трещина в подрельсовом сечении;

Fс_rn - испытательная нагрузка при которой появляется первая трещина в среднем сечении шпалы.



Рис. 12. Испытания железобетонных шпал BF70 на заводе-производителе

Выводы по результатам испытаний:

1. В результате испытаний выявлен значительный запас прочности шпал BF70 по критерию трещиностойкости, что позволяет укладывать эти шпалы на участках с повышенным динамическим воздействием.

2. Коэффициент запаса по трещиностойкости в средней части шпалы составляет Кс = 1,94 - 1,97, в подрельсовом сечении - Кr = 2,2 - 2,5.

3. Результаты контроля качества работы шпал BF70, выполняемые как в аккредитованном испытательном подразделении ДП «RWS Optimum», так и непосредственно на эксплуатируемых участках, подтверждают высокую надежность, экономичность и перспективность их применения на магистральных линиях, включая скоростные и высокоскоростные участки (200-250 км/ч).

4. Испытания бетона шпал на прочность выполнялись на кубах бетона, подвергнутых тепловлажностной обработке на технологических линиях завода-производителя железобетонных шпал - ДП «RWS Optimum». Были испытаны 4 пары кубов бетона в возрасте 28 суток (рис. 13). В результате испытаний установлено, что прочность бетона шпал значительно превышает требуемые значения (53 МПа) и составляет в среднем 72,7 МПа. Коэффициент запаса составляет 1,37.

5. Испытания шпал на прочность и трещиностойкость подтвердили высокие показания по указанным критериям и возможность их применения на скоростных и высокоскоростных линиях ГАЖК «Узбекистонтемирйуллари».

6. Расчетами бесстыкового пути на прочность и устойчивость также следует подтвердить возможность уменьшения эпюры укладки шпал BF70 на участках скоростного и высокоскоростного движения электропоездов «Афрасиаб» и «Узбекистан». Эти расчеты выполнены ниже в разделе 3.

Рис. 12. Схема испытания шпал на трещиностойкость

а) подрельсовое сечение б) среднее сечение

1 - жёсткая опора; 2 - шарнирная опора; 3 - упругая прокладка;

4 - шпала BF 70; 5 - прокладка под рельс; 6 - клин; 7 - анкер.

Fr - испытательная нагрузка на подрельсовое сечение шпалы

Fс_n - испытательная нагрузка в среднем сечении шпалы;

Lr = 60 мм расчётное расстояние между опорами при испытаниях подрельсовыхподрельсовых площадок.

Lс = 1600 мм расчётное расстояние между опорами при испытаниях средней части шпал.

3. Расчет пути со шпалами BF70 и скреплениями «Pandrolfastclip» на прочность и устойчивость при воздействии поезда «Узбекистан»

3.1 Общие положения

Расчет выполнен с целью определения оптимальных параметров укладки и эксплуатации бесстыкового пути со шпалами типа BF70 и рельсовым скреплением типа «Pandrol Fastclip» на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари», включая скоростные и высокоскоростные линии. В данном разделе устанавливаются оптимальные эпюры укладки шпал BF70 на участках скоростного и высокоскоростного движения поездов.

Расчеты пути на прочность выполняются для летних и зимних условий эксплуатации при радиусах 500, 600, 700, 800, 100, 1200, 2000 и в прямой для скоростей движения скоростного электропоезда «Узбекистан» - 120, 140 и 160 км/ч.

Результаты выполненных расчетов на скоростном участке от воздействия электропоезда «Узбекистан» сравнены с аналогичными расчетами для электропоезда «Афрасиаб» на высокоскоростных участках со скоростями движения 160, 200 и 250 км/ч (расчеты магистранта Аликперова С).

3.2 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: [15]

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 + (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, (); 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);

l - среднее расстояние между осями шпал (табл. 9);

U - модуль упругости подрельсовго основания;

v - скорость движения экипажа;

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

Таблица 8/ Расчетные коэффициенты, учитывающие состояние подрельсового основания

Обозначение расчетного коэффициента	Величина расчетного коэффициента для пути на балласте
	Песчаном	Гравий-ном	асбестовом при шпалах	щебеночном при шпалах
			Железо-бетонных	Дере-вянных	Железо-бетонных	Дере-вянных
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

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

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.

