[02-2020] Влияние влажных выплесков на силовое взаимодействие подвижного состава и пути
 

Влияние влажных выплесков на силовое взаимодействие подвижного состава и пути

КОССОВ В.С., АО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»), генеральный директор, докт. техн, наук,
КРАСНОВ О.Г., АО «ВНИКТИ», заведующий отделом пути и специального подвижного состава, канд. техн, наук,
АКАШЕВ М.Г., АО «ВНИКТИ», ведущий инженер

Одним из мест резкого изменения жесткости железнодорожного пути являются зоны локальных выплесков. Физико-механические параметры балласта ухудшаются по мере увеличения пропущенного тоннажа. В порах щебня возникают зоны повышенной влажности (до 15 % по весу) с содержанием частиц грунта размером 0,1—0,005 мм [1—3]. Наиболее частое это происходит летом и осенью в дождливую погоду.


В исследованиях С.Н. Попова, Е.С. Варызгина и других количественно определено соотношение влияния повышенной влажности балластного слоя на уменьшение его несущей способности, повышение упругих свойств и интенсивного накопления остаточных деформаций [1, 2]. Е.С. Ашпизом установлено [3], что выплески уменьшают модуль деформации щебня до 80 МПа и менее по сравнению с нормальным состоянием пути (90 МПа и более). В результате действующей поездной нагрузки и избыточного переувлажнения несущая способность зон выплесков оказывается недостаточной. Это приводит к деформациям элементов конструкции пути с возникновением в подрельсовом грунтовом основании местных сдвигов и осадок. С появлением выплесков в несколько раз возрастает интенсивность остаточных осадок пути, значительно ухудшаются условия обеспечения безопасности движения поездов [4|.
Для оценки влияния выплесков на нагружен-ность элементов верхнего строения пути специалистами АО «ВНИКТИ» выполнены измерения вертикальных сил Рв и перемещений на участках с влажным выплеском и на смежном участке без выплеска в осенних условиях. Для этого выбрали опытные участки пути, на которых устанавливали измерительные приборы: на шейку рельса наклеивали измерительные тензорезисторы, регистрирующие вертикальные силы, и синхронно размещали прогибомеры для регистрации вертикальных перемещений рельсов. На расстоянии около 10 м от выплеска закладывали эталонный участок, на котором устанавливали аналогичные измерительные приборы для регистрации вертикальных сил и перемещений, что позволяло сопоставлять уровни сил и перемещений от одинакового подвижного состава, движущегося с одними скоростями.
На рис. 1 и 2 представлены гистограмма распределения вертикальных сил и прогибов рельсов при движении колес пассажирских вагонов по влажному выплеску и эталонному пути. Установлено, что от колес пассажирских вагонов на эталонном участке вертикальные перемещения имеют тенденцию к незначительным повышениям с 0,5 до 0,7 мм при изменении вертикальных сил в диапазоне 45—140 кН. При проезде зоны влажного выплеска вертикальные прогибы составляли 4,8— 6,2 мм, а вертикальные силы — 109—214 кН.


Описательная статистика по вертикальным силам и прогибам рельсов от воздействия колес пассажирских вагонов при движении по влажному выплеску и по эталонному участку пути представлена в табл. 1.
Анализ экспериментальных данных показал следующее:
при движении по влажному выплеску из-за снижения модуля деформаций средние вертикальные перемещения возросли с 0,52 до 5,76 мм (в 11 раз), при этом максимальные прогибы достигали на выплеске 6,18 мм (на эталонном участке — 0,75 мм). Среднеквадратические отклонения на выплеске также имели более широкий диапазон (±0,25 мм), чем на эталонном участке (±0,10 мм);
повышенные просадки рельсошпальной решетки в зоне выплесков были вызваны более высокими уровнями средних и максимальных значений вертикальных сил. Соответственно средние значения вертикальных сил на влажном выплеске достигали 153 по сравнению с 88 кН на эталонном участке (в 1,73 раза больше). Максимальные значения вертикальных сил на влажном выплеске достигали 214 по сравнению с 139 кН на эталонном участке. Для выплесков характерно повышение дисперсии вертикальных сил до 496 по сравнению с 402 кН2 для эталонного участка, что определяло несколько более высокие величины среднеквадратических отклонений вертикальных сил в зоне выплеска ±22,2 по сравнению с ±20,1 кН на эталонном участке;
характер изменения вертикальных сил и прогибов от грузовых поездов с гружеными и порожними вагонами существенно отличался от картины под воздействием пассажирских поездов, которая определялась различием в значениях осевых нагрузок. Типичное распределение вертикальных сил от грузовых вагонов на рельсы представлено на рис. 3.
Как для эталонного участка пути, так и для зоны выплеска характерна двух- или полимодаль-ная гистограмма с разделением распределений вертикальных сил по уровням осевых нагрузок.
Эталонному участку присуще двухмодальное распределение с разделением средних значений вертикальных сил. В рассматриваемом случае для груженых вагонов они составляли 105 кН, для порожних — 27,2 кН. Для груженых вагонов разброс степени их загрузки обуславливает широкий диапазон среднеквадратических отклонений (±22,9 кН), что почти в три раза больше, чем для порожних вагонов (±7,2 кН). Для распределений вертикальных сил (как от порожних, так и от груженых вагонов) при аппроксимации опытных данных может быть использован нормальный закон по критерию согласования Колмогорова. Во время движения по влажному выплеску характер распределений вертикальных сил сохранился со смещением средних значений в сторону увеличения. При этом от воздействия груженых вагонов этот показатель достигал 135,2 кН, что больше в 1,28 раза, чем на эталонном участке пути. От воздействия на рельсы колес порожних вагонов средние значения также увеличились до 38 кН, что выше по отношению к эталонному участку в 1,39 раза. Дисперсия и среднеквадратические отклонения практически не изменились.
На рис. 4 показаны точечные диаграммы распределения прогибов рельса при проезде грузового поезда через зоны влажного выплеска и эталонного участка.


Описательная статистика по вертикальным силам и прогибам рельсов от воздействия колес грузовых вагонов при движении по влажному выплеску и по эталонному участку пути представлена в табл. 2.
Из анализа опытных данных установлено следующее:
на эталонном участке средние вертикальные перемещения рельса от воздействия порожних вагонов составили 0,52 мм при среднеквадратических отклонениях ±0,32 мм и изменялись в пределах 0,1—1,1 мм при изменении вертикальных сил от 15,9 до 59 кН. С увеличением осевых нагрузок имела место тенденция к повышению средних величин прогибов до 0,86 мм при среднеквадратических отклонениях +0,24 мм и изменении уровней вертикальных сил в диапазоне 60,5-180,7 кН;
на влажном выплеске при уровнях вертикальных сил в диапазоне от 18 до 67 кН, характерных для порожних и малогруженых вагонов, вертикальные перемещения рельса изменяются в диапазоне 0,85—5,50 мм. При движении груженых вагонов по участку прогибы возрастают от 2,10 до 6,71 мм при изменении вертикальных сил в диапазоне 70,3—195,6 кН;
полученные облака точек показывают, что прогибы рельса при движении подвижного состава по влажному выплеску, как и величины вертикальных сил, имеют значительный разброс. Так, в зоне действий вертикальных сил от порожних вагонов среднеквадратические отклонения прогибов достигали +0,79 мм, от колес груженых вагонов — ±0,56 мм. При этом среднеквадратические отклонения прогибов на эталонном участке от порожних вагонов не превышали ±0,09 мм, от груженых — ±0,13 мм.
Исследования нагруженно-сти рельсов при движении пассажирских и грузовых поездов через зону влажного выплеска позволили установить:

• при движении подвижного состава по влажному выплеску из-за снижения модуля деформаций средние значения вертикальных сил повысились в 1,35—1,80 раза, средние вертикальные перемещения возросли в 6—11 раз. Среднеквадратические отклонения силовых и кинематических параметров находятся в диапазоне в 2—3 раза более широком, чем на эталонном участке;
• от воздействия грузовых поездов, сформированных из грузовых вагонов с разной степенью загрузки и, соответственно, с разными осевыми нагрузками, при движении как по эталонному участку пути, так и по влажному выплеску формируется двух- или полимодальное распределение вертикальных сил. Каждая из составляющих распределения формируется группами вагонов с близкими осевыми нагрузками и может быть аппроксимирована нормальным законом распределения со своими параметрами: математическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением.

Список источников
1. Попов С.Н. О допускаемых напряжениях на балласт // Взаимодействие пути и подвижного состава и вопросы расчетов пути. М.: Трансжелдориздат, 1955. С. 353-385. (Труды ВНИИЖТ; Вып. 97).
2. Содержание балластной призмы железнодорожного пути / Е.С. Варызгин, Б.Н. Бондаренков, А.Н. Марго-
тьев, В.Ф. Федулов. М.: Транспорт, 1978. 142 с.
3. Ашпиз Е.С. Мониторинг эксплуатируемого земляного полотна. Теоретические основы и практические решения: автореферат дис. доктора техн, наук: 05.22.06. М„ 2002. 44 с.
4. Пейч Ю.Л., Писарев Ю.В. Кумулятивно-вибрационная модель выплеска // Вестник ВНИИЖТ. 1990. № 8. С. 42-45.