Управление температурной работой длинных рельсов и плетей бесстыкового пути в условиях казахстана
УДК 625.143.43 На правах рукописи
КАСЫМЖАНОВА КУРАЛАЙ СОВЕТОВНА
Управление температурной работой длинных рельсов
и плетей бесстыкового пути в условиях Казахстана
05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и
проектирование железных дорог
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Алматы, 2010
Работа выполнена в Казахском университете путей сообщения
Научный руководитель доктор технических наук,
Закиров Р.С.
Официальные оппоненты: доктор технических наук
Нусупбекова Г.С
кандидат технических наук
Сулейменов С.Т.
Ведущая организация Казахская академия транспорта
и коммуникаций им. М. Тынышпаева
Защита состоится «8» июля 2010 г. в 14-00 на заседании диссертационного Совета ДС 14.61.45 при Казахском университете путей сообщения по адресу: 050063, г. Алматы, мкрн. «Жетiсу-1», дом 32 А.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КУПС по адресу:
050063, г. Алматы, мкрн. «Жетiсу-1», дом 32 А. Тел.: 8 –(327) 2-56-63-30; факс:
8 – (327) 2-23-92-81.
Автореферат разослан «7» июня 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук Кайнарбеков А.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Повышение надежности работы рельсового пути и уровня безопасности движения поездов - основная задача, стоящая перед путевым хозяйством (ПХ) при постоянно растущих объемах грузовых и пассажирских перевозок железнодорожного транспорта.
Стандартными для АО «НК «КТЖ»» приняты рельсы длиной 25 м. Конструктивные зазоры в стыках (к) установлены для рельсов Р50 - 21 мм, Р65 и Р75 – 23 мм. Эта величина зазоров к достаточна для компенсации температурных деформаций рельсов Р50 при изменении температуры (tв) на 71 оС, а рельсов Р65 и Р75 – на 78 оС. На железных дорогах (ЖД) Республики Казахстан (РК) годовые амплитуды колебаний температуры рельсов (ТА) больше указанных величин и составляют 88 - 119 оС. Свободные температурные деформации рельсов длиной 25 м равны в этих условиях 25,96-35,11 мм, больше указанных к в стыках рельсов, и недостаточны для компенсации температурных деформаций. Следовательно, рельсы длиной 25 м работают как длинные (ДР), причем протяженность участков пути с такими рельсами в АО «НК «КТЖ»» составляет около 60 % от развернутой длины.
Поэтому при эксплуатации таких рельсов в них возникают значительные продольные температурные силы, пропорциональные несостоявшимся деформациям, которые летом могут привести к «выбросу» пути, а зимой к срезу болтов и разрыву стыков. Установленные, Инструкцией по текущему содержания железнодорожного пути ЦП-774/203-04, температурные ограничения, направленные на предотвращение выброса пути и разрывов рельсовых стыков, регламентируют проведение неотложных работ по регулировке зазоров. Наряду с этим целесообразно иметь нормативы, определяющие условия проведения работ по регулировке зазоров планово-предупредительного характера. Кроме того, требования, предъявляемые к величине стыкового зазора должны обязательно оговаривать допуск на их отклонения от нормальной величины. Величина этого допуска до сих пор не обоснована и не содержится ни в одном действующем документе.
В АО «НК «КТЖ»» расширяется полигон эксплуатации бесстыкового пути (БП), его протяженность достигла около 40 % от развернутой длины. Но с увеличением длины рельсов растет уровень их нагружения температурными силами и повышаются требования к правильности определения последних, в связи с неодинаковыми температурно-климатическими условиями, имеющими место на территории РК. Поэтому управление температурной работой длинных рельсов и рельсовых плетей (РП) БП в условиях РК является актуальной научно-технической (ТЕХ) задачей.
Тема диссертации связана с отраслевой комплексной программой по проблеме 22.00.00 «Разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий на железных дорогах Казахстана».
Объект исследования эксплуатация рельсового пути в условиях РК.
Предмет исследования обобщение результатов теоретических, экспериментальных и эксплуатационных исследований по расчету ДР,
напряженного состояния РП при эксплуатации и опыта содержания ДР и БП.