3.3 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.

3.4 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 непрснышеиия 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 приведены в табл. 11.

Таблица 11/ 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 «Узбекистон»	1900	200	2400	3400
	Вагоны	1500	1600	2000	3000
[уш]	Локомотив «Узбекистон»	12	16	20	30
	Вагоны	11	15	18	27
[уб]	Локомотив «Узбекистон»	4.0	4.2	4.5	5.0
	Вагоны	2.6	3.0	3.5	4.0
[уз]	Локомотив «Узбекистон»	1.0	1.0	1.1	1.2
	Вагоны	0.8	0.8	0.9	1.0

Примечание. *Для новостроек па 10-й год эксплуатации.

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.

3.5 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).

3.6 Выводы по результатам расчетов на прочность

Самостоятельные расчеты были выполнены для пассажирского электровоза «Узбекистан» для скоростей движения 100 - 120 - 160 км/ч (приложение 1).

Расчеты для электропоезда «Афрасиаб» расчеты были взяты из диссертации АликпероваС.

При этом были приняты следующие начальные условия, соответствующие эксплуатационным параметрам ГАЖК «Узбекистонтемирйуллари»:

1. Локомотив: Узбекистан

2. Район: Ташкентский вилоят

3. Рельсы: P65, шпалы BF70 с эпюрой1680/1720/1840/2000 шт./км

4. Температура рельса: минимальная: -30

максимальная: 64

годовая амплитуда: 94

5. Модуль упругости подрельсового основания, кг/см² (I вариант):

в прямой: - летом: 2000

- зимой: 3000

в кривой: - летом: 2200

- зимой: 3300

6. Модуль упругости подрельсового основания, кг/см² (II вариант):

в прямой: - летом: 3000

- зимой: 4500

в кривой: - летом: 3400

- зимой: 5100

7. Балласт щебеночный на песчаной подушке толщиной, см

Iвариант - 35/20 см

IIвариант - 20/20 см

8. Путь и подвижной состав находятся в исправном состоянии, отвечающем требованиям ПТЭ; колеса подвижного состава при движении не отрываются от поверхности катания рельсов (рассматривается безударное движение).

3.7 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[15].

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. 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 (2.13) 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], (16)

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 (16) 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 случае несоблюдения условия (16) необходимо решить вопрос о переходе к более мощному типу верхнего строения пути.

3.8 Результаты расчетов на прочность и устойчивость

Расчет выполнен с целью определения оптимальных параметров укладки и эксплуатации бесстыкового пути со шпалами типа BF70 и скреплениями типа «PandrolFastclip» на ГАЖК «Узбекистонтемирйуллари» при максимальных скоростях движения пассажирского электровоза «УЗБЕКИСТАН» 160 км/час.

Таблица 12. Исходные данные для расчета

Тип локомотива	«УЗБЕКИСТАН»
Расчетная скорость движения, v, км/ч	100,120,160
Тип рельса / износ, мм	Р65 / 9
Тип шпал	BF70
Эпюра шпал, Эш, шт./км: (прямая / кривая) 1680/1720; 1720/1840; 1840/2000
Тип скреплений	PandrolFastclip
Толщина балласта (щебень / песок), см	20/20; 20/35
Нагрузка от колеса на рельс, РСТ, кг	10500
Диаметр колес, см	125,0
Неподрессоренный вес на одно колесо, qК, кг	2600
Статический прогиб рессорной системы, fСТ, мм	38,9/136,7
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
Наибольшая расчетная глубина изолированной неровности на колесе, e0, см	0,047
Расстояние между осями шпал, l, см
на прямой	55
на кривой	50
Характеристика рельса:
Площадь поперечного сечения, F, см2	76,08
Момент инерции рельса, IВ, см4	2998
Момент сопротивления, WП, см3	404
zП, см	7,42
zГ, см	9,68
Площадь полушпалы, , см2	2975
Опорная площадь подрельсовой прокладки, , см2	225
Коэффициент учета боковых сил, f
- на прямом участке	1,13
- в кривых	1,21-1,69
Расчетная минимальная температура рельса, tmin	-30OC
Расчетная максимальная температура рельса, tmax	+64OС

Расчеты пути на прочность выполнены на ЭВМ для летних и зимних условий эксплуатации в прямых и кривых участках пути при скоростях движения пассажирских поездов 100; 120 и 160 км/ч.

