Admin

Напряженное состояние пути при использовании устройства для выравнивания рельсовой нити

СЫЧЁВ В.П., Российский университет транспорта (РУТ(МИИТ)), докт. техн, наук, СЫЧЁВА А.В., РУТ (МИИТ), канд. техн, наук, ОВЧИННИКОВ Д.В., Приволжский государственный университет путей сообщения, канд. техн, наук

Аннотация. В статье обосновывается возможность применения подрельсового устройства для выравнивания в профиле рельсовой нити при оперативном восстановлении пути на основе оболочек, наполняемых под давлением воздухом. Проведено моделирование установки устройства на типовую конструкцию с рельсами Р65 и промежуточными скреплениями ЖБР-Ш.
В среде конечно-элементного анализа построены математические модели участка пути с подрельсовым основанием для выравнивания рельсовой нити. Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния пути под устройством не выявили ограничений на применение данной конструкции по предельному напряженному состоянию.
Ключевые слова: железнодорожный путь, рельс, подрельсовое устройство, моделирование, конечно-элементный анализ.


При обнаружении высоких степеней отступлений от норм содержания рельсовой нити в виде просадок и перекосов вводятся ограничения (закрытие перегона, ограничение скорости), которые действуют до тех пор, пока нс будут устранены причины появления отступлений. Нарушения, как правило, устраняют в технологические перерывы в перевозочном процессе. Следовательно, от момента обнаружения до момента устранения причины действуют ограничительные меры в перевозочном процессе, и отрасль несет убытки.

Для временного оперативного устранения отклонений рельсовой нити от нормативных значений до устранения причины этих отклонений предложены устройства выравнивания рельсовой нити в профиле [1, 2]. На рис. I приведена схема такого устройства (конструкция и способ запатентованы). Подрельсовое устройство выравнивания рельсовой нити выполнено в виде оболочки с множеством отверстий, которая расширяется при принудительном наполнении воздухом и уменьшается в объеме при его истечении под давлением. Отверстия оборудованы клапанами и штуцерами. Оболочка укладывается непосредственно или через нижнюю прокладку на балласт и взаимодействует с рельсом непосредственно или через верхнюю прокладку. 'Горцы оболочки оборудованы приспособлениями для соединения с прокладками и опорой, выполненные в виде стержней.
При увеличении объема наполнителя рельс приподнимается до заданного уровня и фиксируется. Можно предварительно вывесить рельс путевыми домкратами.
Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния элементов выполнен для верхнего строения пути типовой конструкции [3] (рельсы Р65, железобетонные шпалы, скрепления ЖБР-Ш, толщина балластного слоя 30 см) и пути с подрельсовым основанием для выравнивания рельсовой нити на пневмооболочках (при тех же параметрах пути).


Для решения этой задачи разработаны геометрические (с полным подобием реальной конструкции), а также на их базе математические модели в среде конечно-элементного анализа [4].
Мощность конечно-элементных моделей составляет около 2,3 млн узлов в зависимости от конфигурации с использованием тетраэдров второго порядка с 10 узлами на элемент. Параметр сетки имеет значение моды, близкое к 0,8—0,9, что обеспечивает незначительную разницу выходных данных в узлах, относящихся в одному элементу. Эти параметры достигаются сгущением сетки элементов в местах концентрации деформаций и напряжений. Для уменьшения общего количества узлов и элементов использованы свойства симметрии модели.

Для описания нелинейных свойств слоистой структуры балластной призмы и земляного полотна применена модель пластичности Мора—Кулона.
Нагружение в модели проводилось в несколько этапов:

• затяжка прикрепителей (изменение положения монорегулятора);
• деформации из-за собственного веса конструкции; воздействие подвижного состава.
• Усилия, передаваемые на рельсы от колес подвижного состава: вертикальные 29,42 кН, 115,23 кН, 122,58 кН, 132,39 кН и 147,1 кН; боковые 0 и 14,71 кН.

Передача нагрузки от колеса на рельсы происходит через зону взаимодействия системы «колесо-рельс», что повышает точность моделирования при значительных боковых силах, вызывающих кручение рельса в зоне бокового контакта с раскантовкой.
На рис. 2 показана сетка элементов модели.
Между элементами верхнего строения пути, а также балластным слоем и земляным полотном заданы контактные связи, в том числе нелинейные, позволяющие добавлять в область взаимодействия силы трения, отрыв элементов относительно друг друга [5]. Таким образом, данная конфигурация конечно-элементной модели позволяет учитывать при моделировании следующие особенности:

• перемещение колеса по головке рельса при изменении угла наклона (при раскантовке);
• затяжку прикрепителей с учетом силы трения между клеммой и рельсом;
• отрыв прокладки от подкладки при значительной раскантовке рельса со смещением усилий, передаваемых через подошву рельса на нижележащие элементы;
• опирание рельса в реборду подкладки при боковом смещении.

Применение нелинейных контактных связей совместно со сгущением сетки элементов позволяет получать результаты, наиболее близкие к эксплуатационной работе реальных конструкций пути [6, 7]. Выполнено моделирование воздействия колес подвижного состава на участок пути, получены значения напряжений в элементах верхнего строения, приведенные в табл. 1.
Проведена оценка напряженно-деформированного состояния при укладке подрельсового основания при различной высоте оболочки (от 10 до 40 см с шагом 10 см), включая сочетания толщин пневмоэлементов на соседних шпалах с резкими перепадами толщин оболочки (от 10 до 40 см, от 40 до 10 см) и плавным переходом толщины от 40 к 10 см. Высота оболочки зависит от величины провисания рельсовой нити и глубины, на которую подкопан щебеночной слой для укладки нижней плиты. Свойства пневмооболочки на первом этапе подобраны в соответствии с жесткостью балластного слоя без учета нелинейных сыпучих свойств — в среднем жесткость составляет от 400 до 1500 МН/м в зависимости от толщины.
Параметры сетки, а также особенности нагружения в моделях аналогичны применяемым при расчете типовой конструкции [8]. Для оценки балластного слоя использованы осредненные значения напряжений с целью исключения «шума» в виде резких локальных скачков уровня напряжений. Результаты моделирования для разных высот оболочек приведены в табл. 2 и 3 в сокращенном виде вследствие большого объема выходных данных.

