m0955

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Жесткость стержней, моделирующих опирание рельса на подрельсовое основание, определяется по формуле, аналогичной формуле (5)

где – расстояние между осями шпал, м; – число стержней по ширине опирания рельса.

При м, , а также = 0,5 м (при R = 600 м), то . Важно учесть, что реальное подрельсовое основание работает

при опускании рельса, а при подъеме – выключается, т.е. отлипает от балласта. Поэтому сравниваются три варианта модели рельса: модель № 1 – рельс на сплошном упругом основании, модель № 2 – на дискретном основании без отлипания, модель № 3 – на дискретном основании с учетом отлипания. Результаты сравнения представлены в табл. 1.

Таблица 1

Сравнение вариантов моделей рельсовой плети при действии на нее единичной нагрузки Р = 1 Н

Из табл. 1 видно, что расчет моделей на дискретном основании дал результаты близкие к результатам расчета модели № 1.

Таким образом, построив модели на дискретном основании, которые дали вполне достоверные результаты, можно нагрузить силами от тележек подвижного состава, а также учесть вес верхнего строения пути.

Расчет прочности рельса под действием реальных нагрузок

Используя созданные модели, был произведен расчет изгиба рельса, загрузив его силами от тележки 4-осного вагона.

111

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

максимальный прогиб рельса, м, вычисляется по формуле

При воздействии нагрузок от тележки4-осного вагона было получено:

Результаты численного расчета по трем моделям (№1, №2 и №3) представлены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнение вариантов моделей рельсовой плети при действии на нее тележки 4-осного вагона

112

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Отличие результатов связано с использованием дискретного основания и особенностями расчета программного комплекса.

Расчет рельса на прочность при неплотном прилегании шпал к балластной постели

В созданных ранее численных моделях ВСП является -воз можным создать неровности в профиле, а именно создать неплотное прилегание шпал к балластной постели, последствием чего и является возникновение просадок. На рисунке 4 представлена схема такой модели.

Рис. 4. Схема рельсошпальной решетки при неплотном прилегании шпал к балластной постели:

1 – рельс; 2 – шпала; 3 – пустота под шпалой; 4 – балласт

Таким образом, был произведен расчет напряжений в подошве рельса для степеней отступления по просадкам на базе10, 5 и 2,5 м. Результаты расчетов для моделей с различной величиной зазора под шпалой до балласта представлены в табл. 3–5.

113

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

По данным таблицам видно, что с уменьшением протяженности пустоты под шпалами напряжения в рельсе возрастают при одинаковой величине зазора.

Проведенное сравнение с аналитическим решением позволяет утверждать, что данные модели с достаточной точностью описывают изгиб железнодорожного рельса, также позволяют учесть отлипание шпал от балласта, что вносит непосредственные изменения в результат расчета.

Также результаты показали, что влияние просадки пути, даже при ее небольшой протяженности, оказывают существенное влияние на напряженное состояние рельса ,иследовательно, приводят к уменьшению его долговечности.

114

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Оценка усталостной прочности рельсов

Тяжеловесное движение на сети российских железных дорог представляет собой, в первую очередь, использование грузовых поездов повышенной длины– поездов, длина которых в условных единицах (осях) составляет 350 и более осей. Отличие воздействия этих поездов на путь состоит в пропуске большего числа осей вагонов по сечению рельса. Следовательно, последствием использования такого движения является появление усталостных процессов в рельсах, приводящих к образованию новых и развитию имеющихся концентраторов напряжений. Сопротивляемость изделия усталостным процессам называется выносливостью. На рис. 5 показана кривая выносливости в полулогарифмической системе координат. Согласно рисунку Nr – текущее значение числа циклов с данным коэффициентомr асимметрии и текущим значением напряжения σr в данном цикле.

Рис. 5. Кривая выносливости:

σr-н и σr-о – одноразовый и длительный предел выносливости; Nr-к – предельное число циклов; Nr-о – база длительного предела выносливости

Участок АВ соответствует ограниченному пределу выносливости. Правее точки В при σr ≤ σr-o изделие может выдерживать неограниченное количество циклов, это – область длительных пределов выносливости.

Согласно источнику [2] в результате испытаний получены достаточно достоверные значения длительного предела выносливости и соответствующего ему количества циклов для рельсов типа Р43, Р50, Р65. Также была выведена формула для определения количества циклов до разрушения рельса:

при σi ≤ σr-о

115

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Врезультате испытаний [2] для закаленных рельсов типа Р65

спределом прочности вσ= 1221,3 МПа было определено, что длительный предел выносливости составляет r-σo = 364,1 МПа при количестве циклов Nr = 0,61·106.

Согласно [1] температурные напряжения определяются по формуле

где Dt – разность температуры закрепления рельса и текущей температуры, °C .

Согласно Инструкции по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути [3] температура закрепления рельсов для Западно-Сибирской дирекции инфраструктуры составляет

35±5 °C .

В свою очередь температурные напряжения повлияют на предел выносливости, определяемый, согласно [1], по формуле

где s-1 – длительный предел выносливости при симметричном цикле загружения, МПа; r – коэффициент асимметрии, определяемый по формуле

Для рельсовой стали коэффициент асимметрии при работе в нормальных условиях составляет r » -0,2. С учетом этого макси-

116

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

мальное и минимальное напряжения будут определяться по следующим формулам

Из формулы (11) следует, что длительный предел выносливости при симметричном цикле загруженияs-1 при величине σr-o = = 364,1 МПа для закаленных рельсов Р65 и коэффициенте асимметрии r » -0,2 будет равен

По приведенным выше формулам произведем расчет долговечности закаленных рельсов типа 65Р с учетом воздействия температурных напряжений.

В соответствии с линейной гипотезой суммирования повреждений будем иметь

i=1 рi

где Ni – продолжительность в циклах каждого интервала; s – число интервалов разбиения; Nрi – долговечность, соответствующая i-му режиму нагружения.

Тогда при 12 блоках нагружения, соответствующих каждому месяцу температурного режима, получим общую долговечность No

табл. 6.

117

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Таблица 6

Расчет долговечности рельсов с учетом температурных напряжений (просадка 0 мм)

Витоге получено, что долговечность закаленных рельсов Р65

сучетом воздействия температурных напряжений и при действии

в них кромочных напряжений85,0 МПа будет составлять No = = 18,19·1010 циклов – довольно большая величина, что связано с

работой рельсов при отсутствии отклонений от номинальных значений геометрии рельсовой колеи.

Таким образом, была разработана численная модель рельсошпальной решетки, позволяющая учитывать реальные условия опирания рельса и неровности продольного профиля. Также была составлена методика определения долговечности рельсов, с помощью которой можно выявлять предварительный срок службы рельсов по условию прочности от изгибных и продольных температурных напряжений.

Научные руководители д-р техн. наук, проф. В.М. Тихомиров, канд. техн. наук, доц. Д.В. Величко

118

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

А.А. Тыщенко

(факультет «Строительство железных дорог»)

ОЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТА ПУЧЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ В УСЛОВИЯХ ЗАКРЫТОЙ СИСТЕМЫ

На автомобильных дорогах России ведется постоянная борьба с морозным пучением грунтов начиная с момента строитель-

ства и в процессе эксплуатации земляного полотна в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов. Как правило, следствием морозного пучения грунтов земляного полотна являются многочисленные деформации дорожной одежды. Неравномерное пучение может так исказить профиль автомобильной дороги, что потом, движение транспортных средств на этих участках становится очень опасным и приходится выполнять постоянную -вы правку дороги, на которую затрачивают значительные средства. Когда оттаивают мерзлые грунты, которые подвергались пучению, в них повышается водопроницаемость и сжимаемость, сильно понижается несущая способность грунта, и это приводит к весенним просадкам земляного полотна, сопровождаемым разжижением и выплесками грунта, образованием бугров выпирания, смещением откосов на железных и автомобильных дорогах.

На величину пучения грунтов влияют следующие факторы: гранулометрический состав, природная влажность, глубина залегания уровня грунтовых вод и глубина промерзания грунтов.

Можно ли оценить величину коэффициента пучения( Kпуч )

грунтов земляного полотна при глубоком залегании грунтовых вод, полагаясь только на теоретические выкладки или же каждый раз необходимо «проверять» пучинистость грунтов в лаборатории, и какова при этом будет вероятность ошибки?

Для унификации коэффициента пучения для«закрытой» системы при проведении практических оценок высоты пучения грунтов железных дорог, были проведены опыты для определения морозной пучинистости грунтов в условиях закрытой системы и был сделан сравнительный анализ теоретической оценки величины коэффициента пучения и данных, полученных опытным путем.

Морозное пучение грунта – это результат объемного расширения воды (примерно на 9 %), находящейся в нем до промерза-

119

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

ния и дополнительно мигрирующей к границе промерзания в процессе перехода воды из жидкого состояния в твердое (лед).

Закрытая система – такая система, при которой внешняя миграция воды в зону промерзания грунта отсутсвует.

Коэффициент морозного пучения – отношение высоты поднятия грунта при пучении к глубине его промерзания (в процентах).

Относительная деформация морозного пучения образца грунта

– отношение абсолютной вертикальной деформации морозного пучения промерзающего грунта к мощности промерзшего слоя.

При полном водонасыщении грунта, когда объем воды равен объему пор в грунте (Vв = Vп ). Коэффициент пучения будет равен:

где Wsat – весовая влажность полного водонасыщения грунта; Wн – весовая доля незамерзшей воды в грунте; rd – плотность сухого

где Wp – влажность на границе пластичности, а kw – коэффици-

ент, принимаемый по табл. 1 СНиПа 2.02.04-88 в зависимости от числа пластичности Ip и температуры грунтаТ, °C. В нашем случае расчет велся при Т = –4°C.

Далее в табл. 1 приведены значения коэффициент пучения, рассчитанные по формуле (1) для различных типов грунтов.

120