В результате расчетов были получены следующие параметры: 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_{б и} у_опзп); допускаемые интервалы изменения температуры плети бесстыкового пути по условию прочности рельса Дtp и Дtс; температурный интервал закрепления плетей (mintз - maxtз); температурные силы в плетях Р_t. Для примера ниже приведены полученные величины P_расч и напряжений (табл. 13) при: Э_ш=1720/1840 шпал/км; U_пр-л=2000 кг/см²; U_пр-з=3000 кг/см²; U_кр-л=2200 кг/см²; U_кр-з=3300 кг/см²; толщина балласта а_б=35/20 см, минимальный радиус: 500 м (для v=100 км/ч), 700 м (для v=120 км/ч), 1200 м (для v=160 км/ч).

Полученные данные были сравнены с их допускаемыми величинами (табл. 4), в результате чего были сделаны следующие выводы:

1. Для Э_ш = 1680/1720 и 1720/1840 шпал/км при толщине балласта а_б=35/20 см и U_пр-л=2000 кг/см²; U_пр-з=3000 кг/см²:

- напряжения в рельсах значительно ниже допускаемых величин;

- напряжения в подрельсовых прокладках критичны, так как они практически равны допустимым напряжениям (Д=1-3%);

- напряжения на основной площадке земляного полотна критичны, так как они практически равны допустимым напряжениям;

- напряжения в балластном слое не являются критичными, т.к. они меньше допустимых (Д=7-14%)

2. При толщине балласта а_б=20/20 см для Э_ш = 1680/1720 и 1720/1840 шпал/км и Э_ш = 1840/2000 шпал/км:

- напряжения в рельсах ниже допускаемых величин;

- напряжения в подрельсовых прокладках и на основной площадке земляного полотна значительно превышают допустимые напряжения;

- напряжения в балластном слое не являются критичными, т.к. они меньше допустимых напряжений.

3. Возможность применения эпюры Э_ш = 1680/1720 шт./км может быть установлена после определения фактической величины U_i.

В результате расчетов также установлено, что при обращении электровоза «Узбекистан» со скоростями до 160 км/ч:

- толщина балласта должна быть не менее а_б=35/20 см. Данные ГАЖК «Узбекистонтемирйуллари» свидетельствуют о наличии большого количества участков с фактической толщиной балласта менее 35/20 см (например, 20/20 см) (табл.); такие участки подлежат реконструкции с увеличением толщины балласта;

- напряжения в элементах пути существенно зависят от величины модуля упругости подрельсового основания, фактическая величина которого должна устанавливаться в каждом конкретном случае при проведении соответствующих экспериментальных исследований.

Толщина балласта на направлении Ташкент - Самарканд



Общие выводы по диссертации

1. Настоящая диссертация посвящена исследованию и оптимизации работы современного типа шпал BF70 с упругими типами скреплений «Pandrol Fastclip» на скоростных и высокоскоростных участках ГАЖК «Узбекистон темир йуллари». Это положение определяет актуальность выполненного исследования.

2. Установлено, что в действующих нормативных документах для скоростных и высокоскоростных участков нет единого подхода к параметрам укладки и эксплуатации железобетонных шпал. Также в нормативах не учтено, что шпалы BF70 имеют значительные преимущества перед традиционными шпалами Ш1-1.

3. Был выполнен анализ конструкции железобетонной шпалы BF70 и расчет ее прочностных параметров (прочность, выносливость, трещиностойкость) и произведен сравнительный анализ шпал Ш1-1 и BF70 по следующим критериям:

3.1 Предельные изгибающие моменты по условию:

- выносливости бетона в сжатых зонах шпалы;

- выносливости наиболее растянутой арматуры;

- трещиностойкости бетона в растянутых зонах шпалы;

3.2 Предельных поперечных сил по условию трещиностойкости на нейтральной оси приведенного сечения шпалы BF70.

В результате расчетов было установлено, что по всем перечисленным в пункте 3 параметрам шпалы BF70 значительно превосходят шпалы Ш 1-1 (в среднем на 30-40%).

4. В результате испытаний шпал на трещиностойкость в аккредитованной лаборатории был выявлен значительный запас шпал BF70 по критерию трещиностойкости. Коэффициент запаса по трещиностойкости в средней части шпалы составляет К _ср = 1,94 - 1,97, в подрельсовом сечении - К _подр= 2,2 - 2,5.

5. В результате испытаний бетона шпал на прочность установлено, что прочность бетона шпал значительно превышает требуемые значения (53 МПа) и составляет в среднем 72,7 МПа. Коэффициент запаса составляет от 1,32 до 1,54.

6. Выполненные расчеты и экспериментальные исследования подтвердили значительные преимущества шпалы BF70 относительно шпал Ш1-1 и определили возможность исследования уменьшения эпюры их укладки на участках скоростного и высокоскоростного движения поездов. Для этого были выполнены комплексные расчеты пути со шпалами BF70.

7. В диссертации впервые выполнен расчет бесстыкового пути со шпалами BF70 и скреплениями «Pandrol Fastclip» на прочность и устойчивость при воздействии поезда «Узбекистан» на скоростных участках. Расчет был сравнен с результатами аналогичных расчетов под воздействием электропоезда «Афрасиаб» на высокоскоростных участках (магистрант Аликперов С), (скорости - до 160 км/ч). Расчеты выполнены с целью определения оптимальных параметров укладки и эксплуатации бесстыкового пути со шпалами BF70 на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари», включая скоростные и высокоскоростные линии.

8. В результате расчетов установлено, что воздействие электропоезда «Узбекистан» на скоростных участках при скоростях 160 км/ч достаточно близко к аналогичным показателям от воздействия электропоезда «Афрасиаб» на высокоскоростных участках при скоростях до 250 км/ч. И в том и другом случае динамическая сила воздействия от колеса на рельс находится в пределах 21 - 23 т.

9. Данные ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» свидетельствуют о наличии большого количества участков со шпалами BF70, где фактическая толщина балласта менее 35/20 см (например, 20/20 см), табл. 13.

10. В результате расчетов установлено, что при такой толщине балласта (а_б=20/20 см) и для Э_ш = 1680/1720 и 1720/1840 шпал/км и Э_ш = 1840/2000 шпал/км:

- напряжения в рельсах ниже допускаемых величин;

- напряжения в балластном слое не являются критичными, т.к. они меньше допустимых напряжений.

- напряжения в подрельсовых прокладках и на основной площадке земляного полотна значительно превышают допустимые напряжения. Такие участки требуют немедленной реконструкции с увеличением толщины балластного слоя независимо от эпюры шпал.

11. При толщине балласта а_б=35/20 см и эпюре шпал Э_ш = 1680/1720 и 1720/1840 шпал/км и при U_пр-л=2000 кг/см²; U_пр-з=3000 кг/см²:

- напряжения в рельсах значительно ниже допускаемых величин;

- напряжения в подрельсовых прокладках критичны, так как они практически равны допустимым напряжениям (Д=1-3%);

- напряжения на основной площадке земляного полотна критичны, так как они практически равны допустимым напряжениям;

- напряжения в балластном слое не являются критичными, т.к. они меньше допустимых (Д=7-14%).

Такие участки возможно эксплуатировать при Э_ш = 1680/1720 и 1720/1840 шпал/км при постоянном контроле всех параметров рельсовой колеи и земляного полотна.

12. Притолщине балласта а_б=35/20 см и U_пр-л=3000 кг/см²; U_пр-з=4500 кг/см², для Э_ш = 1680/1720 и 1720/1840 шпал/км, Э_ш = 1840/2000 шпал/км и Э_ш = 2000/2000 шпал/км:

- напряжения в рельсах ниже допускаемых величин;

- напряжения в балластном слое не являются критичными, т.к. они меньше допустимых напряжений.

- напряжения в подрельсовых прокладках и на основной площадке земляного полотна значительно превышают допустимые напряжения;

Такие участки требуют реконструкции с увеличением толщины балластного слоя независимо от эпюры шпал.

13. В результате выполненного исследования установлена значительная зависимость напряжений в элементах верхнего строения пути от модуля упругости подрельсового основания. Поэтому важно установить фактическую величину этого показателя на конкретных участках ГАЖК «УТЙ» со шпалами BF70 и скреплениями.

14. При U_пр-л=2000 кг/см²; U_пр-з=3000 кг/см²; U_кр-л=2200 кг/см²; U_кр-з=3300 кг/см² на скоростных участках при воздействии электропоездов «Узбекистан» и «Афрасиаб» возможен переход с эпюры шпал Э_ш = 2000/2000 шпал/км на эпюру шпал Э_ш = 1720/1840 шпал/км (или Э_ш = 1840/2000 шпал/км). При этом экономия составит от 160 до 280 шпал на каждый километр (от 17 000 до 30 000 тыс. долларов США на км).

15. При U_пр-л=2000 кг/см²; U_пр-з=3000 кг/см²; U_кр-л=2200 кг/см²; U_кр-з=3300 кг/см² на высокоскоростных участкахпри воздействии электропоезда «Афрасиаб» также возможен переход с эпюры шпал Э_ш = 2000/2000 шпал/км на эпюру шпал Э_ш = 1720/1840 шпал/км (или при контроле состояния рельсовой колеи и земляного полотна на эпюру Э_ш = 1840/2000 шпал/км). При этом экономия также составит от 160 до 280 шпал на каждый километр (от 17 000 до 30 000 тыс. долларов США на км).

Приведенные выше выводы определяют систему рационального использования шпал BF70 с упругими типами скреплений «Pandrol Fastclip» на скоростных и высокоскоростных участках ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» и рекомендуются к внедрению.

Список использованных источников

1. Золотарский А.Ф., Евдокимов Б.А., Исаев Н.М. и др, 1980 г. Железобетонные шпалы для рельсового пути. М., Транспорт, 1980.

2. Технологическая инструкция по производству предварительно напряженных железобетонных моноблочных шпал ТИ 64-21468397-01:2007. Рабочие чертежи шпалы BF70. Ташкент, ДП «RWS Optimum», 2007.

3. Овчинников А.Н. Экспериментальные испытания железобетонных шпал типа BF70 на трещиностойкость. Ташкент, ТАСИ, 2007 г.

4. ГОСТ 10629-88 «Шпалы железобетонные предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520 мм.» Технические условия. Москва, 1988.

5. O'zDSt EN 13230-1,2:2003. Шпалы и брусья бетонные для применения на железнодорожных путях. Ташкент, Государственный комитет РУз по архитектуре и строительству, 2003.

6. Методика оценки воздействия подвижного состава на пути по условиям обеспечения его надежности. №ЦПТ-52/14. Утв. 16.06.2000 г.

7. ВСН 450-Н «Ведомственными техническими указаниями по проектированию и строительству. Железные дороги колеи 1520 мм». Ташкент, ГАЖК «УТЙ», 2012.

8. ВСН 448-Н «Инфраструктура высокоскоростной железнодорожной линии Ташкент - Самарканд. Общие технические требования». Ташкент, ГАЖК «УТЙ», 2012.

9. ВСН «Ведомственные технические указания по проектированию. Железные дороги колеи 1520 мм». Ташкент, ГАЖК «УТЙ»

10. NЦРБ-393. Инструкция по техническому обслуживанию и эксплуатации сооружений, устройств, подвижного состава и организации движения на участках обращения скоростных пассажирских поездов. МПС, 1996.

