Раздел 2: экспериментальное определение сопротивления балласта поперечному сдвигу пути с учетом воздействия поездной нагрузки.

Тема 2.1. Лекции 13 "Методика СамГапСа (киита) определения сопротивления шпал". (4 часа)

Характеристика существующей методики определения сопротивления шпал в балласте и результаты эксперимента. Известный способ определения сопротивления балласта поперечному сдвигу шпалы [1,2] заключается в

• освобождении шпалы от связей с рельсами путем удаления подрельсовых подкладок,

пригружении шпалы дополнительной нагрузкой, равной массе рельса и скреплений, приходящейся на одну шпалу,

приложении к шпале вдоль ее оси ступенчато возрастающей статической нагрузки Q_iпри помощи специального силового прибора,

замерах перемещения у_iшпалы, соответствующих каждой ступени статической нагрузки и определении зависимостиу_i(Q_i).

По этой зависимости определяют расчетное значение сопротивления, соответствующее допускаемому перемещению шпалы.

Разъединение рельса со шпалой и удаление подрельсовых подкладок,

т. е. образование между ними зазора, не позволяет производить определение сопротивления балласта поперечным перемещениям шпал с учетом реальных условий эксплуатации.

В частности, существующая методика не позволяет учитывать ослабляющее вибрационное воздействие подвижного состава на сопротивление шпал сдвигу в поперечном оси пути направлении.

Кроме того сопротивление шпал зависит от величины сдвига шпалы , значение которого принимается волевым порядком, без достаточного обоснования.

Таким образом существующая методика определения сопротивления балласта поперечному перемещению рельсо-шпальной решетки обладает двумя неустранимыми недостатками:

- невозможностью воспринимать балластом вибрационные воздействия рельсо-шпальной решетки от проходящего подвижного состава;

- невозможностью определять предельное состояние неподвижности шпалы, характеризуемое условием у= 0, что делает некорректным использование таких сопротивлений в расчетных методах определения неподвижности пути.

Новая методика определения сопротивления шпал поперечному оси пути сдвигу. При исследованиях зависимости сопротивления шпал в продольном оси пути направлении с учетом воздействия подвижной нагрузки [7-9,10] было отмечено принципиально иное поведение шпалы, под действием приложенной к ней горизонтальной силы. Оно заключалось в том, что без воздействия поездов шпала под действием приложенной к ней горизонтальной силы остается неподвижной, а при прохождении поездов происходит ее перемещение при постоянном значении приложенной горизонтальной силы. Такого вида перемещение (без увеличения приложенной силы) вызвано свойством балласта, называемой вязкостью [4], одной из характеристик которой является коэффициент вязкости.

В соответствии с экспериментальными методами исследования вязкости [11,12] для определения в требуемых условиях закона деформирования балласта, по которому находят его характеристики, необходимо на испытуемую конструкцию воздействовать силой Q_i постоянной величины и непрерывно или периодически измерять деформацииу_i в течение определенного периодаτ. Так как перемещения шпал эксплуатируемого пути под действием силQ_i происходят только в связи с движением по нему поездов и не происходят без них, текущее времяτможно заменить на количество пропущенных за это время осейn_o или пропущенного груза (Т_гр.бр).

Как известно, типовое промежуточное скрепление для железобетонных шпал не допускает поперечных оси пути перемещений шпалы относительно рельсов.

Поэтому для возможности реализации таких перемещений, а также для приложения к шпале горизонтальных сил автора были созданы специальные устройства, описанные в [6,13].

Комплект устройства для определения сопротивлений шпал перемещениям вдоль их оси с учетом фактических воздействий поездов на

путь состоит: из

специальных подкладок (рисунок 2.2.1), устанавливаемых вместо типовых и

пружинно-винтового прибора (рисунок 2.2.2)

Специальная подкладка, позволяющая сохранять реальные условия взаимодействия основных элементов верхнего строения пути, состоит из двух частей. Верхняя часть крепится к рельсу, нижняя – к железобетонной шпале. Соединены эти две части так, что их отрыв друг от друга невозможен, но продольное оси шпалы смещение может происходить свободно. Таким образом шпала может перемещаться поперек оси пути относительно рельсов, а рельсы остаются на месте.

Ниже приведена последовательность действий при работе с указанным устройством следующая:

1. Раскрепляют и удаляют на шпале типовые подрельсовые подкладки.

2. На их место устанавливают и прикрепляют к рельсам и шпале специальные подкладки (по рис. 2.2.1), позволяющие воспринимать вибрационное воздействие подвижного состава и перемещаться шпале вдоль ее оси вместе с нижней частью специальной составной подкладки.

3. Вращением гаек 8 (рис. 2.2.2) сжимают пружины 9, тем самым прикладывают к шпале в направлении ее оси постоянную силу определенной величины (например, 1,0 кН – 1-я ступень).

4. Пропускают поезда по пути, где расположена испытуемая шпала.

5. Замеряют (периодически в течение времени – действия приложенной силы) перемещения шпалы уи ведут учет прошедшей по шпале поездной нагрузки (прошедший тоннахТили количество пропущенных осейn_ос до прекращения перемещения шпалы или получения предельного значения перемещения.

6. Повторяют операции 3, 4, 5 при других значениях сил, прикладываемых к шпале (например. 2,0; 3,0; 4,0 кН).

