13.2.2. Показники якості ущільнення

При проектуванні сучасні колійні машини в основному розраховуються на роботу з важкими типами РШР, що спираються на шар щебеня. Щебінь є сипким середовищем, що складається з часток і проміжків між ними, які заповнені в основному повітрям. Сипке тіло має деякі властивості, що відрізняють його від класичних твердих тіл і рідин. З одного боку воно може зберігати форму (має пружність форми), яку йому надали машиною, а з іншого боку воно може втрачати форму, наприклад під впливом вібрацій. Велике значення у збереженні пружності форми має внутрішня текстура (взаємне розміщення часток). Більше рихла і менш впорядковане розташування відповідає зниженню можливості сприймати навантаження, а менш рихла і більше впорядковане розташування часток сприяє підвищенню здатності опиратись навантаженням. При рихлому стані більшою мірою проявляються розпірні властивості баластного матеріалу. Розпірні властивості характеризуються появою бічного тиску, перпендикулярного основному тиску. Якщо бічному тиску нічого не протидіє, відбувається випинання баласту в сторони з руйнуванням основного тіла.

Нині основні властивості щебеня містяться в ДСТУ Б В.2.7-204:2009 «Щебінь із природного каменю для баластного шару залізничної колії» Технічні умови.

Щебінь отримують шляхом дроблення матеріалу з вивержених гірських порід з щільністю не менше 2,4 г/см³ і складається з часток фракцій в межах 25 − 60 мм.

Стан баластної призми (шару) характеризується якістю ущільнення. Т_е, як швидко накопичуються залишкові деформації під поїздами в довільно узятому поперечному перерізі колії, залежить від міри ущільнення шару, а те, як ці опади розподілені просторово вздовж і поперек колії залежить від просторового розподілу степені ущільнення, тобто від нерівномірності ущільнення вздовж і поперек колії.

Для аналізу показників ущільнення уявимо собі шар баласту, який в початковий момент часу має товщину H_н (рис. 13.6) [58]. Після силової дії на нього у вертикальному напрямі відбувається обтиск, внаслідок чого нова товщина шару стає рівною H_у. Стан шару до і після ущільнення можна характеризувати величинами осідань H_н, H_у з гіпотетично гранично рихлого стану, який характеризується товщиною H₀. Наочніше ущільнення баластного шару виражається в показниках відносного просідання з гранично рихлого стану, відповідно, для початкового і ущільненого станів:

(13.1)

де V_н, V_у – зменшення об'ємів баластного шару до і після його ущільненні з гіпотетичного гранично рихлого стану;

V₀ – об'єм шару у вказаному рихлому стані, який приймається як базовий.

Машина приводить баластний шар з деякого стану попереднього ущільнення в стан після ущільнення, тому можна вважати, що машина "додає" відносне осідання шару у вказаному сенсі на величину

. (13.2)

У цьому сенсі відносні просідання колії адитивні, оскільки накопичуються і визначаються відносно одного й того ж базового стану.

Як видно з формул, відносне осідання можна визначати і через співвідношення об'ємів баластного шару в різних його станах. В цілому, це оцінка на макрорівні зовнішніх проявів ефекту ущільнення.

На мікрорівні (на рівні часток, що взаємодіють одна з одною) використовуються два показники, що характеризують співвідношення об'ємів, зайнятих частками V_с (об'єм скелета), і об'ємів, зайнятих повітрям V_п (об'єм пор). Це пористість n і коефіцієнт пористості , відповідно

. (13.3)

Ущільнений стан щебеневого баластного матеріалу характеризує також об'ємна щільність ρ_у, як відношення маси щебеня до займаного ним об'єму. Проте об'ємна щільність залежить від щільності матеріалу часток, тому рідше використовується в розрахункових моделях процесу ущільнення.