Цель работы разработка ТЕХ решений по устройству и содержанию ДР и РП БП облегчающих их температурную работу и условия эксплуатации рельсового пути в условиях РК. В соответствии с этой целью решаются задачи:
• ретроспективный анализ исследований проблемы управления температурных воздействий на рельсовый путь и их влияние на устройство и условия эксплуатации;
• температурная работа и ТЕХ обслуживание (О) ДР в РК;
• управление ТЕХ состоянием стыковых зазоров пути с ДР в РК;
• управление температурным режимом эксплуатации БП в РК;
• температурный режим укладки и эксплуатации БП в РК. Температурное воздействие на РП;
• ввод РП БП в оптимальную температуру закрепления (ОТЗ), в т.ч. удлиненных и восстановленных РП.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на основе результатов теоретических и расчетных исследований. В диссертации применен системный метод исследований, основанный на анализе ранее выполненных работ в области укладки и эксплуатации ДР и РП БП в ближнем и дальнем зарубежье, а также использованы основные положения теорий: температурной работы рельсов; угона пути; взаимодействия пути и подвижного состава (ПС).
Научная новизна работы заключается в:
• совершенствовании расчетов ДР: метода определения напряженно-деформированного состояния (НДС) ДР при изменении температуры; методики расчета величины нормального стыкового зазора при заданной температуре и сезонной разрядке стыковых зазоров; в предложении норму зазоров в АО «НК «КТЖ»» устанавливать дифференцированно в зависимости от фактической амплитуды и экстремальных значений температуры рельсов.
• уменьшении количества климатических регионов, предусмотренных Инструкцией ЦП-774/203-04, на территории РК в зависимости от расчетной температурной амплитуды рельсов, ТА, оС;
• пересмотре существующей системы установки и содержания стыковых зазоров звеньевого пути, включая нормативную базу, и приведение ее в соответствие с современными воззрениями на температурную работу ДР;
• смещении ОТЗ в более высокий температурный режим;
• обобщении ТЕХ решений, обеспечивающих ввод РП в ОТЗ, в т.ч. удлиненных и восстановленных.
Практическая ценность исследования заключается в: корректировке назначения границ климатических регионов с годовой амплитудой температуры рельсов в РК, рекомендованных в Инструкции ЦП-774/203-04 для назначения номинальных значений стыковых зазоров; разработке таблиц значений стыковых зазоров для каждой дистанции пути АО «НК «КТЖ»» с учетом климатических условий и конструкции пути; изложении информации об автоматизации регистрации величин стыковых зазоров, измеренных датчиками вагона-путеизмерителя и оценки их состояния по сравнению с нормами и допусками; разработке рекомендаций для включения в новые редакции «Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути», взамен ЦП-774/203-04 и «Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути», взамен ТУ-02.
Основные научные положения, выносимые на защиту. Результаты: ретроспективного анализа исследований управления температурных воздействий на рельсовый путь и их влияние на устройство и условия эксплуатации; • температурной работы и ТЕХО ДР в РК; • управления ТЕХ состоянием стыковых зазоров пути с ДР в РК; • управления температурным режимом эксплуатации БП в РК; • температурного режима укладки и эксплуатации БП в РК. Температурного воздействия на РП; • ввод РП БП в ОТЗ, в т.ч. удлиненных и восстановленных РП.
Достоверность научных результатов и основных выводов подтверждается сопоставлением данных теоретических и расчетных исследований, приведенных в работе, с материалами ранее выполненных теоретических и экспериментальных исследований в СНГ и за рубежом.
Реализация работы. Результаты исследования использованы при разработке рекомендаций в новые редакции «Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути» и «Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути»; приняты для внедрения в АО «НК «КТЖ»» (Приложение А) и используются в учебном процессе кафедр «Путь и путевое хозяйство» КазАТК, «Строительство транспортных сооружений» КУПС» (Приложение Б, В).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, научные выводы и предложения получили положительную оценку на: V Международна научно практична конференция «Ноnors нigн scнооl – 2009» (София.: 2009); V Меzinrodn vdecko-praktick konference «Vdeck prмуsl evropskho kontinentu-2009» (Praha.: 2009).
Диссертация в полном объеме доложена на заседаниях кафедр «Строительство транспортных сооружений», Путь и путевое хозяйство», объединенных научных семинарах промышленно-транспортных структур РК, КУПС и КазАТК им. М. Тынышпаева. В законченном виде диссертационная работа была обсуждена и одобрена на заседаниях кафедр «Строительство транспортных сооружений» (Алматы.: КУПС, 2010).
Публикации. Материалы диссертации изложены в 9 работах, в т.ч. 5 статей и 4 доклада на МНПК конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из нормативных ссылок, определений, обозначений и сокращений, введения, шести разделов, заключения, списка использованных источников и дополнена приложениями А-Ж, И, К, изложена на 150 с. машинописного текста содержит 47 рисунков и 69 таблиц, список использованных источников содержит 255 наименований.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
В зависимости от температурной работы по М.С. Боченкову различают
«рельсы обычной длины», «длинные» и «БП», причем термин «рельсы обычной длины» не рекомендуется связывать с определенной длиной. Обычными могут быть как ДР, так и нормальные (стандартные) рельсы длиной 25 м.
Рельсы обычной длины это такие, удлинение и укорочение которых при нагревании и остывании в пределах многолетних колебаний расчетных температур (ТА) полностью компенсируется за счет стыковых зазоров (). При к = 21 или 23 мм, начиная с ТА 85 оС и выше, рельс длиной 25 м нельзя относить к категории рельсов «обычной длины». Так как величина ТА на сети АО «НК «КТЖ»» находится в пределах от 88 до 119 оС, то для одной и той же конструкции пути наибольшие размеры «рельса обычной длины» меняются в зависимости от многолетних колебаний температуры в данном районе. Наибольшие размеры «рельса обычной длины» для одной и той же температурной зоны зависят от конструкции стыковых и промежуточных рельсовых скреплений. На ЖД РК стандартным является рельс длиной 25 м, часто приходится для каждой заданной климатической (температурной) зоны определять условия эксплуатации рельса, в т.ч. нормальные размеры зазоров при различной температуре, обеспечивающие летом устойчивость пути, а зимой предотвращение среза стыковых болтов и разрыва стыка. Следует учитывать разрешенные допуски на содержание зазоров в процессе ТЕХО –. Уравнение температурной работы рельсов с учетом вышеперечисленных факторов и условий имеет вид:
Тдоп = tp + 2tR + tб + 0,5(tr + tр) + tт, (1)
где tp, tR, tб, tr, tт – соответственно перепад температуры: вызывающий свободное удлинение рельса на величину расчетного стыкового зазора (расч), определяется формулой: tp = к/l ( - коэффициент линейного расширения стали, = 11,8•10-6 1/град); необходимая для преодоления сил трения рельса в накладках Rн, определяется формулой: tR = Rн/aEF (E - модуль упругости рельсовой стали, принимаемый равным 21•104 МПа; F - площадь поперечного сечения рельса, для Р65-82,5 см2); рельса для работы болтов на изгиб; обеспечивающий преодоление погонного сопротивления в пределах рельса длиной l при равномерном удлинении в оба конца, определяется в зимний период формулой: tr = r0,5l/aEF; в летний период формулой: tр = р0,5l/aEF;
проявления торцевого давления после закрытия стыковых зазоров.
Не целесообразен, с точки зрения управления температурной работой рельсов, включение болтов в работу на срез; во-первых, эта сила сопротивления относительно невелика, а во-вторых, погнутые болты уже не смогут в полной мере отвечать своему основному назначению - стягивать накладки. По возможности следует уменьшить и силы торцевого давления, которые являются причиной выколов головки рельсов в стыках.
Наиболее рациональной, с точки зрения управления температурной работой рельсов, ее работа, когда не допускается торцевое давление и работа болтов на срез в момент наступления экстремальных расчетных температур, т.е. когда tб = tт = 0. Такую работу рельсов в дальнейшем будем называть нормальной.
При текущем контроле состояния зазоров размеры каждого из них (или сумма зазоров на длине 100 м) могут быть равны ( + ). Обычно при расчетах предполагают худший, теоретически возможный случай, когда в предзимний период средние значения зазоров будут ( – ), а весной ( + ). Расчетный зазор расч = (max - 2). При таком допущении и стандартных рельсах Р65, если кmax = 23 мм и = 2 мм (этот допуск обычно принимается к учету или, что, то же самое, на длине 100 м = 10 мм), расчетный зазор расч = 19 мм и определяется наибольшим конструктивным размером кmax и допусками в содержании ±, причем кmax зависит от диаметров отверстий в рельсах d и накладках, а также стыковых болтов. Увеличение зазора приводит к повышению динамического воздействия в зоне стыка. Учитывая сложные температурные режимы работы пути в РК, а также необходимость всемерного сокращения расхода труда на ТЕХО, применяются 25 м рельсы. При этом ориентируются на ГОСТ 8193-73, обеспечивающий зазор кmax = 23 мм и tв = 78 °С. М.С. Боченковым указывалось, что желательно иметь такие условия, при чтобы зазор, близкий к нулю, возникал бы при максимальной температуре и торцовое давление рельсов друг на друга исключалось. Выполнение этого условия при 25 м рельсах возможно лишь там, где Тдоп < ТА = 80 °С. Таких температурных условий на ЖД РК нет нигде, т.к. здесь ТА превышают 88 °С. В зависимости от различных вариаций конструкции верхнего строения пути (ВСП), качества отдельных его элементов, точности укладки и содержания рельсов расчетные допустимые амплитуды [Т] многолетних колебаний температуры рельсов изменяются в широких пределах, таблица 1.
Таблица 1- Расчетные допустимые амплитуды [Т] многолетних колебаний температур рельсов
| Зазор, мм | Значения температур, 0С | Температурная амплитуда кривых радиусом [Т] °С для | |||||||||
| к | расч | tсв | tн | tпог | tб | 1000 м | 800 м | 600 м | 500 м | 400 м | |
| При шестиболтовых накладках по ГОСТ 8193-73 | |||||||||||
| 23 | 21 | 71/71 | 12/12 | 2/2 | 9/14 | 136/141 | 133/138 | 131/136 | 128/133 | 126/131 | 122/127 |
| 23 | 19 | 64/64 | 12/12 | 2/2 | 9/14 | 129/134 | 126/131 | 124/129 | 121/126 | 119/124 | 115/120 |
| При четырехболтовых накладках по ГОСТ 8193-73 | |||||||||||
| 23 | 21 | 71/71 | 8/8 | 2/2 | 6/10 | 129/133 | 126/130 | 124/128 | 121/125 | 119/123 | 115/119 |
| 23 | 19 | 64/64 | 8/8 | 2/2 | 6/10 | 122/126 | 119/123 | 117/121 | 114/118 | 112/116 | 108/112 |
| 26 | 24 | 81/81 | 8/8 | 2/2 | 6/10 | 139/143 | 136/140 | 134/138 | 131/135 | 129/133 | 125/129 |
| 26 | 22 | 74/74 | 8/8 | 2/2 | 6/10 | 132/138 | 129/133 | 127/131 | 124/128 | 122/126 | 118/122 |
| При четырехболтовых накладках по ГОСТ 11530-65 | |||||||||||
| 21 | 19 | 64/64 | 8/8 | 2/2 | 6/10 | 122/126 | 119/123 | 117/121 | 114/118 | 112/116 | 108/112 |
| 21 | 17 | 56/56 | 8/8 | 2/2 | 6/10 | 114/118 | 111/115 | 109/113 | 106/110 | 104/108 | 100/104 |
| П р и м е ч а н и е. В числителе – для болтов нормальной прочности, в знаменателе – повышенной. | |||||||||||
В таблице 1 во всех вариантах принято полное использование допустимого по устойчивости нажатия торцов рельсов при экстремальной летней температуре и допустимого по прочности болтов растяжения стыков при экстремальной зимней температуре. По ТУ-02 ТА в РК находятся в пределах от 88 до 119 °С, поэтому условие ТА [T] может быть выполнено практически на всем протяжении ЖД РК путем соответствующего выбора конструктивных элементов стыков и обеспечения точного содержания зазоров (в т.ч. и при льготном допуске 4 мм). В ряде вариантов сохраняются даже некоторые запасы,
характеризуемые разностью min [Т] - max ТА для всех кривых.
ДР принято называть рельсы, у которых стыковой зазор = 0 при температуре t1, меньшей, чем максимальная tmax, в данном районе. Дальнейшее повышение температуры приводит к торцевому нажатию рельсов друг на друга и действию на них дополнительных продольных сил Nt''. При достижении tmax Nt'' определяется разностью t = tmax - t1 и достигает очень больших значений. Допустимые значения Nt'' (а отсюда и t = tmax - t1) зависят от устойчивости рельсошпальной решетки (РШР). Поэтому для управления температурной работой рельсов необходимо рассчитывать устойчивость пути, уложенного ДР, а при их эксплуатации в наиболее жаркое и холодное время строго выполнять ряд требований, связанных с возможностью возникновения больших продольных сил после образования нулевого или наибольшего конструктивного зазора кmax. На участках пути с ДР в период их работы, когда нет зазоров в стыках и образуется непрерывная температурно-напряженная РП, противоугоны превращаются в элементы скреплений, не позволяющие накапливаться продольным силам, т.е. обеспечивают устойчивость РШР при проходе поездов. Однако и при наличии надежно работающей противоугонной системы в ДР, в т.ч. длиной 25 м, могут возникать продольные температурные силы, существенно большие, чем допустимо по условию устойчивости пути. Ими необходимо эффективно и рационально управлять. Для определения значений возможных продольных сил и правильно рассчитывать зазоры, с точки зрения управления температурной работой рельсов, строят температурную диаграмму работы рельса и длину ДР определяют по формуле:
lд = расч(ТА – t1 – Rз/EF – tб – 2)/, (2)
где Rз - сопротивление продольному сдвигу рельса зимой по одной нити.