Характеристика условий эксплуатации на опытных участках и объем экспериментальных работ Экспериментальные исследования выполнялись на эксплуатируемых участках звеньевого пути с инвентарными рельсами типа Р65, железобетонными шпалами на щебеночном балласте с типовым очертанием балластной призмы. Тип скрепления КБ-65. Подбивка подшпального основания выполнена в процессе капитального ремонта при помощи выправочно-подбивочно-отделочной машины ВПО-3000 без уплотнения откосных частей балластной призмы. Тип обращающихся локомотивов ВЛ10, 2ТЭ10Л. Установленная скорость движения поездов грузовых – 80, пассажирских – 100 км/ч. Установленная норма массы поездов грузовых 3500 т, пассажирских – 1000 т. Средняя осевая нагрузка 17 т.

Объем экспериментальных работ приведен в табл. 2.4.1..

Таблица 2.4.1

Объем экспериментальных работ

Обкатка пути до эксперимента		Значение силы, при-ложенной к шпале, кН	Количест-во экспе-рименти-руемых шпал, шт.	Обкатка пути в процессе эксперимента
тыс. т То	тыс. осей nо			тыс. т Тобк	тыс. осей nос
1	2	3	4	5	6
1,65	0,16	1	19	299	29
		2	18	268	26
		3	20	268	26
		4	20	268	26
16,35	0,95	2	20	258	15
		3	20	258	15
		4	20	189	11
457,85	31,07	1	19	192	13
		2	19	339	23
		3	20	398	27
		4	20	221	15
734,05	49,74	2	19	177	12
		3	20	207	14
		4	20	177	12
Всего:			274

Обработка результатов эксперимента Условия и характер перемещения шпалы. На рисунке 2.5.1 приведен фрагмент записи перемещения шпалы при постоянном значении силы, приложенной к шпале Q = 4,0 кН, на нестабилизированном пути.

Из рисунка 2.5.1 видно, что перемещение шпалы под действием постоянной силы происходит только при проходе поезда и не происходит без его воздействия. Этот факт указывает на ослабляющее влияние воздействия поездов при сопротивлении шпал, а не усиливающее, как считалось ранее. Ступенчатое перемещение шпалы в балласте под действием постоянной силы и дополнительном воздействии поездов, прохождение которых разделено временем, показывает, что перемещения зависят от частоты движения поездов.

Рис. 2.5.2 - У₁, У₂, У₃, У₄– перемещение шпал под действием сил, равным соответсвенно 1, 2, 3, 4 кН.

Зависимость <нагрузка-перемещение>

Функции y(n_ос) в интервале аргументаn_о= 0,16 – 49,74 тыс. осей аппроксимируется уравнением вида, т. е.

y = Q + В·n_ос (2.5.1)

Средние по выборкам значения максимальных перемещений приведены в таблице 2.5.4.

Таблица 2.5.4

Средние значения итоговых перемещений шпал у_max

Обкатка пути до приложения сил		Q, кН	В период действия сил пропущено		уmax, мм
			noc, тыс.осей	T, тыс. т	интервал по наблю-дениям
То, тыс. т	no, тыс.осей
1	2	3	4	5	6
1,65	0,16	1	29	299	3,82 0,9-9,7
		2	26	268	14,04 1,2-33,0
		3	26	268	24,74 1,7-41,7
		4	26	268	24,30 3,8-40,9
16,35	0,95	2	15	258	6,95 0,4-17,8
		3	15	258	10,84 3,3-34,9
		4	11	189	12,9 2,0-44,5
457,85	31,07	1	13	192	0,79 0,2-2,0
		2	23	339	7,69 0,1-24,0
		3	27	398	10,46 0,3-26,3
		4	15	221	15,63 0,5-28,8
734,05	49,74	2	12	177	2,14 0,3-4,4
		3	14	207	2,08 0,2-16,6
		4	12	177	8,46 0,6-24,9

Зависимость <нагрузка – интенсивность перемещения> В таблице 2.5.5 приведены средние (по выборкам) значения скоростей перемещения шпал у (в дальнейшем интенсивность перемещения) для каждого из четырех исследуемых уровней n_о, а также значения коэффициентов корреляции (r₁) между Q_i и y_i для этих уровней.

Таблица 2.5.5

Средние значения интенсивностей перемещения шпал, у

Обкатка пути до приложения сил		Qi, кН	y мм103 тыс.ос.	Пропущенный тоннаж брутто	Средне-квадра-тическое откло- нение y	Коэффици-ент корре-ляции r1междуQi и yi
То, тыс. т	no, тыс. осей
1	2	3	4	5	6	7
1,65	0,16	1	138,8	299	88,9	0,95
		2	448,6	268	502,4
		3	717,5	268	460,3
		4	1653,1	268	1051,9
16,35	0,95	2	603,4	258	491,1	0,92
		3	676,6	258	725,8
		4	1106,7	189	1029,2
457,85	31,07	1	66,4	192	41,4	0,97
		2	324,6	339	319,2
		3	371,5	398	340,6
		4	667,4	221	723,7
734,05	49,74	2	182,0	177	190,5	0,99
		3	373,1	207	440,8
		4	614,5	177	726,7

Как видно из таблицы 2.5.5 для каждого значения уровня n_означенияr₁(Q, у) близки к единице, что показывает не только коррелированностьQ_iиy_i, но и о наличии зависимости между ними, близкой к функциональной.