Сравнительный анализ напряженного состояния элементов верхнего строения пути типовой конструкции и пути с пневматическим основанием не выявил резкого увеличения внутренних силовых факторов, а также концентрации напряжений в характерных сечениях пути. Изменение общей жесткости в вертикальной плоскости ввиду применения подрельсовых устройств выравнивания рельсовой нити не приводит к изменению изгибающих напряжений в кромках рельсов при условии достаточной жесткости пневматических устройств (не менее жесткости балластного слоя типовой конструкции пути).
Также выявлено, что сжимающие напряжения на шпале в подрельсовой зоне увеличиваются при малой толщине оболочки устройства вследствие перераспределения усилий на меньшее количество подрельсовых опор при изменении общей жесткости конструкции. Максимальный рост до 8 % наблюдается при резком перепаде толщин пневмоэлементов. При малой толщине оболочки изгибные напряжения в верхней области шпалы уменьшаются до 35 % и на 15 % в области подошвы. В свою очередь, увеличение толщины оболочек до 40 см приводит к росту механических напряжений до 20 %.

Установлено, что применение пневмоустройств по сравнению со стандартной шпалой вследствие уменьшения общей площади опирания конструкции пути на земляное полотно увеличивает нагрузку на грунт до 350 кПа, превышая допускаемые значения напряжений на основной площадке при эксплуатации пути. Однако непродолжительный период воздействия, малое количество циклов «нагрузка—разгрузка» при использовании устройства и применение единичных экземпляров его на участке компенсирует эту особенность пагруженности пути.

[топ]Выводы

1. Разработаны трехмерные модели типового участка пути, а также пути специальной конструкции с подрельсовым устройством выравнивания рельсовой нити для дальнейшего математического моделирования в среде конечно-элементного анализа.
2. Проведен расчет напряженно-деформированного состояния вышеуказанных конструкций пути в характерных сечениях для оценки возможности применения пневмоэлементов в качестве инструмента выравнивания рельсовой нити в профиле для оперативного восстановления перевозочного процесса.
3. Оценка и сравнительный анализ механических напряжений не выявил значительного увеличения
напряжений в элементах верхнего строения (кроме основной площадки), а также возникновения зон концентрации внутренних силовых факторов вследствие перераспределения жесткости пути.
4. Особенностью применения пневмоустройств в качестве подрельсового основания является рост нагруженности основной площадки земляного полотна вследствие сокращения площади взаимодействия с вышележащими элементами. Данная отличительная черта подрельсового устройства нивелируется непродолжительностью применения, малым количеством циклов нагружения, а также немногочисленностью установленных устройств.

[топ]Список источников

1. Сычёв В.П., Сычёва А.В. Оперативное восстановление рельсовой нити по уровню // Путь и путевое хозяйство. 2023. № 3. С. 20-21. EDN: QCCHCN.
2. Патент № 2786891 РФ, Е01В 23/00. Подрельсовое устройство и способ оперативного восстановления рельсовой нити по уровню / Сычёв В.П. № 2022119094; заявл. 13.07.2022; опубл. 26.12.2022; Бюл. № 36.
3. Альбом элементов и конструкций верхнего строения железнодорожного пути: утв. главным инженером Управления пути и сооружений Центральной дирекции инфраструктуры — филиала ОАО «РЖД» В.М. Ермаковым 19.12.2011.
4. Овчинников Д.В. ЗО-моделирование напряженно-деформированного состояния элементов пути // Железнодорожный транспорт. 2023. № 3. С. 50-53. EDN: YIKCZQ.
5. Исследование особенностей динамической реакции верхнего строения железнодорожного пути от подвижного состава на основе модели трансверсально-изотропной пластины на деформируемом основании / А.А. Локтев, А.В. Сычёва, Е.В. Запольнова, В.П. Сычёв, В.Г. Дмитриев // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2018 № 2. С. 55—65. EDN: XNSMXB.
6. Оценка напряженно-деформированного состояния рельсов при различных условиях эксплуатации на основе моделирования методом конечных элементов / А.Ю. Абду-рашитов, Д.В. Овчинников, В.П. Сычёв, А.В. Сычёва // Известия Транссиба. 2023. № 1 (53). С. 62-73. EDN: BIARZU.
7. Rails life cycle evaluation depending on the operating conditions I V.R Sychev; D.V. Ovchinnikov; A.Yu. Abdurashitov; V.A. Pokatsky; A.V. Sycheva // International Transport Scientific Innovation: ITSI-2021: AIP Conference Proceedings. 2023. Vol. 2476, No 1. 020010. DOI: https://doi.Org/10.1063/5.0104545.
8. Верификация математических моделей и проведение расчетов предельного состояния и эксплуатационного ресурса по комплексному показателю долговечности рельсов с учетом кодов дефектов 21.1;21.2;53.1;69 / Д.В. Овчинников, В.А. Покацкий, А.Ю. Абдурашитов, П.В.Сычёв // Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство. 2018. Т.13, № 13 (13). С. 16-28. EDN: YQOLNJ.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК