Admin

Об учете модуля упругости подрельсового основания при разработке новых конструкций пути

ЛЕВИНЗОН М.А., ООО «Испытательный центр взаимодействия экипажа и пути железных дорог», докт. техн, наук, ЗАГИТОВ Э.Д., АО «Инжиниринговый центр железнодорожного транспорта», канд. техн, наук

Аннотация. Рассмотрены влияние вертикального модуля упругости подрельсового основания на величину нагрузок, передаваемых от колеса на рельс, и напряжения в элементах верхнего строения пути, методы экспериментального определения вертикального модуля упругости, зависимость модуля упругости от величины вертикальной силы, передаваемой на путь.

Ключевые слова: вертикальный модуль упругости пути, напряжения и деформации пути, методы определения модуля упругости, взаимосвязь модуля упругости и вертикальной силы.
Технико-экономическая эффективность верхнего строения пути во многом зависит от продолжительности и стоимости жизненного цикла его элементов. На заседании Правления ОАО «РЖД» от 21.12.2020 (Протокол № 77) поставлена задача разработки конструкции и технологий содержания пути, обеспечивающих наработку 2,5 млрд т брутто пропущенного тоннажа для особо грузонапряженных линий [1]. Достижение такого показателя позволит значительно изменить ремонтную схему в сторону увеличения интервала замены рельсошпальной решетки и сократить объем работ текущего содержания. Поэтому создание новой, более эффективной конструкции верхнего строения пути особенно актуально в настоящий момент.
Похожие задачи решались в 2017 г. при разработке Методики оценки экономической эффективности эксплуатации грузовых инновационных вагонов [2], где проводилась оценка дополнительных затрат на текущее содержание пути при внедрении вагонов с повышенными осевыми нагрузками. На основании стендовых исследований и эксплуатационных наблюдений было установлено, что между силовым воздействием экипажа на путь и повреждаемостью его элементов существует функциональная зависимость, подобная той, что имеется между затратами на текущее содержание пути и силами взаимодействия рельсовой колеи с колесами подвижного состава.
В Российской Федерации при расчетах железнодорожного пути на прочность в вертикальной плоскости используется Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения надежности [3], в которой верхнее строение рассматривается как рельсовая балка бесконечной длины на сплошном упругом основании. Дифференциальное уравнение колебаний такой балки выглядит следующим образом:


где J — центральный момент инерции поперечного сечения рельса относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести сечения;
Е — момент упругости рельсовой стали;
z — вертикальное перемещение рельса в сечении с координатой х;
х — продольная координата сечения рельса;
Uz — модуль упругости подрельсового основания.

При создании нового варианта пути необходимо иметь четкое представление о том, какими параметрами его конструкции следует управлять для достижения необходимого результата. Из уравнения (1) следует, что управляемыми параметрами верхнего строения пути являются момент инерции рельса и модуль упругости подрельсового основания. Практически создание новой конструкции сводится к выбору оптимальных значений этих параметров.
Выбор момента инерции ведет к созданию нового типа рельса не только с оптимальным моментом инерции, но и с новыми свойствами по сопротивляемости дефектам контактно-усталостного происхождения и износу головки. Таким образом, должны быть определены как параметры поперечного сечения рельса (в том числе профиль поверхности катания), так и металлургические характеристики его стали с учетом стоимости ее производства и поведения в эксплуатации (экономичность технического обслуживания рельсов из такой стали).
Рассмотрим влияние модуля упругости подрельсового основания на величину нагрузки от подвижного состава и напряжения, возникающие в элементах верхнего строения пути.

Величина модуля упругости подрельсового основания определяется широким спектром факторов, зависящих от конструкции и состояния верхнего строения (тип и эпюра шпал, жесткость в узлах промежуточных скреплений, коэффициент постели подшпальных прокладок, род балласта и степень его уплотнения, наличие или отсутствие подбалластных защитных слоев), земляного полотна, его основания и сооружений (в том числе водоотводных), региона укладки конструкции (климатические и погодные факторы), а также диапазона вертикальных нагрузок от подвижного состава. Соответственно при создании новой конструкции верхнего строения пути можно существенно изменить значение модуля упругости за счет трансформации жесткости элементов скреплений, укладки подшпальных прокладок и подбалластных защитных слоев.
Кроме того, анализ влияния модуля упругости подрельсового основания на величину вертикальных сил показывает, что его варьирование может приводить к более чем двукратным изменениям этих сил. На рис. 1 и 2 показано влияние модуля упругости на величину напряжений в элементах конструкции пути при пропуске вагонов с нагрузкой 30 тс/ось при различных скоростях движения.

Величины модуля упругости подрельсового основания могут значительно отличаться по длине пути [4] ввиду местных специфических условий, о которых было сказано выше. Специалисты ВНИИЖТа провели оценку упругих осадок подрельсового основания пути на направлении Москва—Владивосток с помощью диагностического нагрузочного поезда. На графике рис. 3 видно, насколько сильно изменяется осадка, а, значит, и модуль упругости пути на маршруте длиной в 9 тыс. км [5, 6].