С точки зрения управления температурной работой ДР необходимо учитывать, что при радиусах 400, 300 и 250 м нельзя реализовывать по условию устойчивости стыковое сопротивление, если tн = 20 оС. Рельсы длиной 25 м в кривых R 400 м можно эксплуатировать, если работают стыковые болты и расч увеличен до 23 мм.
БП это путь со сварными РП, у которых при изменениях температуры удлиняются или укорачиваются только концы участка длиной 70-100 м. Средняя часть РП остается неподвижной; изменение температуры по сравнению с температурой при ее закреплении tз приводит к возникновению продольных сил. В таблице 2 приведены в общем виде отличительные признаки рельсов. В различных странах в зависимости от конструкции пути, климатических и других условий эксплуатации граница между «ДР» и «БП» находится в интервале длины РП от 60-80 до 140-160 м.
В РК приняты типовые стандартные рельсы длиной 25 м и БП со сварными
РП длиной 800-950 м. На ограниченном числе участков эксплуатируются более
длинные РП БП, достигающие 1.400-2.000 м. По Е.А. Кизатову и др. на 2004 г. РП длиной до блок-участка составляло в АО «НК «КТЖ» 123 км при протяженности БП по С.А. Косенко более 7.400 км.
Таблица 2- Отличительные признаки рельсов
| Термин | Зона распространения температурных деформаций | Изменение стыкового зазора |
| Обычной длины | По всей длине рельса | max > > 0 |
| Длинный | То же | = 0 при t1 < tmax; = max при t = tmin |
| БП | Только на концевые участки | - |
В диссертации проанализированы исследования: продольных сил и деформаций РП, в т.ч. температурные деформаций, температура рельсов и РП; прочности, в т.ч. обеспечение прочности РП БП; устойчивости БП, в т.ч. расчеты устойчивости БП, экспериментальные исследования, устойчивости БП при ремонтах, величина температуры закрепления и верхняя граница расчетного интервала закрепления РП, оптимальный температурный режим работы РП БП, допустимый интервал закрепления РП на постоянный режим сфер рационального применения БП и показано, что сформулированы ряд требований, которые должны быть предъявлены, с точки зрения управления температурной работой рельсов, к конструкции БП и температурному режиму его работы. При данном типе рельса в известных климатических условиях изменение зазора в стыке РП зависит от погонного r и стыкового сопротивлений Rн. На всех ЖД мира при обычном накладочном соединении для предотвращения чрезмерных ударов колес разрешается изменять зазор не более чем на 20-24 мм. Для того чтобы не выйти за пределы установленного к (при накладочном стыке это может быть причиной разрушения болтов и разъединения колеи), необходимо создать большие погонные и стыковые сопротивления r и Rн, прямо зависящие от конструкции пути. На значение погонного сопротивления оказывает влияние по В.Г. Альбрехту и др.: способ прикрепления рельса к шпалам, размер и число шпал на единице длины, материал и размеры балластной призмы, а на стыковое – число, размер и натяжение болтов. Если конструкция скреплений, шпал и балластной призмы не обеспечивают необходимое сопротивление, то следует изменить конструкцию соединения РП т.о., чтобы увеличилось. На одних ЖД для этих целей увеличивают число зазоров между РП (укладка одного или нескольких коротких рельсов), на других – заменяют накладочные стыки уравнительными приборами (ПУ). На ЖД АО «НК «КТЖ»» устраивают накладочные стыки и укладывают между РП три рельса длиной 12,5 м.
В средней неподвижной части РП развивается температурное напряжение, максимальное значение которого t = Еmaxt совместно с максимальным напряжением от колесной нагрузки kпк не должно превышать допускаемого напряжения [], т.е. t + kпк [], откуда:
t [] - kпк, (3)
где [], kп, к – соответственно допускаемое напряжение; коэффициент запаса прочности; нормальные напряжения в кромке подошвы рельса (кп) или его головки (кг), возникающие при изгибе и кручении рельса под нагрузкой.
Еще в 1978 г. В.И. Новакович отмечал, что «В основу технических требований заложены механические характеристики конструкции БП и прежде всего рельсов. Принятый в расчетах условный предел текучести рельсовой стали [] = 350 МПа занижен по сравнению с минимально гарантированным (исследования МИИТа) в 1,4 раза для сырых и в 1,8 раза для объемнозакаленных рельсов. Ничем не оправдан также коэффициент запаса kп = 1,3. Т.о., верхняя граница температурного интервала занижена: для обычных рельсов минимум на 70 оС, а для закаленных – на 110 оС. Если из этих «запасов» вычесть найденную исследованиями и подтвержденную экспериментами возможную максимальную ошибку в 80 МПа (т.е. в 32 оС), то и тогда верхней температурной границы закрепления БП по условиям прочности практически не будет». Нужно установить только нижний предел закрепления РП по условиям устойчивости, причем посредством нормируемого нижнего предела важно обеспечить достаточную вероятность производства таких работ без предварительного снятия температурных напряжений. Это требование по В.И. Новаковичу можно выполнить при достаточно высокой температуре закрепления РП tз. Показано, что управляемым параметром температурной работы рельсов является температура закрепления РП tз, существенно влияющая на температурное напряжение в рельсах.
Анализ опыта эксплуатация БП в РФ показала, что сложные температурные условия Сибири не являются препятствием для распространения конструкции БП и расчеты, выполненные с учетом условий РК, подтвердили, что в перспективе такой путь может найти широкое применение в РК, причем закрепление РП БП на постоянный режим эксплуатации целесообразно производить в оптимальные интервалы, определяемые расчетом не только исходя из условий прочности и устойчивости БП, но и обеспечения благоприятных условий для выполнения ремонтных работ машинами тяжелого типа, а также обеспечения наибольшей вероятности закрепления РП на постоянный режим эксплуатации при их укладке и сведения к минимуму объемов непроизводительных работ по снятию температурных напряжений. Разница в температурах закрепления отдельных участков РП по длине пути должна быть ограничена по условию безопасной (по устойчивости пути) работы путевых машин по всей длине РП без снятия температурных напряжений в них. При сварке эксплуатируемых РП в РП более 950 м (до блок-участка или даже перегона) абсолютная величина разницы в температурах закрепления любых участков в пределах одной сварной РП не должна превышать 10 оС. Для Северных регионов РК характерны большие суточные перепады температуры рельсов 50-57 оС, причем максимальные значения они достигали в марте, однако и в июне были зафиксированы перепады 45-50 оС. Наиболее опасны такие перепады для мая, когда балласт уже оттаял, а площадка под шпалой еще увлажнено. При наличии влаги под шпалой сопротивление РШР поперечному сдвигу уменьшается на 20-30 %, что существенно снижает устойчивость пути выбросу. Исследования влияния больших суточных перепадов на работу БП пока не завершены. На основании вышеизложенного сформулированы цель и задачи исследования в диссертации.
2-ой раздел диссертации посвящен рассмотрению температурной работы и ТЕХО ДР в АО «НК «КТЖ»», в т.ч.: опыта ТЕХО 25 м рельсов в РК; основных положений Инструктивных указаний по укладке и ТЕХО рельсов длиной 25м; НДС ДР при изменении температуры; задач и порядка расчета ДР; расчетных характеристик зазоров рельсов длиной 25 м и, как было уже показано во введении и 1-ом разделе диссертации к в стыках рельсов недостаточно для компенсации температурных деформаций. Сократить деформации до величины температурных зазоров можно за счет включения в работу сопротивлений температурным деформациям. Это погонные и стыковые сопротивления. Первые из них создаются защемлением подошвы рельсов скреплением и сопротивлением перемещению шпал в балласте. Наблюдения и расчеты показали, роль погонных сопротивлений в сокращении температурных деформаций рельсов длиной 25 м относительно невелика. Костыльное скрепление в состоянии по М.С. Боченкову сократить температурные деформации на 0,1-0,3 мм, скрепление типа КБ - на 0,5-1,0 мм.
Стыковое сопротивление создается силами трения между рельсом и накладками, при отсутствии зазора – торцевым давлением рельсов друг на друга, при превышающем к, сопротивлением болтов изгибу. Силы трения в стыках способны сократить температурные деформации рельсов длиной 25 м по М.С. Боченкову на 2,5-3,5 мм. Сопротивление за счет работы болтов на изгиб ввиду его незначительности использовать нерационально. Кроме того, изогнутые болты не в состоянии обеспечивать надлежащую работу стыка. Торцевое давление рельсов друг на друга может достигать огромной величины. Однако допускать его без крайней необходимости также по М.С. Боченкову не следует. Излишнее торцевое давление рельсов может вызвать «выброс» пути. Кроме того, при отсутствии зазоров происходят выколы головки рельсов в стыках, а главное – теряется контроль за напряжениями в рельсах. Наличие зазора и современная конструкция стыков по М.С. Боченкову гарантируют устойчивость пути. В случаях же отсутствия зазоров такую гарантию можно давать лишь тогда, когда точно известно, при какой температуре зазоры стали равны нулю. Практически это осуществить по М.С. Боченкову очень трудно. Тем не менее, в РК при эксплуатации пути с рельсами длиной 25 м путейцы вынуждены допускать значительное торцевое давление рельсов друг на друга и работу болтов на изгиб. По приведенным выше цифрам легко подсчитать, что к меньше возможных свободных температурных деформаций рельсов на 8-12 мм, а за счет погонных сопротивлений и сил трения в стыках можно уменьшить температурные деформации всего на 3,0-4,5 мм. При столь значительной разнице между величиной температурных деформаций рельсов и величиной к иногда происходят «выбросы» пути и даже сходы ПС с рельсов.
Обследование зазоров на ЖД РК, а также опубликованная информация по рассматриваемому вопросу показало, что в подавляющем большинстве случаев больше предусмотренных Инструкцией пути ЦП-774/203-04. Это по М.С. Боченкову свидетельствует о том, что производственники больше опасаются «выбросов» пути, чем разрывов стыковых болтов. Разница в сумме зазоров на 1 пикете, отнесенная к одному стыку, достигает 10 мм. Зазоры в одних стыках на километре пути иногда достигают максимума их к, в то время, как в других стыках они могут быть равны нулю. В зимний период нередко наблюдаются зазоры значительно превышающее к. Иногда даже среднее значение зазора на километре пути выше к. Встречаются отдельные стыки с = 30-32 мм. Конечно, болты в этих стыках погнуты. На некоторых участках АО «НК «КТЖ»» практикуется сезонное изменение зазора. При этом на летний период в 2-3 местах на 1 км пути укладывают укороченные рельсы, а на зиму вновь заменяют их рельсами нормальной длины с соответствующей регулировкой зазора. Недостатками такого способа ТЕХО пути является следующее. Увеличивается расход рабочей силы на регулировку зазора, ухудшается работа противоугонов и сокращается срок их службы в результате частой перестановки создаются значительные помехи движению поездов. Нередко сезонную регулировку зазора с укладкой укороченных и удлиненных рельсов производят не как систематическую ежегодную работу при определенной температуре, а эпизодически, по мере необходимости, для устранения аварийного состояния. Общий объем работы при этом значительно уменьшается, но становится под угрозу безопасность движения поездов.
В Инструкции ЦП-774/203-04 дана таблица 3.3 зазоров для рельсов длиной 25 м, где указаны нормальные зазоры для их работы в климатических регионах с ТА > 100 оС, ТА = 80-100 оС и ТА < 80 оС, причем таблица 3.3 заимствована из Инструкции РФ, без всякого анализа. Деление территории РК по регионам с ТА, при прочих одинаковых условиях, определяет условия работы ДР. Но этот подход имеет существенные недостатки. ТА в РК изменяются в широком диапазоне. В Актау, например, она составляет 88 оС, а в Атбасаре 119 оС, т.е. разница достигает 31 оС. При делении сети ЖД РК по этому признаку на три региона, то границы регионов устанавливаются через каждые 10 оС. При этом первый регион включает районы, где ТА не превышает 98 оС, вторая от 98 до 108 оС и третья более 108 оС. Разность по амплитуде в каждом регионе до 10 оС обуславливает различие температурных деформаций рельсов в пределах региона до 3 мм. Это недопустимо при 25 м рельсах, годовые деформации которых превышают существующее к и, каждый мм должен использоваться рационально. Следовательно, действующие нормы установки зазоров 25 м рельсов требуют корректировки, т.к. невозможно, разделив всю сеть ЖД АО «НК «КТЖ»» на три региона, повсеместно добиться нормальной температурной работы пути. Но самое главное анализ данных ТА в РК показал, что в РК нет климатического региона с ТА < 80 оС по ТУ-02 РК.