Описані вище показники ущільненого стану щебеня пов'язані між собою співвідношеннями [13, 57, 58]:

, (13.4)

де ε₀, ε_у − коефіцієнти пористості;

n₀, n_у − пористості гранично рихлого і ущільненого станів щебеня;

ρ_з, ρ_у − щільність матеріалу часток і об'ємна щільність ущільненого щебеня.

Методика розрахунку робочих органів ущільнювачів колійних машин, що викладається тут, використовує як основні показники коефіцієнт пористості  і відносне осідання шару E.

Пористість щебеня по ДСТУ Б В.2.7-204:2009 в гранично рихлому стані коливається в межах n₀=0,42−0,45 (в середньому n0=0,435), а в гранично ущільненому стані nп=0,36−0,37 (в середньому nп=0,365) [45]. Вичислення за формулами (1.4) показує, що в гранично рихлому стані коефіцієнт пористості ε₀=0,724−0,818 (в середньому ε₀=0,770), а в гранично ущільненому стані εп=0,563−0,587 (в середньому εп=0,575). Відносне осідання ущільнення граничного стану складає E_п=0,18−0,25, В розрахунках робочих органів ущільнювачів путніх машин можна приймати: ε₀=0,80, ε_п=0,57 і E_п=0,20. Ці значення задовільно узгоджуються з отриманими раніше даними для щебеневого баластного шару, що виготовляється за попередніми стандартами. Показники оцінки якості (мірі і рівномірності) ущільнення і стабілізації баласту шляху приведені в таблицю 13.1.

Таблиця 13.1.

Показники оцінки якості (міри та рівномірності) ущільнення і стабілізації баласту залізничної колії

Показник	Значення показники чи формула визначення
	Практично досягнуті	Граничні
Міра ущільнення
щільність, кг/м3	д=(1,5–1,8)103	(1,9–2,1)103
пористість	nд=0,36–0,38	0,33–0,34
коефіцієнт пористості	д=0,56–0,61	0,49–0,51
відносне осідання ущільнення	ΔН/Н=0,14-0,20	0,22–0,25
Якість ущільнення	; nn; ; HH	max min
Швидкість опади шару, мм/млн. т. брутто	dh/dT=Vh=var	Vh=const
Прискорення (рівномірність) просідання шару мм/(млн. т. брутто)2	d2h/dT2=Wh; ур(Wh)1,33 мм; ур(Wh)(0,25–0,33)о/оо	Wh=0

Технологічний процес ущільнення масиву баластного шару пов'язаний з перерозподілом під дією силових чинників (робочих органів або навантаження потягу) об'ємів баласту усередині шару з утворенням локальних зон підвищеної внаслідок ущільнення (під рейковими нитками) і зниженої внаслідок розущільнення (у шпальних ящиках, під кінцями шпал) концентрації часток. Баласт, як сипке середовище, проявляє свої властивості реологій. Картина такого розподілу обумовлена конструктивними особливостями робочого органу і вибраними режимами взаємодії. При кожній новій силовій дії на баластний шар робочим органом, як це має місце при роботі машинних комплексів, відбувається зміна картини розподілу концентрації матеріалу в шарі. Відносне осідання ущільнення E_у після силової дії визначається по формулі

, (13.5)

де Vн, Vу – об'єми, займані баластом до і після ущільнення.

Модель застосовна для розрахунку ефекту ущільнення баластного шару при одноразовій дії. Такий підхід використовується у більшості методик розрахунку результату ущільнюючої силової дії на баластний шар робочими органами колійних машин.

В той же час, в складніших технологічних процесах реалізується багатократна силова дія на баластний шар. За потреби робиться додаткове часткове підбиття баластного шару. Наприклад, якщо ущільнений стан ядра досягається за рахунок залучення до процесу двох початкових об'ємів баласту, то можна показати, що відносне осідання масиву баластного шару (ядра ущільнення) виражається формулою [58]:

. (13.6)

У цій формулі індекси н₁, н₂ при змінних означають, що показник відноситься до першого і другого об'ємам до ущільнення.