В [3] модуль упругости подрельсового основания считается величиной постоянной для выбранной конструкции верхнего строения и не зависящей от осевой нагрузки вагона. Такое допущение было принято в связи с тем, что основные положения расчета пути на прочность были разработаны для оценки допустимой скорости подвижного состава по первой группе предельных состояний. Расчет заключался в сравнении силовых факторов (напряжений в кромке подошвы рельса, балласте или на основной площадке земляного полотна) с заданными нормативными значениями, превышение которых свидетельствует о потере несущей способности конструкции. Исходя из такой постановки задачи, расчеты по первому предельному состоянию проводились при максимально возможной величине вертикальной нагрузки от подвижного состава.
Значения модуля упругости подрельсового основания, табулированные в [3] для различных конструкций пути, были определены в результате многочисленных испытаний по воздействию подвижного состава на типовые варианты верхнего строения, уложенные на скоростном полигоне ВНИИЖТа Белореченская— Майкоп в летних условиях.
При проектировании новой конструкции пути, обеспечивающей повышенную наработку тоннажа, должны быть также проведены расчеты по второй группе предельных состояний (накоплению деформаций в пути, приводящему впоследствии к значительным расходам на его техническое обслуживание). При этом оценка накопления деформаций должна проводиться по существующему или перспективному спектру вертикальных сил от подвижного состава с учетом влияния погодных и климатических факторов.
Расчет по [3] позволяет определить вертикальные силы, передаваемые от колеса на рельс, и напряжения в элементах конструкции пути, вызванные этими силами, при пропуске вагонов с различной осевой нагрузкой и произвольном значении модуля упругости. На основании полученных результатов можно построить функции плотности распределения сил и напряжений.


Диапазон вертикальных нагрузок при определении модуля упругости подрельсового основания (или упругих прогибов рельса) имеет существенное значение по той причине, что для этого применяют стационарное нагрузочное устройство («модульный» вагон) либо передвижные нагрузочные устройства различного типа, которые и позволяют получить зависимости упругих прогибов рельса при приложении вертикальных усилий на его головку. Типичный вид такой зависимости приведен на рис. 4.
На рис. 4 диапазон измерений принят от Р] до Р2 с соответствующими значениями прогибов рельса от z, до z2. В этом диапазоне модуль упругости подрельсового основания может быть определен по формуле


В случае однократного приложения нагрузки Р и полученной при этом осадке z модуль упругости подрельсового основания можно оценить по формуле


В 2021 и 2022 гг. были проведены экспериментальные исследования с оценкой силовой нагруженности пути на участках сети, включенных в перечень, утвержденный Распоряжением ОАО «РЖД» от 21.07.2021 № 1577/р, для разработки и верификации динамической модели взаимодействия экипажа и пути как одного из основных этапов Дорожной карты по разработке конструкции и технологий содержания пути, обеспечивающего наработку 2,5 млрд т брутто пропущенного тоннажа. В рамках этих исследований производились измерения вертикальных сил, передаваемых от колеса на рельс под проходящим подвижным составом, и соответствующих этим силам осадок рельсов. Затем по формуле (3) были получены значения модуля упругости для каждого случая воздействия колеса на рельс. По форме поля полученных результатов (рис. 5) можно предположить линейную зависимость модуля упругости от величины приложенной вертикальной силы и вывести функциональную зависимость
Uz = 0,358Р, МПа,
где Р — величина нагрузки, передаваемой от колеса на рельс, кН.

Аналогичные линейные зависимости были получены для всех участков наблюдения в прямых и кривых, на подъеме и спуске, в летних и зимних условиях при различных значениях грузонапряженности на Московской и Восточно-Сибирской дорогах, а также на земляном полотне на слабом основании на Северной дороге.
Полученные зависимости приведены в таблице.
Учитывая вышеизложенное, остается констатировать, что конструкция пути под воздействием вертикальных сил от подвижного состава работает как система с обратной связью. Более высокие нагрузки вызывают повышение модуля упругости подрельсового основания и, как следствие, распределение этих нагрузок на меньшее количество шпал. Данную особенность необходимо учитывать при расчетах новых конструкций пути по второй группе предельных состояний и прогнозировании трудозатрат на их текущее содержание, в том числе при перспективных условиях эксплуатации.

Выводы

• 1. При разработке новых конструкций пути, предназначенных преимущественно для грузового движения, должны проводиться расчеты как по первой, так и по второй группам предельных состояний.
• 2. Модуль упругости является фактором, существенно влияющим на величины напряжений и упругих деформаций, возникающих в конструкции пути при воздействии на него подвижного состава.
• 3. При выполнении расчетов по второй группе предельных состояний необходимо учитывать структуру поездопотока (соотношение различных осевых нагрузок и скоростей движения вагонов), влияние климатических и погодных факторов в конкретном регионе. В данном случае некорректно применять табулированные в [3] значения модуля упругости подрельсового основания.
• 4. Экспериментальные исследования показывают, что модуль упругости подрельсового основания линейно связан с величиной вертикальной нагрузки, прилагае
• мой к рельсу, и существенно зависит от сезона и местных условий, в том числе основания земляного полотна.

Список источников

1. Кореньков Д.А., Иванников М.А., Загитов Э.Д. Требования к перспективным элементам инфраструктуры, ремонту и обслуживанию пути // Путь и путевое хозяйство. 2023. № 1. С. 2-4.
2. Методика оценки эффективности эксплуатации грузовых инновационных вагонов на железнодорожной инфраструктуре Российских железных дорог: утв. Приказом Минтранса России от 23.10.2017. № 457. Доступ через СС «Техэксперт».
3. Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения надежности: утв. Распоряжением ОАО «РЖД» 22.12.2017. № 2706. Доступ через СС «Техэксперт».
4. Monitoring of wheel/rail interaction processes. Сборник тезисов докладов конференции IHHA. 2003, Даллас.
5. Левинзон М.А. Установление условий обращения подвижного состава в современных условиях эксплуатации: дис. доктора техн, наук: 05.22.06 / место защиты: ВНИИЖТ. М„ 2001, 296 с.
6. Паспорт железных дорог по габаритным условиям и несущей способности земляного полотна и искусственных сооружений: научно-технический отчет: 1323/00 /ВНИИЖТ, 2000.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК