Admin

Влияет ли масса шпалы на сопротивление сдвига в балласте?

НОВАКОВИЧ В.И., Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС), докт. техн, наук,
МИРОНЕНКО Е.В., РГУПС, аспирант, ХАДУКАЕВ Н.-А.С., РГУПС, аспирант

Как известно [1], сопротивление щебня сдвигу шпалами в значительной степени влияет на устойчивость бесстыкового пути, поскольку является одной из основных реактивных сил, противодействующих активной продольной температурной сжимающей силе. В связи с этим изучение погонного сопротивления и факторов, влияющих на него, проводилось на протяжении многих лет и сейчас остается актуальной задачей.
К числу факторов, влияющих на величину погонного сопротивления сдвигу шпал в балласте, советские и зарубежные исследователи относили тип, количество и состояние шпал, род, количество и состояние балласта, атмосферные условия, качество содержания пути и др. А.Я. Коган выделял также расстояние между соседними шпалами, размеры шпал, их вес, качество и фракцию балласта, степень его уплотнения и наличие в нем глинистых частиц, температуру воздуха. Влияние некоторых из перечисленных факторов было установлено.
В 60-е годы прошлого столетия в начале изучения особенностей бесстыкового пути в СССР считалось [2], что чем выше масса путевой решетки и шпал, тем выше ее сопротивление продольным и поперечным сдвигам. Это объяснялось тем, что основная доля сопротивления обусловлена трением и сцеплением нижней поверхности шпал о частицы щебня. В настоящее время эту точку зрения разделяет ведущий производитель железобетонных шпал в России — АО «БЭТ», на электронном ресурсе которого отмечено, что существенное повышение массы шпал обеспечивает увеличение сопротивления сдвигу в балласте. Для обоснования приводятся результаты статических испытаний опытных утяжеленных шпал ШСТ-1, показывающие, что при повышении массы на 32 % относительно типовой, сопротивление сдвигу возрастает до 20 % [3]. При этом форма и параметры утяжеленных и типовых шпал существенно различались.


Первые эксперименты по определению зависимости сопротивления шпал продольному сдвигу в балласте от вертикальной нагрузки проводились МИИТом с 1950 г. в условиях действующего пути Московской окружной железной дороги. Было проведено 68 опытов при восьми различных значениях вертикальной нагрузки на шпалу массой от 445 до 5355 кг [4]. Полученные зависимости указывали на повышение сопротивления сдвигу шпалы при увеличении ее массы.
М.Г. Андреевский [5] изучал статическое сопротивление шпал перемещениям от вертикальной нагрузки. В результате была установлена зависимость, в которой сопротивление шпалы сдвигу возрастало пропорционально увеличению вертикальной нагрузки. Опыты носили статический характер, поэтому на их основании невозможно было судить о сопротивлениях шпал при проходе подвижного состава.
Группа ученых под руководством В.В. Серебренникова [6] экспериментально исследовала влияние рифления нижней поверхности шпалы, формы шпалы и ее массы на сопротивление сдвигу в статических условиях. Опыты позволили сделать вывод [6], что наибольший вклад в сопротивление шпал сдвигу вносят их форма и масса.
Версия о том, что чем выше масса путевой решетки и шпал, тем выше ее сопротивление продольным и поперечным сдвигам, получила значительное распространение и за рубежом [7], однако во многих случаях она не подтверждалась практикой [8]. Так, в 2014 г. компанией Vigier Rail на федеральных железных дорогах Швейцарии проводились испытания железобетонных шпал В06 FS, основными отличиями которых от применяющихся В91 были повышенная площадь контакта с балластным слоем, большая масса и меньшая толщина [8]. При экспериментальном исследовании выяснилось, что сопротивление сдвигу в балласте поперек оси пути у сравниваемых шпал оказалось практически одинаковым.
Известны также многочисленные экспериментальные сравнения сопротивления сдвигу в балласте деревянных и железобетонных шпал [2], [9], [10].

При значительной разнице в массе и более развитой форме поперечного сечения железобетонных шпал относительно деревянных величины их сопротивлений сдвигу в балласте вполне сопоставимы [2]. Пределы сопротивлений в обкатанном пути у деревянных и железобетонных шпал почти одинаковые, так как большая масса железобетонных шпал компенсируется большим сцеплением с щебнем деревянных [11].
Таким образом, накоплены значительные экспериментальные данные о влиянии массы шпалы на ее сопротивление сдвигу в балласте, но до настоящего времени вопрос до конца не изучен. О влиянии массы судили по статическим экспериментам с различными типами шпал, результаты которых значительно отличались, а в некоторых случаях и противоречили друг другу.
Для решения данной задачи необходимо проведение исследований с учетом динамического воздействия проходящих поездов. Специалисты РГУПС впервые провели серию экспериментов в условиях действующего пути. Для этого была разработана методика натурных сравнительных испытаний, предусматривающая выполнение экспериментов с двумя железобетонными шпалами I типа, одна из которых нагружается дополнительной нагрузкой 100 кг. Условия проведения опытов заключались в том, что одновременно на одном и том же участке пути по шпалам проходит равное количество осей подвижного состава с равной нагрузкой через равные промежутки времени.

Погонные сопротивления балласта сдвигу шпалами вдоль оси пути определялись на участке бесстыкового пути с промежуточными рельсовыми скреплениями типа ЖБР 1313 км перегона Ростов Главный—Ростов Товарный в июле 2018 г. и на 1196 км перегона Новочеркасск—Кизитеринка, имеющем промежуточное рельсовое скрепление типа КБ, в апреле 2019 г. Грузонапряженность первого участка — около 20 млн т-км груза брутто/км в год, второго — свыше 80 млн т-км груза брутто/км в год, скорость движения подвижного состава на первом участке — 40—60 км/ч, на втором 80—100 км/ч. Первый участок находится в конце кривой радиусом 600 м, второй — в прямой. Опыты выполнялись в середине рельсовой плети на шпалах, где нет выплесков и провисаний, при положительной температуре воздуха и отсутствии атмосферных осадков.
По плану эксперимента на одну из шпал действовала дополнительная нагрузка с помощью при-груза, состоящего из четырех стальных прямоугольных заготовок массой 25 кг, изготовленных из листа СтЗ размерами 200x300x50 мм. Нагружалась верхняя средняя часть шпалы. Пригруз на шпале закреплялся специально разработанным креплением струбцинного типа (рис. 1), не допускающим перемещений стальных плит относительно шпалы.
Для экспериментального определения погонного сопротивления шпал сдвигу вдоль оси пути с учетом динамического воздействия поездов в условиях действующего пути лабораторией кафедры «Путь и путевое хозяйство» РГУПСа в 2004 г. было разработано специальное пружинно-винтовое приспособление, являющееся упрощенным аналогом известного устройства, изготовленного по авторскому свидетельству № 457898 (рис. 2). Приспособление состояло из двух упоров, устанавливаемых в шпальных ящиках на боковые поверхности железобетонных шпал, тарированной цилиндрической пружины и полого винта с гайкой. При установке упоры заводятся под нижнюю поверхность смежных шпал. При вращении гаек пружины передают на смежные шпалы усилие распора, равное 10 кН/м. На каждой испытываемой шпале для обеспечения возможности продольного перемещения ослабляется затяжка клеммных болтов, а на смежных с ними шпалах, играющих роль анкера, клеммные болты подтягиваются.

Сжатие пружины, а также продольное перемещение шпал измерялись штангенциркулем ШЦ-1 -150 с ценой деления 0,1 мм после прохода каждого поезда.
В ходе эксперимента одна пара пружинно-винтовых устройств монтировалась внутри колеи в шпальном ящике ненагруженной шпалы, а вторая — пригруженной шпалы (рис. 3).
Для устранения влияния местных условий установившегося контакта подошвы шпал с частицами щебня, а также для более точного моделирования действия продольной температурной силы в каждом последующем опыте пружинно-винтовые приборы переставлялись для смещения шпал в противоположную сторону. Пригруз также перемещали на ранее ненагру-женную шпалу. Подвижки фиксировались по продольным осям двух приборов, поскольку сдвиг шпалы под действием силы при прохождении подвижного состава, как правило, неравномерен. Для определения общего перемещения шпалы рассчитывалось среднее арифметическое значение по двум устройствам. Измерения выполнялись после прохода каждого поезда, а также перед заданием и снятием нагрузки.


В результате экспериментов (рис. 4) какого-либо влияния массы шпалы на ее сопротивление продольному сдвигу в балласте при учете динамического воздействия проходящих поездов не обнаружено. Было проведено 24 опыта, 12 из них с нагруженной шпалой и 12 — с ненагруженной. Кроме того, даже при сравнительно высокой сдвигающей силе 10 кН/м, скорости движения поездов 100 км/ч и грузонапряженности 80 млн т-км груза брутто/км в год наибольшее продольное перемещение шпал составило 2,5 мм, а среднее не превышало 1 мм.
Данные, полученные в ходе экспериментов, согласуются с положениями теории ползучести. Исследования [12, 13] позволяют математической моделью бесстыкового железнодорожного пути считать упругий стержень, находящийся в вязкой среде. В данной модели шпала представлена как твердое тело, движущееся под действием силы в вязкой среде. В широко известном в гидравлике законе Стокса для твердого тела, движущегося в вязкой среде с малой скоростью, отсутствует какая-либо зависимость между силой вязкого трения, называемой также силой Стокса, и массой движущегося тела, как отсутствует данная зависимость и в законе вязкости Ньютона.
Можно предположить, что сопротивление балласта сдвигу шпалами зависит не от массы шпалы, а от ее формы и скорости перемещения, т.е. от вязкости щебеночного балласта. Погонное сопротивление при необходимости можно увеличить уплотнением балласта динамическим стабилизатором пути, не затрачивая значительные средства на повышение массы подрельсовых опор. При этом следует учитывать, что промежуточные рельсовые скрепления должны создавать сопротивление сдвигу рельсов относительно шпал существенно большее, чем сопротивление самого балласта.

Список источников

1. Шубитидзе В.В. Определение условий устойчивости бесстыкового пути энергетическим методом с учетом воздействия поездов: дисс. на соиск. учен. степ, канд. техн, наук: 05.22.06. Ростов-на-Дону, 2017. 138 с.
2. Маркарьян М.А., Зверев Н.Б. Сопротивления бесстыкового пути перемещениям // Труды ВНИИЖТ. Вып. 244. М.: Трансжелдориздат, 1962.
3. Крысанов Л.Г., Серебренников В.В., Рессина Н.В. Шпалы с повышенным сопротивлением сдвигу // Путь и путевое хозяйство. 2009. №3. С. 24—25.
4. Альбрехт В.Г. Угон железнодорожного пути и борьба с ним. М.: Трансжелдориздат, 1958. 144 с.
5. Андреевский М.Г. К вопросу сопротивления рельсового пути продольному смещению // Труды ТАШИИТ. Вып. 8. М.: Трансжелдориздат, 1957.
6. Влияние конструктивных особенностей железобетонных шпал на их сопротивление сдвигу в балластном слое / В.В. Серебренников, А.С. Антипов, Н.В. Рессина, Н.И.Гаврилина // Повышение надежности работы верхнего строения пути в современных условиях

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК