m_0867

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

ционными методами и значительно улучшил экономическую эффективность выполняемых работ.

УДК 625.031.3

И.В. Полищук (РОАТ МИИТ), Д.А. Кошелев (УрГУПС)

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИКЛОТОИДНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КРИВОЛИНЕЙНЫХ УЧАСТКОВ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ДЛЯ СМЕЖНЫХ КРИВЫХ ИММИТАЦИОННЫМ МОДЕЛИРОВАНИЕМ

Согласно существующим нормам проектирования смежные криволинейные участки пути должны сопрягаться прямыми вставками, длины которых регламентированы в строительнотехнических нормах [1] в зависимости от категории железнодорожной линии, трудностей условий и направления кривых. В данном исследовании рассматриваются S-образные кривые (рис. 1).

Рис. 1. Смежные S-образные кривые:

а – круговые с двумя переходными участками; б – биклотоидные: 1 – прямой участок ж.-д. пути; 2 – начало переходной

кривой; 3 – начало круговой кривой постоянного радиуса; 4 – середина круговой кривой; 5 – переходная кривая; 6 – середина прямой

вставки; 7 – середина биклотоиды; 8 – точка сопряжения двух биклотоид

131

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

На кафедре «Путь и железнодорожное строительство» УрГУПСа была предложена новая геометрия криволинейных участков – биклотоидная кривая. В исследованиях [2, 3] доказана целесообразность применения одиночных биклотоидных кривых вместо круговых кривых с двумя переходными участками: максимальные значения боковых сил при биклотоидной кривой меньше в 1,5– 2 раза.

Имитационным моделированием с использованием программного комплекса «Универсальный механизм» определялось силовое взаимодействие пути и подвижного состава при движении по S-образной «классической» кривой и биклотоиде (см. рис. 1).

Условие вписывания S-образной биклотоиды взамен смежной круговой кривой с двумя переходными участками при одинаковых углах поворота возможно, если выполняется условие (см. рис. 1, б):

где Lпк – длина переходной кривой, м; Lпр – длина прямой вставки, м.

Длина клотоиды равняется двум длинам круговой кривой, которую эта клотоида заменяет:

Втаком случае (1) принимает вид:

К≤ 0,5(К + Lпк + Lпр)

или

где α – угол поворота кривой, рад.; R – радиус круговой кривой, м.

Подставив (4) в (3), получим:

132

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Длина прямой вставки принята 50 м. На основании произведенных расчетов параметров кривых при вписывании в один и тот же угол поворота построены графики, представленные на рис. 2.

Дальнейшие исследования проводились в ПК «Универсальный механизм» [4] для различных радиусов и длин криволинейных участков железнодорожного пути при скорости движения подвижного состава 50 км/ч. Железнодорожный путь принимается «идеальный» (без отступлений). Для примера в табл. 1 приведены исходные характеристики для имитационного моделирования.

Таблица 1

Исходные характеристики для моделирования движения экипажа по кривым «идеального» железнодорожного пути

в ПК «Универсальный механизм»

133

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Результатом моделирования являются сводные таблицы (для примера табл. 2, 3), в которых приведены численные значения продольных и вертикальных сил на каждое колесо четырехосного вагона. Сравнение проводилось на всем протяжении S-образной кривой. На рис. 3 (для примера) представлен график изменения поперечных сил, возникающих при движении железнодорожного экипажа со скоростью 50 км/ч по смежной биклотоидной и классической кривой радиусом 350 м.

Таблица 2

Значения поперечных Y [Н] и вертикальных Q [Н] сил при движении подвижного состава со скоростью 50 км/ч по классическому криволинейному участку R = 350 м

Таблица 3

Значения поперечных Y [Н] и вертикальных Q [Н] сил при движении подвижного состава со скоростью 50 км/ч по биклотоидному криволинейному участку R = 350 м

134

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 3. График изменения поперечных сил, возникающих при движении ж.-д. экипажа по смежной биклотоидной

и классической кривой для правого колеса первой колесной пары вагона

Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что при проектировании смежных биклотоид значения вертикальных и поперечных сил меньше, что говорит о целесообразности применения предлагаемой геометрии криволинейных S-образных кривых в реальных условиях.

Библиографический список

1.Строительно-технические нормы Министерства путей сообщения России СТН Ц-01–95. М.: Министерство путей сообщения, 1995. 87 с.

2.Кравченко О.А. Численные исследования силового взаимодействия «колесо-рельс» при замене правильной круговой кривой переходными кривыми // Транспорт XXI века: исследования, инновации, инфраструктура: мат-лы науч.-техн. конф., посвященной 55-летию УрГУПС: в 2 т. / Ур-

ГУПС. Екатеринбург, 2011. Вып. 97 (180). Т. 1. С. 863–869.

3.Аккерман Г.Л., Аккерман С.Г., Кравченко О.А. Биклотоидное про-

ектирование криволинейных участков железной дороги // Путь и путевое хозяйство: Научно-популярный производственно-технический журнал. М.:

ОАО «РЖД», 2010. Вып. 10. С. 28–30.

4. Погорелов Д.Ю. Введение в моделирование динамики систем тел: Учеб. пособие. Брянск: БГТУ, 1997. 156 с.

135

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

УДК 625.142

А.И. Скутин (УрГУПС), Ю.М. Кравченко (УрГУПС)

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ СТАБИЛИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

На кафедре «Путь и железнодорожное строительство» (УрГУПС) разработаны и запатентованы конструкции стабилизирующих устройств для деревянных и железобетонных шпал, направленные на стабилизацию рельсовой колеи в плановом положении [1]. Экспериментальный образец был изготовлен из листовой стали Ст3 толщиной 2 мм и установлен на проблемной кривой малого радиуса на Свердловск-Сортировочной дистанции пути (ПЧ-6, ПДР-6, ПДБ-2) Свердловской железной дороги. Длительный период проводилось наблюдение при помощи высокоточной геодезической съемки кривой электронным тахеометром марки «Topcon GPT-3007N».

Основные аспекты наблюдения за кривой и экспериментального испытания по определению сопротивления сдвигу шпалы со стабилизирующим устройством изложены в [2].

При подготовке объекта к испытаниям была произведена наклейка тензодатчиков, сборка электрических схем, тарировка тензодатчиков на тарировочном устройстве в лабораторных условиях. Тарировка тензодатчиков осуществлялась в статическом режиме нагружения. При статических прочностных испытаниях выполнялись измерения деформаций, по которым определялись напряжения.

При простом линейном напряженном состоянии достаточно установить в каждом исследуемом месте один тензодатчик в направлении наибольших деформаций (рис. 1), что и было выполнено при подготовке эксперимента. Было установлено два тензодатчика: на металлическую пластину (для определения напряжений) и на металлическую линейку (для определения линейных перемещений).

136

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 1. Расположение тензодатчика при линейно-напряженном состоянии

Подготовка к проведению эксперимента заключалась в тарировке тензодатчиков, т.е. получении зависимости между приложенной нагрузкой и изменением показаний регистрирующей аппаратуры (Spider 8). Схема проведения тарировки металлической пластины показана на рис. 2.

компьютер тензодатчики

металлическая

пластина spider 8

Р

Рис. 2. Схема тарировки металлической пластины

При тарировке тензодатчиков металлическая пластина подвешивалась на специальной раме, которая имитировала жесткую заделку, в вертикальной плоскости прикладывалась нагрузка P, равная 0; 52,5; 102,5 и 152,5 кг. В зависимости от приложенной нагрузки P определялись показания регистрирующей аппаратуры С, под которой понимается измерительный сигнал, который реагирует на изменение поперечного сечения тензометрического датчика и соответственно его электрического сопротивления.

В результате проведенной работы по тарировке был получен график зависимости показаний регистрирующей аппаратуры от приложенной нагрузки (рис. 3).

137

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 3. График зависимости показаний регистрирующей аппаратуры от приложенной нагрузки

Схема проведения тарировки металлической линейки представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема тарировки металлической линейки

Металлическую линейку при тарировке тензодатчиков с одного конца жестко закрепляли, чтобы обеспечить изгиб в горизонтальной плоскости. Затем последовательно свободный конец линейки перемещался на расстояние, равное 0, 50, 100 и 150 мм. После этого определялась зависимость показаний регистрирующей аппаратуры C от перемещения L (рис. 5).

138

лебедка

стабилизирующее

устройство

Рис. 6. Схема проведения эксперимента

Эксперимент проводился в два этапа. На первом этапе определялось сопротивление сдвигу шпалы с устройством, на втором – сопротивление шпалы без стабилизирующего устройства, т.е. составляющие сил трения.

139

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Чтобы получить экспериментальные данные по сопротивлению сдвигу шпалы с устройством, лебедкой создавалась сдвигающая сила, прикладываемая к шпале по ее оси. В процессе возрастания сдвигающего усилия происходили микроскопические деформации растяжения на металлической пластине, а при преодолении максимальной удерживающей силы наблюдалось перемещение шпалы в поперечном оси пути направлении. Это перемещение вызывало деформации изгиба на металлической линейке.

После окончания первого этапа эксперимента было установлено, что сопротивление сдвига шпалы со стабилизирующим устройством равно 837 кгс (8,37 кН). Падение усилия объясняется временной потерей устойчивости стабилизирующего устройства из-за образования выклинивания балласта. После образования полноценного клина при сдвиге снова происходит стабилизация шпалы с устройством, затем цикл повторяется до окончания эксперимента.

На втором этапе эксперимента процедура повторилась, но уже без стабилизирующего устройства, чтобы определить сопротивление сдвигу только шпалы. После окончания второго этапа эксперимента было установлено, что сопротивление сдвигу шпалы равно 514 кгс (5,14 кН).

По итогу проведенного экспериментального исследования было установлено, что сопротивление поперечному сдвигу одного стабилизирующего устройства равно 3,23 кН, т.е. сопротивление поперечному сдвигу шпалы с применением стабилизирующего устройства возрастает примерно на 61,4 %.

Предполагаемое увеличение сопротивления поперечному сдвигу шпал при правильном применении стабилизирующих устройств составит 60–70 %.

Проведенный эксперимент по определению сопротивления поперечному сдвигу стабилизирующего устройства показал, что на площадь крыла стабилизирующего устройства приходится распределенная нагрузка около 3,23 кН. Поэтому было принято решение о выявлении оптимальной толщины стали стабилизирующих устройств в зависимости от приходящихся на них напряжений. Для этого использовался программный комплекс ANSYS, который основывается на методе конечных элементов.

140