Техническое описание (Оптимизация жёсткости жел путейx)

1
Оптимизация жёсткости рельсовых путей с целью предотвращения
крушений на железнодорожном транспорте.
Ярославский государственный технический университет
Л.П. Размолодин
За прошедшее время, начиная с 1990г. до 2000г., в связи с сокращением в России
уровня промышленного и сельскохозяйственного производства, а также торгового
оборота объём перевозок железнодорожным транспортом снизился в среднем на 40%.
Однако, начиная с 2001г. валовый национальный продукт начал расти в среднем на 3% 5% в год, что повлекло увеличения грузооборота на железнодорожном транспорте. В
настоящее время железной дорогой перевозится в среднем 1,3 млрд. т. грузов и 1,4
млрд. пассажиров в год.
Железнодорожный путь для России, протяжённость которого равна 86 тыс. км.,
является важнейшей частью её транспортной инфраструктуры. От состояния путей зависит
непрерывность и безопасность движения поездов, объёмы перевозок, эффективность
использования подвижного состава, поэтому вопросы его надёжности и долговечности
являются важнейшими и играют роль стратегического характера не только для
железнодорожных служб, но и для всех хозяйствующих субъектов страны.
В «Белой книге» ОАО «РЖД» отмечается, что железнодорожные рельсы,
изготовленные в России, в 2 и более раз по качеству уступают лучшим зарубежным
образцам и не могут быть использованы для высокоскоростного движения. В ориентирах
инновационных направлениях ОАО «РЖД» указаны вектора развития, к которым следует
отнести:
внедрение
инновационных
технологий
в
области
эксплуатации
железнодорожного транспорта, увеличение на 6,6% среднего веса поездов, увеличение
на 10% средней участковой скорости грузового движения, на 4% снижения удельного
расхода электроэнергии на тягу поездов, снижение на 20% количества отказов
технических средств, применение малообслуживаемой техники и снижение трудозатрат.
Большую роль в решении этих задач играет состояние и надёжность
железнодорожных путей. Практика их эксплуатации показала, что основные причины
изломов и прочих дефектов рельс возникают вследствие динамических нагрузок во время
прохождения состава. Избежать этого можно путём повышения жёсткости пути с
обеспечением его равноупругости, когда эти параметры будут находиться в оптимальном
соотношении.
Упругость пути необходима, чтобы гасить динамические воздействия колёс на
рельсы, нерегулярные высокочастотные вибрации от подвижного состава, подавлять
автоколебательные процессы, возникающие в диссипативной системе вагон – рессора –
упругое основание, а также динамическое воздействие при взаимодействии колесо –
стык. Что касается повышения жёсткости, которая для путей России по ГОСТ ЦП 2-86
должна составлять 5-6т/мм., то для путей за границей эта величина лежит в пределах 1525т/мм.
2
Жёсткость по отношению к инженерному сооружению ассоциируется с его
прочностью и понимается чем выше жёсткость, тем более прочным является это
сооружение. Прочность – жёсткость железнодорожного пути характеризуется жёсткостью
его отдельных конструктивных элементов, в том числе жёсткостью связи элементов
между собой, и будет определяться величиной зазоров между элементами, величиной
натягов, изгибной жёсткостью шпал, рельсов и т.д. В [ 1 ] автор оперирует понятиями
«жёсткость», упругость материала отнеся понятие жёсткости к его твёрдости, а упругость
к способности материала восстанавливать свой первоначальную форму после снятия
нагрузки. В механике [2] под упругостью понимают свойство материала сопротивляться
при его растяжении, сжатии, изгибе и зависящее не только от рода материала, но и от
геометрических размеров образца. Жёсткостью материала называют произведение
площади поперечного сечения образца на его модуль упругости. При этом упругость
включает в себя понятие жёсткость материала и дополнительно к величинам, которые
входят в жёсткость отвечает за силу, действующую на образец и его геометрические
размеры. Следует отметить не вполне корректное применение термина «жёсткость»
(податливость), упругость к железнодорожным путям. Это связано с тем, что жёсткость
характеризует физические свойства образца материала той или иной формы. Если к
механической конструкции, состоящей из отдельных элементов, изготовленных из разных
материалов и соединённых между собой тем или иным способом применить понятие
жёсткости в его классическом представлении [2], то это будет не вполне корректно. В этом
случае целесообразно характеризовать эту конструкцию её упругостью, а жёсткость
использовать только для характеристики её элементов. В этом случае упругость будет
являться интегральной характеристикой пути, и оптимизировать её целесообразно,
подбирая жёсткость составляющих элементов и конструктивных узлов их соединения. При
определении оптимального варианта динамического взаимодействия системы дорога –
экипаж, важную роль играет подкладочное устройство между рельсом и шпалой. Замена
его на сплошную подкладку по [3], позволит улучшить динамическое взаимодействие
вагон – колесо – рельс – подкладка – шпала – земляное полотно. При проведении
статических и динамических расчётов, оценивая практическую работу рельса,
принимается, что рельс лежит на однородном, равноупругом основании. В реальных
условиях рельс лежит на точечных опорах – шпалах, и при качении колеса оно испытывает
импульсное воздействие сил реакции связи со всеми вытекающими отсюда
отрицательными последствиями. Устранить это недостаток или свести к минимуму
можно, заменив существующие подкладки под рельсами на сплошную подкладка по [3],
что позволит:
- повысить однородность упругих свойств основания по длине пути и плавность хода
колеса, что важно для скоростного движения;
- увеличить погонное сопротивление подъёму рельса;
- можно применить более высокий уровень «жёсткости» торможения;
- уменьшить изношенность пары колесо – рельс, так как подуклонка рельса под
колесом более стабильное;
- уменьшить прогиб шпал;
3
- вследствие уменьшения прогиба рельса его потенциальную энергию,
определяющую его напряжённое состояние, позволит существенно снизить;
- повысить несущую способность пути, что позволит сократить количество шпал на 1
км. пути;
- повысить устойчивость пути к выбросам, так как подкладка близка к аналогу пути с
бесшпальным основанием;
- повысить безопасность движения за счёт исключения изломов рельс;
- ввиду изменения динамики вагон – путь снизить количество дефектов;
- снизить уровень шума;
- снизить затраты на текущее содержание пути;
- снизить трения качения, что позволит экономить энергию на перевозку грузов;
- пропускать поезда с более высокими осевыми нагрузками до 30 тонн-ось;
- увеличить наработку пути на 30 -40 процентов;
- подкладка не препятствует подбивке шпал, как показывают расчёты перекрытие
шпального ящика увеличивается всего на 5,6%;
- подкладка позволяет использовать её на криволинейных участках пути.
На Рис.1, 2, 3, изображена подкладка.
4
Она состоит из тела 1, в сечении имеющего форму трапеции с перемежающими
ребордами 2 и ребрами жёсткости 3, которые с целью придания в вертикальной
плоскости большей жёсткости подкладки перекрывают друг друга. На подкладку с целью
придания конструкции необходимых упругих свойств и гашения высокочастотных
колебаний кладётся резиновая прокладка 4. С целью предотвращения перемещения
прокладки в горизонтальной плоскости на пластине предусматриваются выступы 5. Рельс
к шпале и пластине может крепиться с помощью крепления 6 типа КБ, БП или другим
способом.
Размеры рёбер жёсткости 3 найдены исходя из следующей расчётной схемы Рис.4.
Дано: сечение с заданными размерами, материал: Ст3.
Определить: момент сопротивления W− по низу и верху подкладки.
5
1.
Находим положения центра тяжести в осях X1, Y0. Метод разбиения, три тела
①,②,③.
Центр тяжести находится на оси симметрии Y0.
Y0C =
𝐻 а+2𝑏
Тело ① трапеция: Y01C= 3
а+𝑏
,
𝛴𝑌𝑖𝐹𝑖
𝛴𝐹𝑖
;
i=1,2,3.
где H=6,5мм., а=350мм., b=151мм.
Тогда Y01C =
6,5 350+2∙ 151
= 2,81мм.
3 350+151
Тело② Y02C= 4,25мм.
Тело ③ Y03C= -25мм.
Находим площади тел.
F1=H
а+𝑏
2
= 6,5
350+151
2
= 1628,2мм2.
F2=8.5 ∙ 350 =2975мм2.
F3=50 ∙ 30 = 1500мм2.
Находим положение центра тяжести сечения
Y0c == ( F1∙Y01c + F2∙Y02c – 2F3∙Y03c)/(F1+ F2 + F3) =
(18415,5 +12643,7 −2∙ 1500 ∙ 25)/ (1628,2 + 2975 + 2∙ 1500)=−5,79 мм.
Центр тяжести находится ниже нижней плоскости подкладки на5,79 мм.
2.Вычисляем осевой момент инерции относительно нейтральной оси, проходящей
через центр тяжести.
Для тела① Jx1c = 5,4 ∙103 мм4.
Для тела ② Jx2c = 1/12 (F2∙ b2) = 1/12 (2975 ∙ 8,52) =17911,9 мм4.
Для тела③ jx3c = 2 ∙(1/12) (F3 ∙502) = 2∙(1/12) ∙ (1500 ∙ 502) =6,25∙ 105мм4.
Находим d для каждого тела:
d1= 2,81 + 8,5 + 5,79 = 17,1мм.
d2 = 8,5/2 + 5,79 = 10,0мм.
d3 = 25−5,79 =19,2 мм.
Момент инерции относительно нейтральной оси по теореме Штейнера:
Jxx = (Jxic + Md2), где i =1,2,3.
Jxx =Jx1c +Jx2c +Jx3c +( F1d2 + F2d2+F3d2) = 5,4 ∙ 103 +1,79 ∙ 103 + 6,25 ∙ 105+
+(1628,2 ∙ 17,12 +2975 ∙102 + 2∙ 150 ∙ 19,22 ) =25,2∙105мм4 .
Таким образом: Jxx =252 см4.
3.Осевой момент сопротивления:
6
по низуW = Jxx/zmax = 252/2,079 =121,2см3,
по верху W = Jxx/zmax =252/4,42 =57см3.
Рельс R75 по низу W=509 см3,
по верху W = 432 см3.
Суммарный момент сопротивления подкладки 𝛴W= 178,2см3.
Таким образом, момент сопротивления подкладки составляет 19% от суммарного
момента сопротивления рельса R75 и 22.4 % от R65. Результаты расчётов, выполненные
для других высот рёбер приведены на Рис.5.
Откуда видно, что зависимость осевого момента сопротивления от высоты ребра
подкладки линейна и можно подобрать высоту ребра, соответсвующую заданной
жёсткости подкладки.
Практика показала, прогиб рельса при прокатывании по нему колеса с осевой
нагрузкой до 11т. обусловлена как прогибом самого рельса, опирающегося через
подкладку на шпалы, прогибом шпал, так и потерей жёсткости подшпального основания.
Из-за несоответствия подрельсовых конструкций заданным параметрам, влиянием
сезонных температур, погодных условий на железнодорожное полотно интегральный
прогиб рельс, как показано в [1 ] может достигать до 4мм. и более. Так как в реальных
условиях путь является существенно неравноупругим, то можно утверждать, что на
колесо вагонной тележки при его движении действует трение качения, характеризуемое
моментом сопротивления движению. Оценим затраты энергии на работу трения качения
7
при перемещении грузов по дорогам России. На Рис.6 приведена расчётная схема при
диаметре колеса 950 мм. и прогибе рельса 1 мм.
Коэффициент трения качения
fтк =(ОК2-ОА2 )0,5= 3,08см.
Момент трения качения при нагрузке на колесо 11т.
𝘔тк = fтк∙ N =3320,2 н/м.
При средней скорости перевозки 48,0 км/час, мгновенная угловая скорость качения
колеса равна
ω = (v/R) = 28,07 с-1.
В 2010г. грузооборот ОАО «РЖД» составлял 2010,6 ∙109 т∙км., погружено было
1205,8∙106 т. Эти грузы были перевезены на расстояние
2010,6∙109 : 1205,8 ∙106 =1,6 ∙103 км.
Работа одного колеса на этой протяжённости
А = 𝘔тк ∙ s/R = 1,1 ∙1010 н∙м.
Число колёс, необходимых для перевозки этого груза
N =1205,8 ∙106 /11 =109,6 ∙106 шт.
Работа всех колёс
𝛴А = А ∙ N = 12,05 ∙1017 н∙м.
Годовая мощность
N = 𝛴А/год =3,8 ∙ 1010 Вт. Или 13,7∙ 1010 кWт ∙ч.
При стоимости одного кWт ∙ч эл. Энергии 1,9 руб, затраты на преодоление силы
трения качения составляют 263 млрд. руб. При прогибе 2мм.составят381,9 млрд. руб., при
прогибе 4 мм. 539 млрд. руб. На Рис.7 показаны затраты на трение качения от прогиба.
8
Проведём оценку стоимости предлагаемой сплошной подкладки отталкиваясь от
стоимости широко применяемой в настоящее время подкладки КБ. Её средняя площадь
поперечного сечения составляет ∿ 55,5 см2 , вес ∿ 6,79 кг., стоимость 4,75 руб. Площадь
поперечного сечения предлагаемой подкладки 67 см2. Погонная стоимость 1м. подкладки
КБ 48,5 руб. Сплошная подкладка изготовляется из того же материала, что и КБ. Её
погонная стоимость будет составлять ∿58,5 руб./м. На всей протяжённости
железнодорожных путей 86000 км. стоимость будет соответствовать 50,3 10 8 руб., что
сопоставимо с экономией по снижению затрат на работу по преодолению трения качения
при прогибе рельсового основания на 1мм. При расчёте затрат на новую подкладку надо
ещё учесть расходы на её изготовление, которые будут больше чем на изготовление
подкладки КБ, транспортировку и монтаж. Большую часть увеличения возьмут на себя
расходы на изготовление, так как её технология будет иной. Предлагается изготовлять
подкладку методом горячей штамповки из непрерывной заготовки по следующей
технологии
а) прокатка горячеё заготовки, прямоугольного профиля;
в) дополнительный подогрев до требуемой температуры;
г) непрерывная штамповка на штампе ∿ 2000т.;
д) передача подкладки на обрезку;
е) операция дополнительной обработки;
ж) передача образца на правку;
з) контроль качества изделия и передача на склад.
9
Литература:
1. Управление надёжностью бесстыкового пути. Под. Ред. В.С. Лысюка, Изд.
«Транспорт», М., 1999г., с.375.
2. Н.М.Беляев «Сопротивление материалов», ГИТТЛ, М, 1954г., с.856.
3. Патент на изобретение №2301860, ЯГТУ, Л.П.Размолодин, С.М.Погостовский.
2006г. Опубл.27.06.2007г. Бюл.18.
4. Железнодоржный путь. Под. Ред. Т.Г.Яковлевой, Изд. «Транспорт», М., 1999г.,
с. 405.