Найпоширеніший спосіб ущільнення баластного шару - вібраційний обтиск. Початковий стан баласту характеризується відносним осіданням ущільнення E_н, а стан після силової дії - відносним осіданням ущільнення E_у. У розрахунках робочих органів ущільнювачів використовується поняття гіпотетичного гранично рихлого стану і гранично ущільненого стану. Вони характеризуються відповідними відносними осіданнями ущільнення E₀ і E_п. Вище приведені залежності, що характеризують зміну відносної опади ущільнення при обтиску одного об'єму (13.5) або при з'єднанні двох об'ємів в один об'єм баласту

Оскільки є гранично ущільнений стан баласту, то стабілізація шляхом ущільнення моделюється процесом насичення взятого до розгляду показника ущільнення - відносною опади E. Такою моделлю описується, наприклад, процес підвищення температури корпусу електродвигуна при включенні його в постійний режим роботи та ін. Процес накопичення відносного осідання E баластного шару, наприклад, при стабілізації в період T₁ (рис. 13.7) можна описати виразом:

, (13.7)

де E_н – початкове відносне осідання ущільнення, що отримується при статичному обтиску баласту відразу після додатка навантаження (в цьому випадку вона виходить в результаті дії колісних пар машин при роботі);

E_п – гранично можлива для конкретного характеру силової дії відносне осідання ущільнення;

K_E – коефіцієнт крутизни наростання відносної опади ущільнення від початку силової дії, 1/млн т. брутто (для випадку E_н=0, отриманий коефіцієнт крутизни K_E~0,4, співпадаючий з результатами досліджень [8]);

T – пропущений тоннаж з урахуванням динамічних чинників, млн т. брутто.

Рис. 13.7 Накопичення відносного просідання ущільнення E в баластному шарі при дії поїзного навантаження в залежності від пропущеного по ділянці тоннажу T

При зростанні пропущеного тоннажу відносне осідання асимптотично прагне до граничного значення E_п, тому тоннаж T₁, що відповідає періоду обкатки (рис. 13.7), призначається значною мірою директивно, з урахуванням накопиченого досвіду експлуатації. Пунктирна лінія відбиває крутизну наростання відносною опади в початковий момент додатка навантаження потягу. Якби не було насичення, то відносне осідання зростало б нескінченно.

В результаті роботи путньої машини відносне осідання ущільнення стає рівною E_м, що означає, що машина дозволила зменшити стабілізаційний тоннаж T₁ на величину T_м. Для досягнення стабільного стану баластного шару залишається пропустити тоннаж T_ост.

Залежність (13.7), в загальному випадку, застосовна і до деякого елементарного об'єму баласту, силової вібраційної дії вібруючою поверхнею, що піддається, з наростаючим в кожному циклі тиском p, кПа. В цьому випадку величина T набуває сенс інтегрально накопиченого баластом навантаження впродовж часу циклічної дії вібруючої поверхні, кПа:

(13.8)

де ω – кутова частота коливань вібруючої поверхні, рад/с;

t_в – час дії вібруючої поверхні, с;

i – лічильник циклів коливань (i=1, 2,., N).

Межу тиску, при якому баластний матеріал починає текти рекомендується обчислювати за формулою [57], кПа:

(13.9)

де q – досвідчений коефіцієнт q=(0,3-0,5)10³ кПа для рихлого баласту;

q=(0,6-0,8)10³ кПа для ущільненого баласту;

ε – коефіцієнт пористості баласту, який пов'язаний з іншими показниками ущільнення, що слідує їх формул (13.4).

Проміжні значення коефіцієнта q можна визначити методом лінійної інтерполяції, наприклад, прийнявши q₀=0,3∙10³ кПа для гранично рихлого щебеня і q_п=0,8∙10³ кПа для гранично ущільненого щебеня. Формулу можна використати для ε>0,5.