Костюк Михайло Дмитрович. Удосконалення конструкцій і технологій верхньої будови колії для сучасних умов експлуатації залізниць України

brief description

Костюк Михайло Дмитрович. Удосконалення конструкцій і технологій верхньої будови колії для сучасних умов експлуатації залізниць України : Дис... канд. наук: 05.22.06 - 2008.

Костюк М.Д. Удосконалення конструкцій і технологій верхньої будови колії для сучасних умов експлуатації залізниць України. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.06. - Залізнична колія; Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна; Дніпропетровськ, 2008.
Дисертація присвячена вирішенню наукової задачі вдосконалення конструкцій і технологій верхньої будови колії на залізобетонних шпалах для умов українських залізниць шляхом розробки, обґрунтування і впровадження менш щільної епюри розкладки шпал і використання нових конструкцій пружних рейкових скріплень. У роботі за допомогою теоретичних і експериментальних досліджень доведена можливість і доцільність використання нової менш щільної епюри укладання залізобетонних шпал в порівнянні з дерев'яними; доведено, що міцність, стійкість рейко-шпальної решітки і рейкових ниток і експлуатаційна надійність при новій конструкції колії залишається забезпеченою при довготривалій експлуатації. Виконано аналіз і обґрунтування параметрів і конструкції рейкових скріплень для сучасних умов експлуатації, доведено, що найкращими скріпленнями для колій на залізобетонних шпалах є скріплення з пружними прутковими клемами, які забезпечують стабільність притиснення рейки до опор та оптимальне поєднання пружних властивостей у вертикальній та горизонтальній площинах.
Доведено, що впровадження нової конструкції ВБК на залізобетонних шпалах з епюрою 1680 шп/км замість типової 1840 шп/км і з пружними рейковими скріпленнями дає суттєвий техніко-економічний ефект.

