m0955

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

чивости пути необходимо, чтобы силы сопротивления пути поперечному сдвигу были больше суммы боковых сил, передающихся от подвижного состава на рельсы.

Если не одна шпала под действием поперечных сил не сдвигается в балласте, то устойчивость колеи против поперечного сдвига обеспечена. Это условие избыточное, так как поперечная устойчивость пути будет нарушена лишь при групповой сдвижке шпал. В случае если одна из шпал, оказавшаяся в наиболее неблагоприятных условиях начнет смещение поперек пути, то в сопротивление перемещению окажутся вовлечены соседние шпалы. Поэтому достаточно, чтобы для отдельно взятой шпалы, выдерживались условия предельного равновесия.

Схема сил, передающихся на шпалу от рельса и сил сопротивления сдвигу от балласта, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема сил передающихся на шпалу от рельса и сил сопротивления сдвигу от балласта

Если сопротивление сдвигу поперек пути незагруженной подвижным составом шпалы обозначить черезR0, а коэффициент трения нижней постели шпалы по балласту – через fш, то условие равновесия шпалы примет вид:

где Нш – полное горизонтальное усилие, воспринимаемое шпалой, Н; Q – вертикальное давление рельса на шпалу, Н:

где k – коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса в вертикальной плоскости; l – расстояние между осями шпал; P – вертикальное давление колеса на рельс, Н.

При рассмотрении рельса как балки бесконечной длины, опирающейся в горизонтальной плоскости на сплошное упругое

101

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

основание, горизонтальная нагрузка на узел скрепления определится выражением:

где kг – коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса в горизонтальной плоскости; l – расстояние между осями шпал, м; H1 – полная горизонтальная нагрузка на путь, Н:

где f0 – коэффициент трения скольжения колеса по рельсу; YБ – горизонтальная сила давления колеса на рельс, Н:

По мере старения пути в нем накапливаются повреждения, том числе в виде вертикальных и горизонтальных неровностей, вследствие чего YР будет расти. В тоже время сопротивление шпал сдвигу вследствие загрязнения балласта, особенно при сильном его увлажнение, будет снижаться. Наконец, в некоторый момент вре-

мени YР может превысить приведенное значение сопротивления шпалы сдвигу Rш и произойдет отказ.

При нормальном распределение сил YР и сопротивление шпалы сдвигу отказ не произойдет пока будет выполняться условие:

Среднее значение случайной величины ∆ в этом случае равно разности случайных величин Rш и YР:

Среднеквадратичное отклонение случайной величины:

102

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Откуда следует, что R 0 = 7,8 кН, а fш = 0,45 [7].

Расчеты вписывания в кривые грузовых вагонов с учетом продольных сил в поезде произведены с использованием методов разработанных проф. О.П. Ершковым.

Осреднение величин позволило получить обобщенные зависимости боковых сил Yб для грузового вагона на тележках модели 18-100 от расчетных нагрузок колес Р, непогашенного ускорения и продольных сил, возникающих в поезде N.

В формуле (13) αН – непогашенное поперечное ускорение.

где v – скорость движения поездов; R – радиус кривом; g – ускорение свободного падения; и – возвышение наружного рельса, мм; S0 = 1,6 м – расстояние между осями рельсов.

В технической системе мер формула (14) принимает вид:

103

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Впримере расчета поперечной устойчивости рельсошпальной решетки рассматривается конструкция пути с рельсами 65,Р железобетонными шпалами, скреплениями типа КБ, щебеночным балластом в кривой радиусом 300 и 350 м, имеющие типовые поперечные профили балластной призмы. Расчет выполнен для грузовых вагонов на тележках 18-100 с осевыми нагрузками 230 кН, движущихся по кривым со скоростью 70 км/ч.

Вкривой радиусом 300 м при возвышении наружного рельса 140 мм, поперечное непогашенное ускорение составляет 0,4 м/с2.

Вкривой 350 м при возвышении наружного рельса 130 мм, непогашенное поперечное ускорение составляет 0,28 м/с2.

При данных условиях в соответствии с формулами (19) и (20)

вкривой радиусом 300 м величины боковой и рамной силы примут значения Yб = 75,5 кН, Yр = 46,75 кН.

При возникновении в составе тормозной продольной силыN = = 500 кН и KN = 0,042 величина рамной силы достигнет величины

Yр = 68 кН.

Вкривых радиусом 350 м при величине непогашенного по-

перечного ускорения 0,28 м/с2 величина боковой рамной силыYр =

=41,5 кН. При возникновении продольной тормозной силыN =

=500 кН и KN = 0,039 величина рамной силы достигнет величины

Yр = 61 кН.

Среднее квадратическое отклонение рамных сил определяет-

ся через коэффициент вариации ν = 0,3.

Величину сопротивления железобетонной шпалы сдвигу определяют по формуле (18) при k = 1,54 м-1; k1 = 2 м-1; Ro = 7800 Н;

fш = 0,45; Р = 115 кН.

sш = 28,2 кН.

104

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Работоспособность поперечных связей шпал с балластом определяется по формулам (19) – (22) в кривой радиусом 300 м

при No = 0.

mD = 94000 - 46750 = 47150 Н.

sD = 14000 2 - 28200 2 = 31500 Н.

æ 47150 ö

P = 0,5 + Фç ÷ = 0,5 + Ф(1,53) = 0,937. è 31500 ø

При наличии продольной тормозной силы Nо = 500 кН. mD = 94000- 68000 = 26000 Н.

sD = 20400 2 - 28200 2 = 34800 Н.

æ 26000 ö

P = 0,5 + Фç ÷ = 0,5 + Ф(0,75) = 0,770 . è 34800 ø

В кривой радиусом 350 м при No = 0.

mD = 94000 - 41500 = 52500 Н.

sD = 12500 2 + 28200 2 = 30800 Н.

При наличии продольной тормозной силы Nо = 500 кН. mD = 94000 - 61000 = 33000 Н.

sD = 20100 2 - 28200 2 = 34600 Н.

Расчеты показали, что работоспособность поперечных связей шпал с балластом в кривых радиусом 300 и 350 м при отсутствии тормозных сил в поезде удовлетворительна. При наличии продольных тормозных сил устойчивость бесстыкового пути не

105

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

обеспечена. В кривой малого радиуса требуется усиление плеча балластной призмы.

2. Применение цементно-песчаного раствора для укрепления плеча балластной призмы

Одной из разновидностей указанных способов являются инъекционные методы, сущность которых заключается в нагнетании упрочняющих растворов в балластный слой под различным давлением. В качестве вяжущего в упрочняющем растворе применяют различные добавки – смолы, силикат натрия, клей и т.п.

В общем случае технология реализации способа напорной инъекции заключается в следующем. Нагнетание раствора в упрочняемый массив производится через заранее погруженный в грунт инъектор (металлическая труба из метровых секций Ø40 мм, с теряемым, либо щелевидным наконечником(рис. 3)), соединенный с растворонасосом высоконапорными шлангами.

На малых глубинах чаще всего используются инъекторы с теряемым наконечником. После погружения инъектора на проектную глубину производится его поддергивание вверх, при этом наконечник остается на дне скважины, а через образовавшееся отверстие производится нагнетание упрочняющего раствора в грунт.

3.Технология использования инъекторов

воткосной части балластной призмы

Внедрение инъекторов в грунтовый массив может осуществляться как забивкой, так и вдавливанием при помощи специальных машин и механизмов. Расстояние между инъекторами принимается от 2,0 до 2,5 м, в зависимости от типа грунтовых условий, и уточняется, как при подборе состава инъектируемого раствора, в процессе опытно-производственной закачки.

Все работы выполняются с рабочих стоянок. Решение о расположении и количестве стоянок оборудования принимает на месте ответственный производитель работ. Работы организуются по отдельным захваткам. Забивка инъекторов производится с помощью пневмоударной машины ПУМ-65 с использованием стартового устройства. Погружение осуществляется до проектной отметки под проектным уклоном (рис. 3).

Параллельно с процессом погружения инъекторов начинается приготовление цементно-песчано-глинистого раствора, для че-

106

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

го используется штукатурно-смесительный агрегат СО-180. Исходный состав компонентов на1 м3 раствора: песок – 1000 кг, глина 200 кг, цемент М 400 – 200 кг, пластификатор – 1,5 кг.

Рис. 3. Принципиальная конструкция и составные элементы инъектора с теряемым наконечником:

1 – звено инъектора; 2 – переходная муфта; 3 – соединительная муфта; 4 – теряемый наконечник

Рис. 4. Технологическая схема и последовательность производства работ при использовании метода напорных инъекций:

а– погружение инъекторов; б – приготовление инъекционного раствора;

в– нагнетание раствора в грунтовый массив; 1 – компрессорная станция; 2 – кольцевая пневмоударная машина, либо ручной копер; 3 – воздушные шланги высокого давления; 4 – расходные материалы; 5 – забивной инъектор; 6 – штукатурно-смесительный агрегат;

7 – нагнетание раствора; 8 – упрочненная зона

107

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

4. Применение полимерных эмульсий для упрочнения грунтов

Полимерные эмульсии на акриловой основе используются для укрепления грунтов в дорожном и аэродромной строительстве. Обработка полимерными стабилизаторами увеличивает морозостойкость и улчшает прочностные характеристики грунтов.

В сравнении с результатами использования цемента, эти продукты являются наиболее эфффективными материалами для укрепления грунта. Отличительная особенность этих материалов – эффективное действие и легкость в применении, при достаточно низких затратах, что делает их просто идеальным дорожностроительным материалом.

Главными преимуществами над другими стабилизаторами, производимыми сегодня, является:

–эмульсия отлично взаимодействует с грунтами, имеющими как высокие, так и низкие значения показателя кислотности (рН). Она может смешиваться с питьевой, и с соленой водой;

–грунт, укрепленный полимерной эмульсией, имеет сходие прочностные показатели с показателями грунтов укрепленных неорганическими и органическими вяжущими.

Время выдержки. Дорожное полотно, изготовленное с помощью полимерных эмульсий, готово к использованию уже через 2 часа после проведения работ, и оно, в зависимости от толщины слоя, способно выдерживать тяжелую технику.

По данным исследований, образей грунта стабилизированного из расчета 3,5 л на 1 м3 грунта, имеет следующие физикомеханические показатели:

–прочность водонасыщенного образца при одноосном сжатии – 39 кг/см2;

–мороустойчивость – не менее 15 циклов замораживанияоттаивания при потери прочности не более чем на 5 %.

Научный руководитель д-р техн. наук, проф. Н.И. Карпущенко

108

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

П.С. Труханов

(факультет «Строительство железных дорог»)

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЛЬСОШПАЛЬНОЙ РЕШЕТКИ С ОЦЕНКОЙ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ РЕЛЬСОВ

Начиная с серединыXIX – начала XX вв. ученые исследуют проблему определения величины нагрузки, передаваемой от подвижного состава на путь. К этому времени относится и разработка первых математических моделей взаимодействия экипажа и пути (модель рельса как балки на сплошном упругом основании и -мо дель рельса как балки на многих упругих опорах), и проведение первых экспериментальных исследований. Существует два основных направления развития методов расчета пути на прочность.

Рельс рассматривается либо как балка на упругих точечных опорах, либо как балка на сплошном упругом основании. Оба эти направления развивались параллельно и одновременно.

В настоящей работе рассматриваются возможности применения при расчетах на прочность численной модели железнодорожного пути, в которой учитывается реальное опирание рельса.

Модель рельса на сплошном упругом основании

Первой задачей являлось моделирование рельса длиной L балочными конечными элементами числом n.

Для определения параметров модели была получена связь между характеристиками подрельсового основания и стержневого элемента:

где – модуль упругости подрельсового основания, Па; – длина стержня, м; – жесткость стержня, Па·м1.

За критерий правильности выбора величин параметров модели принимается различие результатов численного расчета с ана-

литическим решением балки на сплошном упругом основании [1]. На рис. 1 представлена конечно-элементная схема балки.

Характеристики балочного элемента соответствуют рельсу типа Р65, параметры стержневого элемента – для модуля упругости подрельсового основания (соответствует кривому участку с R = 600 м для летнего периода).

109

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Рис. 1. Конечно-элементная схема балки:

1 – балочный элемент; 2 – стержневой элемент

По данной модели были рассчитаны максимальный прогиб и изгибающий момент при различном соотношении . Нагрузка на балку задавалась равной P = 1 Н. Результаты расчета сравнивались с теоретическими данными [1]:

В соответствии с формулами (2–4) имеем

мм; Н∙м.

В результате получено, что наиболее рациональным будет разбиение рельса длиной10 м на 1000 элементов, поэтому для последующих расчетов были использованы конечно-элементные модели с размером балочного элемента 10 мм.

Модель рельса на дискретном основании

В реальных условиях рельс опирается на дискретное основание – на шпалы. Поэтому следующей задачей являлось модели-

рование рельса с соответствующими граничными условиями опирания (рис. 2).

Рис. 2. Конечно-элементная модель рельса, опирающегося на дискретное подрельсовое основание:

– ширина подрельсовой прокладки, стандартно мм; lш = 103/Nэп – расстояние между осями шпал, где – эпюра шпал

110