Сисин Микола Петрович. Вплив фізичних та геометричних характеристик залізничної колії на її напружено-деформований стан

Краткое описание

Сисин Микола Петрович. Вплив фізичних та геометричних характеристик залізничної колії на її напружено-деформований стан. : Дис... канд. наук: 05.22.06 2008

Сисин М.П. Вплив фізичних та геометричних характеристик залізничної колії на її напружено-деформований стан. Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.06 залізнична колія, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпропетровськ, 2008.
Дисертація присвячена задачі підвищення ефективності експлуатації колії та зменшення розладнань елементів колії шляхом встановлення допустимих експлуатаційних умов та необхідних параметрів пружності елементів колії експериментально-теоретичними методами.
На основі зібраної на залізницях України інформації про фактичні нерівності колії та статистичного аналізу, виконано узагальнення параметрів нерівності по відношенню до існуючої якісної оцінки стану 1 км колії.
Розроблено модель динамічної взаємодії колії та рухомого складу у вертикальній площині, яка дозволяє отримати параметри напружено-деформованого стану колії у їх динаміці при проходженні рухомим складом геометричних нерівностей та нерівностей нерівнопружності підрейкової основи. Для достовірного визначення вертикальної геометрії колії було розроблено методику знаходження вертикальної нерівності залізничної колії по даних вагона-колієвимірювача. Розроблено методику визначення вертикальної пружності колії під фактично діючими навантаженнями від рухомого складу та методику безконтактного виміру динамічного прогину рейки фотографічним методом, яка дозволяє виключити систематичну похибку виміру прогину рейки, що може досягати 60%.
На основі комплексних експериментально-теоретичних досліджень виконано оцінку необхідної пружності рейкових скріплень з точки зору роботи рейок та баластного шару.

У дисертаційній роботі на основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень вирішена науково-технічна задача підвищення ефективності експлуатації колії та зменшення розладнань елементів колії шляхом врахування впливу фізичних та геометричних характеристик залізничної колії на її напружено-деформований стан. Основні наукові результати, висновки та практичні рекомендації дисертації полягають у наступному.

Оглядом існуючого стану колійної науки України встановлено наявність недоліків, неточностей та обмежень використання існуючих методів розрахунку напружено-деформованого стану колії та способів визначення її фізичних та геометричних характеристик. З'ясовано відсутність методик та правил, які б дозволяли як на теоретичному, так і на практичному інженерному рівнях оцінити вплив якісного геометричного стану 1 км колії, чи стану колії, вираженого бальною оцінкою, на надійність, довговічність та працездатність колії.
Статистичний аналіз зібраної на залізницях України інформації про фактичні нерівності колії та її якісний стан показав, що вертикальні нерівності колії випадковим чином розподілені вздовж колії, а їх параметри глибина та довжина підкоряються закону розподілу імовірності Гамма. При цьому, із усієї групи нерівностей виключаються ті, які належать до відмінного стану колії. Параметри закону Гамма для глибини осідань становлять:a=13,22 мм таb=0,742 мм. Cередньоквадратична похибка оцінки параметріватаbпри надійності 95% становитьa=0,47 таb=0,027. Таким чином, відносна похибка складає менш, ніж 5%, що цілком прийнятно для практичних інженерних розрахунків.
Аналіз взаємозв’язку довжин та глибин осідань показав, що між цими параметрами взаємозв’язок практично відсутній, тобто, певній глибині осідань можуть в однаковій мірі відповідати як короткі, так і довгі довжини осідань.
Знайдено значення характерної глибини та довжини нерівності для кожного якісного стану колії при заданому ступені імовірності їх виникнення, рівному 0,9225. Знайдені значення дозволяють робити висновки стосовно напружено-деформованого стану колії, що відповідає якісному стану геометрії колії.
Розрахунки показують, що максимально-ймовірна глибина осідання при рівні ймовірності 0,9225 змінюється від 14,32 мм до 27,0 мм при незадовільному стані. Знаходження зв’язку параметрів осідань із параметрами фактичних нерівностей виконано з врахуванням геометричної схеми запису осідань вагоном-колієвимірювачем.
Розроблено математичну та комп’ютерну модель динамічної взаємодії колії та рухомого складу, яку було використано для дослідження впливу фізичних та геометричних характеристик колії на її напружено-деформований стан, що виникає при проходженні рухомим складом вертикальної нерівності на колії. Така модель враховує вплив зміни геометричних та фізичних характеристик колії вздовж її осі. Порівняння розрахунків напружень у рейці по моделі та експериментально виміряних показує, що напруження у рейках та вертикальні сили дії колеса на них при діапазоні швидкостей 90-140 км/год відрізняються від середніх експериментальних величин не більш ніж на 10-11%.
На основі багатоваріантних розрахунків за допомогою розробленої моделі запропоновано практичні рекомендації щодо удосконалення методики розрахунку колії на міцність та врахування фактичного геометричного стану колії у вигляді окремих нерівностей чи якісного стану 1 км колії. Розрахунки показують, що середній ухил вертикальної нерівності змінюється від 1,01% при відмінному стані 1 км колії до 4,31% при незадовільному стані. Врахування фактичного стану колії значно розширює можливості використання правил розрахунку колії на міцність: це встановлення допустимих швидкостей руху рухомого складу в залежності від фактичного стану колії, визначення раціональних умов утримання ділянок колії із різноманітними значеннями зовнішніх навантажень від рухомого складу та вантажонапруженості.
Створена методика знаходження вертикальної нерівності залізничної колії за даними вагона-колієвимірювача дозволяє з прийнятною для інженерних розрахунків точністю отримати характеристику вертикальної нерівності колії в навантаженому стані, що дозволяє, на відміну від існуючих методів (нівелювання, ручні виміри методом хорд), враховувати також нерівнопружність підрейкової основи. Така методика дозволяє не тільки визначити вертикальні нерівності рейкових ниток, а також контролювати похибку визначення нерівності завдяки використанню записів перекосів колії. Аналіз похибки визначених нерівностей колії показав, що вона становить не більш ніж 7-10%. Методики визначення вертикальної нерівності та пружності колії використано у роботах по встановленню допустимих швидкостей руху на ділянках колії, на яких було виконано ремонти колії із використанням важких колійних машин.
Розроблена методика визначення нелінійної вертикальної пружності колії під фактично діючими навантаженнями від рухомого складу, на відміну від традиційних методів виміру пружності колії, дозволяє врахувати фактичне динамічне навантаження від рухомого складу та уникнути використання спеціального навантажувального пристрою. Окрім того, така методика дає можливість визначити параметри нелінійної пружності окремих опор та їх розподіл вздовж осі колії.
Розроблена методика безконтактного виміру динамічного прогину рейки фотографічним методом дає можливість виміряти абсолютний прогин рейки та значно зменшити систематичну похибку виміру. Порівняння записів прогинів за розробленою методикою із записами тензометричних прогиномірів показує, що прогин, виміряний фотографічним методом, приблизно у 1,5-2 рази більший від прогинів, виміряних тензометричними прогиномірами.
На основі комплексних експериментально-теоретичних досліджень виконано оцінку необхідної пружності рейкових скріплень з точки зору роботи рейок та баластного шару. Для залізниць України рекомендується вертикальна жорсткість вузла скріплення для ділянок колії зі змішаним рухом, де за кількістю поїздів переважає пасажирський рух з вагонами існуючої конструкції 40 кН/мм, а для ділянок колії зі змішаним рухом, де за кількістю поїздів переважає рух вантажних поїздів, 60 кН/мм, незалежно від конструкції скріплення та монтажних зусиль кріплення рейки до опори.