1. В дисертації представлено нове вирішення наукової проблеми удосконалення конструкцій і технологій верхньої будови колії (ВБК) на залізобетонних шпалах для умов українських залізниць шляхом обґрунтування теоретичними і експериментальними методами можливості і доцільності використання нової менш щільної епюри укладання залізобетонних шпал 1680 шп/км в прямих ділянках і 1840 шп/км в кривих, замість типової епюри 1840 шп/км в прямих і 2000 шп/км в кривих ділянках колії. Доведено, що міцність, стійкість рейко-шпальної решітки і рейкових ниток і експлуатаційна надійність при новій конструкції колії буде забезпеченою при довготривалій експлуатації.
2. Вперше для умов українських залізниць виконано комплексні теоретично-експериментальні дослідження і аналіз пружножорсткісних параметрів, міцності, поздовжньої і поперечної стійкості і надійної експлуатації широкого спектру сучасних конструкцій ВБК, включаючи: різну щільність укладання епюри шпал (на прямих 1680 і 1840 шп/км і відповідно на кривих 1840 і 2000 шп/км); різні типи рейок, шпал і скріплень (відповідно рейки типу Р65 і міжнародного стандарту UIC60; шпали залізобетонні і дерев’яні; скріплення підкладкового і безпідкладкового типів, з пружними і жорсткими клемами).
3. За допомогою теоретичних та експериментальних досліджень доведено, що:
3.1. При впровадженні нової менш щільної рейко-шпальної решітки на залізобетонних шпалах 1680 шп/км замість 1840 шп/км повністю забезпечена міцність і достатня пружність конструкції ВБК. При впливі колісних навантажень у спектрі осьових навантажень до 2Р=230 кН (вагони) і до 2Р=235 кН (локомотиви), при встановлених швидкостях руху вантажних поїздів до V=90 км/год, пасажирських до V=140 км/год напруження в рейках, шпалах, баласті і на основній площадці земляного полотна не перевищують допустимих значень і залишається запас міцності 40-50%). (При цьому розглянуті конструкції колії в прямих і в кривих радіусами R=1000 м, 800 м, 600 м і 400 м; зі скріпленнями: КБ, КПП-1, КПП-5 і рейками типів Р65 і UIC60).
Величини згинаючих моментів в рейках при зміні епюри шпал з 1840 шп/км на 1680 шп/км збільшуються несуттєво: для вагонів це зростання коливається в межах 2,5%, для локомотивів в межах 3,5-4%. Заміна рейок з типу Р65 на тип UIC60 (при незмінній епюрі шпал) викликає збільшення напружень вигину приблизно на 11,5% у підошві і на 6% у головці.
Напруження в шпалах при зміні епюри збільшуються приблизно на 9,5-10,0% незалежно від типу рейок і скріплень. При зміні рейок з Р65 на UIC60 (при однакових скріпленнях і однаковій епюрі шпал) напруження в шпалах збільшуються на 3,0%. Зміна напружень в баласті і на основній площадці земляного полотна при зміні епюри 1840 на 1680 шп/км відбувається в бік зростання приблизно так, як і в шпалах на 10%.
3.2. Жорсткість рейкової нитки при зміні епюри від 1840 шп/км на 1680 шп/км зменшується на 7,2%. Сумарна жорсткість рейкової нитки при рейках Р65 виявилась більше, ніж при рейках UIC60, всього лише на 3,8% (при усіх типах скріплень і при всіх епюрах шпал), тобто жорсткість рейкової нитки зі шпальною решіткою суттєво відрізняється від співвідношення жорсткостей рейок, яке складає ЕІР65/ЕІUIC60=1.16.
3.3. Динамічні прогини рейок і залізобетонних шпал змінюються несуттєво при зміні епюри з 1840 шп/км на 1680 шп/км. А саме: вони збільшуються на 8,5-9,0% для рейок і на 10,2% для шпал. При заміні рейок Р65 на UIC60 і незмінній епюрі шпал прогини залізобетонних шпал збільшуються лише на 3,8-4,1%. (Динамічні прогини дерев’яних шпал є суттєво більшими в порівнянні з залізобетонними в 1,5ч1,6 рази).
4. Результати порівняльних розрахунків поздовжньої стійкості проти угону рейкових ниток для епюри шпал 1840 шп/км і епюри 1680 шп/км дозволяють зробити наступні висновки:
- величина погонного опору рейкових ниток при зміні епюри шпал з 1840 до 1680 шп/км зменшується при усіх видах скріплень приблизно на 9-10%;
- сумарні діючі поздовжні сили угону рейкових ниток (сумісно з температурними силами і силами гальмування) при службовому та екстреному гальмуваннях вантажних і пасажирських поїздів масою до 4000 т не перевищують сил погонного опору, що забезпечуються скріпленнями при всіх конструкціях скріплень, які розглянуті в розрахунках (в тому числі при скріпленнях пружного типу марок КПП-1 і КПП-5), при обох епюрах укладання шпал 1840 шп/км і 1680 шп/км. Тобто стійкість проти угону рейкових ниток при зниженні щільності епюри шпал до 1680 шп/км у всіх випадках забезпечена.
5. Результати порівняльних розрахунків поперечної стійкості рейкової колії і рейко-шпальної решітки для типової епюри шпал 1840 шп/км і дослідної епюри шпал 1680 шп/км показали, що: усі вимоги по умові стійкості проти викиду безстикової колії при рейках типу Р65 і UIC60 при максимально можливій для українських залізниць амплітуді змін температури від Тmax=+62єС до Тmin=-40єС забезпечуються як для прямих ділянок колії, так і для кривих з мінімальним радіусом до Rmin=400 м. При переході з епюри шпал 1840 шп/км на 1680 шп/км граничний опір переміщенню шпал в баласті зменшується приблизно на 1,2%, що несуттєво впливає на забезпечення поперечної стійкості рейко-шпальної решітки.
6. Найкращими скріпленнями для колії на залізобетонних шпалах є скріплення з пружинними прутковими клемами, які забезпечують стабільність притискання рейки до опор та оптимальне поєднання пружних властивостей у вертикальній та горизонтальній площинах при достатньому опорі поздовжнім температурним силам та силам угону. Вітчизняні скріплення типів КПП-5 і КПП-7 згідно своїх характеристик забезпечують достатню і надійну роботу рейкових ниток у відношенні поздовжньої і поперечної стійкості, однак скріплення типу КПП-7 потребує вдосконалення своїх пружних характеристик щодо вертикальної жорсткості. Тому за найкраще слід визнати скріплення КПП-5, яке і можна рекомендувати для широкого впровадження в експлуатацію.
7. Техніко-економічна ефективність впровадження нових запропонованих конструкцій і технологій укладання і експлуатації колії складається з натуральних і грошових показників. Сумарний економічний ефект по грошовим показникам (тобто по приведеним затратам) від сумісного впровадження епюри шпал 1680 замість 1840 шп/км, рейок UIC60 замість Р65 та скріплення типу КПП-5 замість скріплень КБ складає на кожний 1 км колії: Е1-6= 196255,26 грн/км, що складає біля 19% від вартості повного оновлення (тобто модернізації) 1 км колії.
Сумарний економічний ефект за натуральними показниками при використанні епюри шпал 1680 шп/км замість 1840 шп/км, рейок UIC60 замість Р65 і скріплень КПП-5 замість типових КБ складає на кожний 1 км колії: - по скріпленням (по вазі металу) приблизно 24,76 т/км; - по залізобетонним шпалам 160 шп/км; - по рейкам (по вазі металу) 8,960 т/км.