11. Лехно И.Б. и др. Путевое хозяйство: Учебник для вузов ж.-д. трансп./ И.Б. Лехно, С.М. Бельфер, Э.В. Воробьев и др.; Под ред. И.Б. Лехно. - М.: Транспорт, 1990. - 472 с.

12. Технологические процессы ремонта бесстыкового пути на железобетонных шпалах. М., Транспорт, 1973. - 320 с.

13. Крейнис З.Л., Коршикова Н.П. Техническое обслуживание и ремонт железнодорожного пути: Учебник для техникумов и колледжей железнодорожного транспорта. М.: УМК МПС России, 2001. - 768 с.

14. Тихомиров В.И. Содержание и ремонт железнодорожного пути / Учебник для техникумов. - М.: Транспорт, 1987. - 336 с.

15. Овчинников А.Н. Шпалы BF70 с упругими скреплениями на дорогах Узбекистана / А. Овчинников, А. Расулев, З. Фазилова // Путь и путевое хозяйство. - 2008. - №7. - с. 35-36.

16. Гасанов А.И. Несущая способность подрельсового основания в сложных условиях / Путь и путевое хозяйство. - 2008. - №7. - с. 37-38.

17. Щахунянц Г.М. Железнодорожный путь. Изд. 3, перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1987.

18. Крейнис З.Л., Селезнева Н.Е. Бесстыковый путь. Как ремонтировать Бесстыковый путь: Учеб.пособие / под ред. З.Л. Крейниса - М.: Маршрут, 2005. - 123 с.

19. Каменский В.П., Шац Э.Я. Содержание железнодорожного пути в кривых. - М.: Транспорт, 1987. - 189 с.

20. Нишанбаев Ш. Применение упругих скреплений на железобетонных шпалах: Дис. магистра. - Т., 2002.

21. Блохин К.А., Пашинин С.Л. Ремонт железнодорожного пути. М.: Транспорт, 1987. - 360 с.

22. Устройство, ремонт и текущее содержание железнодорожного пути: /Учебник для ПТУ/ С.В. Амелин, М.П. Смирнов. В.И. Рязанцев, В.И. Ярохно/; под ред. С.В. Амелина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1991. - 272 с.

23. Путевое хозяйство: Учебник для вузов ж.-д. транспорта/ Альбрехт В.Г., Лидерс Г.В. и др.; Под ред. М.А. Чернышева. - М.: Трансжелдориздат, 1959. - 435 с.

24. Устройство, содержание и ремонт железнодорожного пути: Учебник для техн. школ ж. - д. транспорта/ 4-е перераб. изд. - М.: Транспорт, 1974.

25. Фришман М.А. и др. Конструкция железнодорожного пути и его содержание/ М.А. Фришман. Н.А. Понамаренко. С.И. Финицкий. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1987. - 351 с.

26. Рельсы железнодорожные новые сварные. Технические условия ТУ 0921-057-01124328-98 (взамен ТУ 32 ЦП-560-93). Рельсы железнодорожные старогодные отремонтированные сварные. Технические условия ТУ 0921-077-01124328-99 (взамен ТУ 32 ЦП-561-93) / МПС России. М.:Транспорт, 1999. 55 с.

27. Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути / МПС России. М.:Транспорт, 2000. 96 с.

28. Технические условия на работы по ремонту и планово-предупредительной выправке пути / МПС России. М.:Транспорт, 1998. 188 с.

29. Руководство по установке рельсовых скреплений

30. Современные рельсовые скрепления./ЖДМ - online / Информационная служба журнала <Железные дороги мира>. - 1998. - №5. / Kramer. Railway Track & Structures, 1998, №6, p 41 - 47.

31. Рельсовые скрепления для современных условий эксплуатации /ЖДМ - online / Информационная служба журнала <Железные дороги мира>. - 2002. - №11. / T. Judge. RailwayTrack&Structures, 2000, №6, p. 49 - 53

Размещено на Allbest.ru