Баласт виконує двояку роль: він служить подушкою шляху і дренирующим шаром для відведення дощової води з полотна. Зазвичай якнайкращим баластом вважається щебінь з твердих скельних порід, роздроблених на шматки розмірами близько 5 см, але як баласт можна використовувати також відходи гірничодобувної промисловості, гальку, гравій і інші подібні матеріали.

У результаті верхній будові додається деяка пружність, завдяки чому рейковий шлях при русі по ньому потягів злегка зміщується вгору-вниз, подібно до пружини. Проте на станціях, в тунелях і на мостах рейковий шлях укладається на жорстку підставу із сталі або бетону.

Ширина рейкової колії. Ширина колії не одна і та ж всюди. Стандартна колія шириною 1,435 м прийнята майже скрізь в Північній Америці і на основних залізничних магістралях країн Західної Європи. Вона ж характерна для Китаю і багатьох інших районів миру. Різновиди широкої колії (з відстанню між рейками шляху від 1,52 до 1,68 м) типові для республік колишнього СРСР, Аргентини, Чилі, Фінляндії, Індії, Ірландії, Іспанії і Португалії. Шляхи з вужчою колією (від 0,6 до 1,07 м) звичайні для Азії, Африки, Південної Америки, а також для другорядних залізниць Європи, особливо в гористій місцевості, і доріг лісовозів Росії.

2.1 Дефекти осей колісних пар

Дефекти, що виникають в осях колісних пар протягом терміну їх служби, можуть бути класифіковані по двох групах.

Дефекти першої групи- виробничі; їх запобігання досягається шляхом вдосконалення технологічних процесів і контрольних операцій на підприємстві-виробнику. Дефекти другої групи- експлуатаційні пошкодження, в основному втомного характеру; запобігти їм, в принципі, не можна, але можна своєчасно виявляти в процесі огляду із застосуванням методів неруйнівного контролю до того, як вони досягнуть небезпечної стадії розвитку.

Поєднання профілактичних заходів, здійснюваних в процесі виготовлення і експлуатації (технічного обслуговування), до теперішнього часу в основному забезпечувало безпеку руху. Проте бажання понизити експлуатаційні витрати хоч би за рахунок збільшення міжремонтних пробігів ставить проблеми глибшого вивчення причин виникнення що підлягають усуненню дефектів. Перша проблема стосується корозійних пошкоджень, ефективним способом запобігання яким є нанесення захисного лакофарбного покриття, друга поверхневих пошкоджень, найчастіше виникаючих унаслідок ударів частинок баласту, вірогідність яких зростає у міру зростання швидкості руху потягів.

Визначено два напрями вирішення другої проблеми. Як одне з них розглядають механічний захист (прикриття) осей від вказаних дій. Практичні способи захисту існують, але вони, з одного боку, утрудняють огляд і технічне обслуговування осей, з іншого боку, немає гарантії в тому, що вони надійні у випадках особливо сильних точкових ударів. Отже, викликає цікавість інший напрям- вивчення впливу ударів на цілісність осі для кращого розуміння закономірностей розвитку пошкоджень в цілях його прогнозування і контролю.

Дані дослідження були присвячені впливу надрізів, що виникають в результаті ударів частинок баласту, на зародження і розвиток тріщин в металі осі.

Характер ударних навантажень

В процесі численних спостережень під мікроскопом поверхні осей з надрізами від ударів частинок баласту встановлена різноманітність конфігурацій надрізів. Сліди від більшої частини ударів мають вид численних подряпин і вибоїн невеликої глибини, тоді як від інших, спостережувані рідше, - надрізів завглибшки до 2 мм складної форми з гострими кутами. Більш того, у випадках найбільш сильних ударів виявлявся феномен адіабатичного зрізу, явища того ж типу, що має місце при випробуваннях броньової сталі шляхом обстрілу з дуже високою швидкістю (de/dt = 104 ? 105 с-1). Це доводить, що вісь може піддаватися таким інтенсивним ударним навантаженням, в результаті яких відбуваються квазіадіабатичні деформації.

В ході спостережень визначено багато параметрів мікронадрізів, що впливають на характер тріщіноутворення. До цих параметрів відносяться глибина і профіль мікронадрізу, від яких залежить розподіл напруги, ступінь холодної спайки і наявність смуг адіабатичного зрізу.

В зв'язку з цим цікаво відзначити, що виникнення мікронадрізу від удару з великою швидкістю супроводжується двома протилежно діючими ефектами. Холодний наклеп і залишкова напруга стиснення в зоні мікронадрізу уповільнюють розвиток тріщини, а концентрація напруги в осі, навпаки, прискорює його.

Сильні удари сприяють початку втомного тріщиноутворення, і тому, очевидно, необхідно знайти відповідь на наступне питання: якщо вісь піддається ударам і зона ударної дії не співпадає з місцеположенням тріщин, які можна виявити методами неруйнівного контролю (дефектоскопії), вживаними при огляді, чи можна гарантувати безпеку експлуатації до найближчого заходу на технічне обслуговування.

Це питання вимагає глибших знань в трьох наступних аспектах:

· визначення умов початку виникнення тріщин;

· оцінка впливу мікронадрізів на розвиток тріщин;

· оцінка темпів розвитку тріщин з урахуванням того, що реальний термін служби осей по пробігу приблизно рівний трьом циклам технічного обслуговування і ремонту.

Виникнення тріщин

Виникнення тріщин під впливом тривалих навантажень розглядали як результат концентрації напруги унаслідок экструзії/інтрузії смуг постійного ковзання (Рис. 1).

Рис. 1. Схема утворення інтрузій/экструзій на поверхні металу

Дослідження дозволили визначити декілька стадій процесу:

· утворення смуг постійного ковзання в зернах фериту;

· поява экструзії/інтрузії;

· виникнення уздовж інтрузій мікротріщин і не зв'язаних між собою тріщин невеликої довжини;

· розвиток тріщин переважний в зернах фериту уздовж інтрузій в кожному зерні або уздовж меж між зернами фериту і перліту.

Розвиток в основному відбувається під кутом 45° щодо напряму максимальної напруги вигину.

Потім, починаючи з певної довжини, відбувається злиття коротких тріщин в довгі, які розвиваються перпендикулярно напряму максимальної напруги і упоперек зерен перліту.

Одним із завдань досліджень було визначення межі між стадіями зародження і розвитку тріщин в сталях, вживаних для виготовлення осей.

Експерименти проводили на відшліфованих випробувальних зразках , на яких зручно відстежувати виникнення первинних коротких тріщин і відповідно початку стадії розвитку їх перетворення на довгі з одночасним визначенням глибини тріщин по їх формі.

Спостереження за тріщинами з вимірюванням їх довжини в ході досліджень здійснювали за допомогою електронного мікроскопа по методу реплікації. Довжину можна співвіднести з глибиною, визначуваною після шліфовки в різних місцях по фронту тріщини. Крім того, виконуючи мікроскопічні зрізи, можна візуально прослідкувати еволюцію орієнтації тріщин.

Результати досліджень дозволили встановити граничну глибину тріщини 300 мкм, після якої починається стадія розвитку.

Слід зазначити, що до вказаного значення глибини тріщини практично не піддаються виявленню засобами дефектоскопії. Отже, можна припустити, що осі, на яких в процесі поточного огляду дефекти не виявлені, все ж таки можуть мати тріщини, що знаходяться на стадії виникнення або на переході до стадії розвитку.

Вимоги до земляного полотна

Необхідність підвищення пропускної спроможності залізничних ліній, а також збільшення частки залізничного транспорту в перевезеннях пред'являє підвищені вимоги до інфраструктури і, зокрема, до земляного полотна.

Регламентуючі документи

Проектування, будівництво і технічний зміст земляного полотна в Німеччині здійснюють відповідно до норм DS 836. Геотехнічні вимоги в цій інструкції відносяться виключно до шляху на баласті, причому вони дані для двох діапазонів швидкості: до 160 км/г і більше 160 км/г. Ці вимоги повинні виконуватися як при реконструкції тих, що існують, так і при будівництві нових ліній на баластній підставі для швидкісного руху.

Геотехнічні вимоги до земляного полотна безбаластного шляху містяться у відповідному каталозі, який є доповненням до DS 836. На Державних залізницях Німеччини (DBAG) крім цього введені додаткові технічні умови і рекомендації по виконанню земляних робіт.

Вимоги, обумовлені динамічними навантаженнями

На земляне полотно і розташований під ним грунт діють статичні і динамічні навантаження. Вплив статичних навантажень відомий; динамічні навантаження, що викликають значну додаткову напругу в земляному полотні і грунті, залежать від різних чинників, а саме: від вигляду і технічного стану верхньої будови шляху, виду грунту і його шаруватості, типу рухомого складу і його стану, швидкості руху потягів і т.п.

Результати вимірювань показують, що стискуюча напруга в безбалластном шляху значно нижча, ніж в дорозі на щебеневому баласті (мал. 1).

Вплив швидкості, тобто частка динамічної напруги, в дорозі на баласті виражена значно сильніше. При швидкості 300 км/г в земляному полотні може виникати стискуюча напруга до 100 кН/м2^.

Іншим, не менш важливим критерієм є динамічна стабільність земляного полотна, що визначає об'єм робіт по його поточному змісту (таблиця).

Динамічна складова навантаження, що враховується коефіцієнтом Kdyn, зростає з підвищенням швидкості. При 300 км/г вона вища, ніж при 100 км/г, на 30 % в дорозі на жорсткій підставі і на 100 % на баластному.

Таким чином, при високій швидкості руху можливість застосування шляху на баласті обмежується за умовами механіки грунтів. Одна з причин цього - звуження зони розподілу стискуючої напруги під шпалами, що неминуче приводить до підвищення їх величини. Якщо додається ще і високий рівень грунтових вод, то земляне полотно досить швидко може прийти в стан, близький до критичного.

Геотехнічні вимоги

До несучих шарів земляного полотна пред'являють певні вимоги відносно розмірів, виду грунту, його щільності і водопроникності. При цьому завжди слід віддавати перевагу земляному полотну і грунту, що володіє рівномірно розподіленою несучою здатністю і щільністю, тим більше що існує метод проведення земляних робіт з суцільним динамічним контролем ущільнення (FDVK), що дозволяє виявити дефектні місця.

Жорстка підстава безбаластного шляху створює інші (в порівнянні з баластним) умови навантаження розташованих під ним шарів грунту. У зв'язку з цим до них пред'являються інші вимоги, зокрема, потрібна мінімальна деформованість. На нових лініях, що реконструюються, є відмінності як в товщині захисних шарів, так і у вимогах до несучої здатності і щільності.

Порівняння геотехнічних вимог до баластних і безбаластних шляхів стосовно нових ліній, що реконструюються, показало, що до шляху на жорсткій підставі вимоги значно вищі.

2.2 Дослідження напруженого стану плями контакту колеса і рейки

Взаємодія колеса і рейки є фізичною основою руху рухомого складу по залізницях. Від параметрів цієї взаємодії багато в чому залежать безпека руху і основні техніко-економічні показники господарств шляху і рухомого складу. Так, зокрема, втрати енергії, обумовлені зношуванням в системі колесо-рейка, складають 10% - 30% паливно-енергетичних ресурсів, що витрачаються на тягу. Крім того, витрати на реновацію рейок і колісних пар складають чималу частину загальних витрат дистанцій шляху і локомотивних і вагонних депо відповідно. Особливо великі витрати у зв'язку з цими витратами несуть локомотивні депо, оскільки за останні півстоліття середній термін служби локомотивної колісної пари істотно скоротився.

Серед причин, що викликали в 60-х - 80-х роках минулого сторіччя значне зростання інтенсивності зношування колісних пар, слід зазначити заміну самшитових підшипників ковзання підшипниками кочення, збільшення довжини і маси потягів, звуження колії до 1520 мм, введення профілю рейок (1979г.), що передбачає двоточковий контакт бандажа з головкою рейки та інші. Все це в сукупності призвело до істотної зміни навантаження зони контакту, температури і умов змазування в цій зоні, а також до зміни середньостатистичній швидкості ковзання колеса в поперечному щодо головки рейки напрямі. Результатом цих змін стало істотне зростання інтенсивності зношування коліс рухомого складу, яке, у свою чергу привело до катастрофічних результатів для локомотивного господарства: до кінця дев'яностих років витрати на реновацію колісних пар досягли неприпустимо великих розмірів.

На мал. 1. і 2. представлені графіки заповнення мережі залізниць Росії загартованими рейками [1] і діаграми структури обточувань колісних пар по експлуатаційному парку локомотивів на мережі залізниць Російської Федерації за 1999 і 2002 рр. [2].

Рис.2 - Заповнення мережі залізниць Росії загартованими рейками

Рис.3 - Структури обточувань колісних пар по експлуатаційному парку

локомотивів на мережі залізниць Російської Федерації за 1999 і 2002 рр.

З порівняльного аналізу діаграм очевидно, що одночасно із зростанням питомої ваги об'ємно загартованих рейок зростає і частка обточувань по зносу гребеня. Така інтенсивність зносу викликала зростання експлуатаційних витрат в локомотивному і вагонному господарствах, пов'язаних з позаплановими обточуваннями колісних пар, додатковим придбанням нових бандажів і коліс.

Відзначимо, що обточування коліс, досягши товщини гребеня мінімального значення, пов'язане із зрізом більшого об'єму металу (так званий технологічний знос) з поверхні катання. Це істотно скорочує термін служби бандажа Рис.4.

Рис.4- Профіль зносу гребеня:

а - профіль зносу 1960 р., б - профіль зносу 1986 р.

З метою зниження інтенсивності зношування КП до прийнятних значень останніми роками проводиться ряд заходів технічного і організаційно-технологічного характеру [3] (поліпшення конструкції шляху і рухомого складу, вдосконалення геометрії профілю поверхні катання КП і рейок, підвищення якості їх металу і т.д.). На жаль жодне з цих заходів в повному об'ємі проблеми не вирішило.

Кардинальне рішення питання може бути знайдене тільки на базі використання наукових знань в області взаємодії пари колесо-рейка. Необхідне проведення науково обгрунтованої модернізації колісних пар з одночасною розробкою заходів, що забезпечують ефективну експлуатацію і ремонт модернізованих колісних пар.

До технологічних заходів щодо зниження зносу бандажів колісних пар локомотивів відносяться наступні заходи: дослідження процесу взаємодії колеса з рейкою і дія на чинники, що впливають на швидкість зношення бандажа, конструктивні заходи щодо підвищення ресурсу, технологічні методи зміцнення бандажів, зменшення тертя між бандажем і рейкою, контроль і прогнозування технічного стану і ін. (Рис.5.).

Рис.5- Заходи щодо зниження зношення бандажів колісних пар

На зносостійкість пари “колесо - рейка” за даними [4] впливають: твердість матеріалу бандажів, рейки, вміст вуглецю, структура металів і вміст сірки. Твердість металу є одним з найбільш важливих чинників, які впливають на зношення коліс рухомого складу. Впровадження за останнє десятиліття термічної обробки рейок і додання їм твердості 360 НВ безперечно зіграло важливу роль в поліпшенні роботи залізниць. Проте із зміною твердості рейок заходів по підвищенню твердості бандажів зроблено не було. В результаті відношення твердостей сталі колеса і рейки стало 0,75, це істотно змінило характер зносу в парі “колесо - рейка”. У дослідженнях Вніїжта [4], [5] 1960 - 1990х років наголошувалося, що для рівної зносостійкості відношення твердості колісного зразка до твердості рейкового зразка повинне бути близько 1,2 при прослизанні до 1%, а при прослизанні до 10% - 1,0 - 1,1.

Таким чином, встановлення оптимальної твердості поверхні катання колеса є складним завданням, рішення якого повинне здійснюватися системно з обліком, різних параметрів, а величина твердості поверхні катання коліс на сьогоднішній час обмежена величиною .

Розробка ефективних методів зниження ступеня зносу залежить від наявності методик дослідження, оцінки параметрів контактної взаємодії пари “колесо - рейка” за допомогою чисельних методів.

Завдання контакту кочення двох пружних тіл, що мають однакові характеристики пружності, як для колеса і рейки, може бути представлене роздільно у вигляді нормального і тангенціального завдань. Мета першого завдання полягає у визначенні розміру і форми площадки контакту, а також розподіли нормальної контактної напруги. Результати вирішення нормальної задачі використовуються для знаходження рішення тангенціальною, такою, що полягає в знаходженні розподілу дотичної напруги і моменту в зонах зчеплення і прослизання контактної площадки.

Г. Герц дав перше надійне математичне рішення нормальної задачі. Відстань між недеформованими тілами може бути знайдена геометрично, якщо відомі радіуси кривизни тіл в точці контакту. Пружні властивості колеса і рейки, що описуються коефіцієнтом Пуассона і модулем пружності, вважаються однаковими. Якщо тіла навантажені нормальною силою, з'являється зона контакту еліптичної форми з великою напіввіссю у напрямі подовжньої осі рейки представленою на Рис.6.

Рис.6 - Розподіл нормальної герцевської напруги на площадці контакту

Максимальна контактна напруга може бути розрахована по формулі:

(1)

де еквівалентний радіус, залежний від характерних радіусів взаємодіючих тіл (колеса і рейка) в місці контакту.

Таким чином, нормальна напруга на поверхнях катання рейки і колеса залежить від навантаження від колеса на рейку, радіусів поверхонь катання колеса і рейки, властивостей взаємодіючих матеріалів.

Слід мати на увазі, що контактна теорія Герца справедлива при наступних допущеннях:

контактуючі поверхні однорідні і ізотропні;

сили тертя в зоні контакту не діють;

розмір контактної площадки малий в порівнянні з розмірами контактуючих тіл і характерними радіусами кривизни недеформованих поверхонь;

для контактного завдання використано вирішення лінійного пружного напівпростору;

контактуючі поверхні гладкі.

При русі екіпажу положення колісної пари по відношенню до рейок істотно міняється, приводячи до виникнення різних поєднань контактних зон колеса і рейки.

Навіть за умови постійного осьового навантаження нормальна напруга істотно мінятиметься внаслідок відмінності в радіусах кривизни контактуючих поверхонь цих зон.

Якщо в області контакту має місце один радіус кривизни поверхні, можна використовувати рішення Герца. Якщо в області контакту є два або декілька радіусів кривизни, наприклад і  (Рис.7.), рішення Герца несправедливе, і для визначення майданчика контакту слід використовувати негерцівське рішення. Це особливо важливо при різноманітних поєднаннях зношених профілів колеса і рейки.

При знаходженні нормальної контактної напруги для неконформного негерцівського контакту використовуються різні методи і програми. Зокрема, повне розв'язання негерцевскої задачі може бути знайдене за допомогою програми CONTACT [6]. Проте через те, що вирішення задачі за допомогою цієї програми вимагає великого часу, запропоновані різні варіанти наближеного розв'язання негерцівської задачі. Наприклад, з використанням методу апроксимації негерцівській геометрії еліпсами отримані результати, в достатній мірі що узгоджуються з точним рішенням (Рис.7.) [7].

Інший підхід, що використовується для знаходження контактної напруги між зношеним колесом і рейкою, полягає в моделюванні контактуючих тіл з використанням пружної підстави, при якій деформація поверхонь пропорційна нормальній контактній напрузі [8]. Отримана при цьому максимальна контактна напруга буде в 1,3 більше, ніж при герцівському розв'язанні. Розмір площадки контакту і розподіл нормальної напруги залежать від нормального навантаження, що діє від колеса на рейку, профілів колеса і рейки, поперечного і кутового положення колісної пари на рейках і подуклонки рейок.

Рис.7 - Геометрія контакту колеса і рейки:

  осі системи координат; характерні радіуси ( - радіус профілю колеса)

Рис.8 - Форма площадки контакту і розподіл тиску:

Колісна пара може контактувати з рейкою в двох різних точках [9]. Двоточковий контакт приводить до утворення двох площадок контакту: А на поверхні катання рейки і В на бічній поверхні головки рейки в районі викружки (Рис.9.,а). Внаслідок того що колісна пара при русі в кривій переміщається з деяким кутом набігання а, площадка контакту В зрушена вперед (мал. 8.,б). Збільшення кута набігання приводить до збільшення відстаней між площадками контакту (забігу) і до миттєвої осі обертання колісної пари і тим самим до зростання відносного прослизання і тангенціальної сили, що з ним зв'язана. У зоні того, що стосується гребеня колеса і робочої грані головки зовнішньої рейки рівень розрахункової контактної напруги може досягати 3000 Мпа.

При контакті сильно зношеної рейки з новим або зношеним колесом змінюється форма області розподілу тиску. Розмір площадки контакту істотно зменшується, він зрушується до зовнішньої поверхні зовнішньої рейки, приводячи до збільшення контактного тиску, рівень якого може досягати межі текучості, що викликає пластичну деформацію головки рейки.

Рис.9 - Положення і розміри контактних майданчиків при двоточковому контакті колеса і рейки :

а) А, В - точки контакту колеса з рейкою; осі координат кут набігання колеса на рейку; кут подуклонки рейки; вектор швидкості руху колісної пари б) А, В - майданчики контакту; I, II, III - області контакту; радіуси кривизни головки рейки

Зазвичай контактна напруга на поверхні катання (область А) колеса вантажного вагону знаходиться в межах 1300 - 1700 Мпа. Збільшення осьового навантаження приводить до зростання контактної напруги пропорційно до її величини (див. формулу 1).

Якщо поверхня катання колеса має прокат з поперечним профілем, що утворився, це призводить до істотного збільшення контактного тиску, який може мати місце по обох сторонах цього профілю. Так, при величині прокату профілю 2 мм розрахункова контактна напруга на обох краях може досягати 6000 Мпа, що свідчить про значний пластичний перебіг матеріалів.

Висока контактна напруга виникає у випадках, якщо профіль колеса своїм зовнішнім краєм спиратиметься на рейку або контактна зона не досягає зовнішнього краю колеса, приводячи до виникнення виступу (фальшивого гребеня) в області зовнішньої частини поверхні катання колеса.

Величина і розподіл контактної напруги істотно залежать від профілів колеса і рейки і від того, який має місце контакт: одноточковий або двоточковий. При конформному профілі розмір площадки контакту збільшується, приводячи до зменшення рівня контактної напруги в порівнянні з неконформними профілями.

Таким чином для оцінки загального напруженого стану в парі колесо-рейка досить вирішити завдання Герца для одноточкового контакту бандажа і рейки. Вирішення задачі проводилося в програмному комплексі ANSYS.

При побудові моделі “колесо - рейка” і проведенні розрахунків розглядався тип рейки Р65 по ГОСТ 18267 - 82, і бандаж ГОСТ 398 - 96, при цьому розглядався незношений профіль бандажа і рейки. Механічні властивості бандажа і рейки, що використовуються для розрахунку представлені в таблиці 1.

Таблиця 1

Механічні властивості бандажа і рейки

Схема сил, що завантажують колісну пару, представлена на малюнку 9.

Рис.10. Схема сил, що завантажують колісну пару

У глобальній декартовій системі координат проводилося розбиття колісної пари на тетраедричні кінцеві елементи. Кінцево елементна сітка представлена на Рис11.

Рис.11. Кінцево елементна модель пари “Колесо - рейка”

На Рис.12 представлена эпюра розподілу напруги в парі “колесо - рейка”.

Рис.12. Эпюра розподілу напруги в контакті пари “Колесо - рейка”

При розрахунку було виявлено, що в зоні контакту на поверхні катання колеса напруги досягають значних величин, але вони локалізовані в межах невеликої області. Розмір цієї області порівняємо з розміром плями контакту.

2.3 Оцінка пропускної спроможності залізничної ділянки, що потенційно реалізовується

Важливим показником експлуатаційної роботи залізничної ділянки є пропускна спроможність, визначувана мінімальним, таким, що реалізовується при відповідній системі забезпечення безпеки руху (СЗБР) інтервалом попутного проходження потягів. Методика розрахунку даного інтервалу для різних елементів залізничної ділянки при існуючих СЗБР викладена в спеціальних інструкціях. Проте доцільно оцінити величину мінімального інтервалу попутного проходження потягів, що реалізовується, забезпечуваної при устаткуванні ділянки деякій ідеальною СЗБР, в якій управління поїздом здійснюється на підставі отримання в кожній точці шляху у будь-який момент часу точної інформації про координату, швидкість проходження і шляху екстреного гальмування складу, що йде попереду. Розрахована для ідеальної системи величина інтервалу міжпотягу, а отже, і пропускна спроможність, що потенційно реалізовується, є еталоном при оцінці експлуатаційних показників залізничної ділянки і якості управління в тих, що існують і СЗБР, що розробляються. Завданню визначення інтервалу міжпотягу, що потенційно реалізовується, для різних елементів залізничної ділянки присвячені роботи [1...3]. У даній роботі вирішення вказаної задачі, а також оцінку пропускної спроможності, що потенційно реалізовується, в різних точках залізничної ділянки пропонується здійснювати з використанням спеціальних математичних моделей.

При організації безупинного руху потягів через довільно узяту точку залізничної ділянки можна розглядати як формування в ній послідовності імпульсів з тривалістю Тп, визначуваною довжиною складу l і швидкістю V його проходження.

Період проходження імпульсів обернено пропорційний середньому значенню швидкості складу на даному інтервалі:

(3)

При устаткуванні ділянки ідеальної СЗБР, що передбачає управління по координаті кінця потягу, що йде попереду, і використання рівносповільненої моделі службового гальмування, мінімальна можлива відстань між двома поїздами може бути обчислено за формулою:

(4)

де а -- розрахункова величина уповільнення складу на даній ділянці.

Процес формування імпульсів при постійній швидкості V руху потягів по даній ділянці може бути описаний математичною моделлю, представленою на мал. 1, розробленій на основі моделі частотно-імпульсної модуляції [4]. Нелінійний елемент забезпечує задання швидкості потягу залежно від відстані _S_m до кінця поїзду, що йде попереду. При досягненні параметром S значення _S_m виробляється d-функція, використовувана для формування лінійною ланкою прямокутного імпульсу і скидання інтегратора в нуль. Збільшенню швидкості руху на ділянці обов'язково повинне передувати збільшення відстані між поїздами _S_m.

Рис.14 Математична модель, що описує рух потягів з постійною швидкістю і міжпоїздовим інтервалом, що потенційно реалізовується, по ділянці, обладнаній ідеальною СЗБР

Розрахункова довжина і довжина, що реалізовується в режимі службового гальмування уповільнення потягів визначаються характеристиками залізничної ділянки і рухомого складу, що рухається на нім. Тому доцільно досліджувати залежність що потенційно реалізовується при ідеальній СЗБР інтервалу міжпотягу від встановленої швидкості руху на ділянці. Використання рівносповільненої моделі службового гальмування дозволяє записати:

(5)

Рис.14 Залежність інтервалу між потягу, що потенційно реалізовується, від швидкості руху потягів по ділянці, обладнаній ідеальною СЗБР

Досліджуючи функцію на екстремум, досягнемо значення швидкості

при якому забезпечується мінімальне, рівне значення інтервалу міжпотягу. Залежність даного інтервалу від швидкості руху на ділянці при різних розрахункових значеннях довжини і уповільнення складів ілюструє Рис.14. Тут же в таблиці (див. мал. 2) приведені значення що потенційно реалізовуються в точках екстремуму функції інтервалу міжпотягу Tmin, а також відповідні кожній точці значення швидкості Vэкст і довжини l складу.

Для оцінки що реалізовується в умовах ідеальної СЗБР інтервалу входу на станцію або ділянку обмеження швидкості передбачається використовувати математичну модель, представлену на мал. 3. Завдання закону зміни швидкості потягу на підході до ділянки її обмеження а або станції б здійснюється за допомогою вхідних до складу моделі нелінійних елементів 1, 2. Елемент 1 відтворює закон зміни швидкості V0, реалізація якого забезпечує проходження складів з мінімально можливим в даному випадку міжпоїздовим інтервалом [1...3]. Елемент 2 визначає зміну швидкості Vи, що реалізовується при досліджуваному процесі управління веденням потягу. Елементи 3, 4 забезпечують ухвалення параметром V значення Vи або V0, що обирається з урахуванням співвідношення швидкостей, що задаються. Призначення елементів 5...7 ідентично призначенню вже розглянутих вище аналогічних функціональних елементів, що входять до складу моделі, представленої на Рис.13.

Розділ 3. Дослідження руху поїзда

3.1 Динаміка гальмування вантажних потягів

Залізничний потяг, що складається з локомотивів і великої кількості вагонів, є складною механічною системою, в якій протікають динамічні процеси, обумовлені силою тяги локомотивів, переломами профілю і плану шляху, гальмуванням і відпуском гальм, різним темпом зміни тиску в магістралі, неоднаковим опором руху вагонів в неоднорідному складі [1, 2].

У тягових і гальмівних розрахунках враховуються повздовжні динамічні і квазістатичні зусилля, що діють на потяг при його рушанні з місця, веденні по перегону і гальмуванні, виходячи з умови безпеки руху по міцності і стійкості рухомого складу.

При перехідних режимах руху виникають нестаціонарні повздовжні коливання в складі унаслідок різкої зміни сили тяги або гальмівної сили. Величину повздовжніх зусиль і можливі удари між вагонами визначають зовнішні сили і відносні швидкості руху вагонів і локомотивів. Квазістатичні зусилля змінюються поволі, але є небезпечними по вичавлюванню вагонів. Вони виникають при тривалому гальмуванні потягу тільки головними локомотивами на крутих затяжних спусках, коли використовують електричне гальмування або допоміжне пневматичне локомотивне гальмо.