Работа стыковых болтов на срез и изгиб по М.С. Боченкову допускается только в том случае, если это исключает необходимость сезонного изменения зазора. С использованием проанализированных математических зависимостей с учетом климатических условий и конструкции пути в различных регионах РК составлены таблицы нормальных зазоров по данным температуры рельсов на железнодорожных станциях: (Алматы, Атырау, Кзыл-Орда, Туркестан, Тулькубас); (Защита, Караганда, Семей, Усть-Каменогорск); (Петропавловск, Есиль); (Дружба, Сары-Озек, Талдыкорган, Уральск, Экибастуз, Чиганак); (Актогай, Отар, Жангиз-Тобе); (Тараз); (Актюбинск, Кандагач); (Арысь, Ганюшкино); (Шымкент); (Павлодар); (Кокшетау, Костанай, Моинты); (Астана); (Актау); (Аральское море, Саксаульская, Эмба); (Казалинск); (Аягуз, Шу, Жарма); (Тобол, Жезгазган); (Атбасар); (Балхаш, Уш-Тобе, Чарская).
В 3-ем разделе диссертации рассмотрено управление техническим состоянием зазоров пути с ДР, в т.ч.: существующая система установки и ТЕХО зазоров; математическая модель температурной работы рельсов и факторы ее определяющие; методика расчета температурной работы рельсов; автоматизация регистрации величин стыковых зазоров. С целью обеспечения нормальной работы пути и безопасности движения поездов на основе теории температурной работы рельсов установлены нормы и допуски ТЕХО стыковых зазоров. Установленные температурные ограничения, направленные на предотвращение «выброса» пути и разрывов рельсовых стыков, регламентируют проведение неотложных работ по регулировке зазоров. Наряду с этим целесообразно иметь нормативы, определяющие условия проведения работ по регулировке зазоров планово-предупредительного характера. Кроме того, требования, предъявляемые к величине стыкового зазора должны обязательно оговаривать допуск на их отклонения от нормальной величины. Величина этого допуска до сих пор не обоснована и не содержится в действующей Инструкции ЦП-774/203-04. При существующей системе контроля состояния стыковых зазоров, когда сплошная проверка их производится только два раза в год – при весенних и осенних осмотрах пути, малоэффективна и ненадежна. Состояние пути с распределением стыковых зазоров различной величины по перегону изменяется значительно быстрее и бывает иной при наступлении экстремальных температур. Особенно быстро изменяется это состояние пути на участках с недостаточным закреплением пути от угона. Выполнять более частый контроль состояния стыковых зазоров с проведением соответствующих расчетов по ожидаемым величинам температурных сил вручную при недостатке средств и рабочей силы весьма проблематично. Выход из положения механизированная съемка стыковых зазоров с регистрацией температуры рельсов и автоматизированная обработка полученной информации. Для обнаружения наиболее неблагоприятных участков с точки зрения перераспределения зазоров это мониторинг за возможными перемещениями рельсов вдоль оси пути вследствие их угона.
В диссертации сформулирован вывод, что назрела необходимость пересмотра существующей системы установки и ТЕХО стыковых зазоров пути с ДР, включая нормативную базу, и приведение ее в соответствие с современной изученностью температурной работы рельсов как стандартной длины, так и ДР. Существующая теория температурной работы рельсов основана на рассмотрении процесса изменения величины стыкового зазора от нуля до расч при изменении температуры рельсов в пределах максимально ожидаемой ТА. Из температурной работы рельсов следует, что факторами, ее определяющими, являются: к; сопротивляемость пути продольным температурным деформациям рельсов; прочность стыковых болтов и поперечная устойчивость пути; изменение температуры рельсов, когда их свободные температурные деформации равны к. Расчеты В.И. Матвецова показали, что величина k при нормальных размерах стыка для рельсов типа Р75 и Р65 равна k = 24 мм при среднеквадратическом отклонении S, равном 0,8 мм. Тогда среднее значение суммы 4-х k по Н.И. Карпущенко и др. равно 96 мм, а S суммы 4-х зазоров равно 1,6 мм. Следовательно, минимальное значение суммы 4-х полностью раскрытых стыковых зазоров равно 92 мм. Тогда среднее значение стыкового зазора, которое в дальнейшем принято за расчетное, равно 23 мм. Для рельсов типа Р50 номинальное значение одного k = 22 мм, а расчетное значение k = 21 мм. Расчетами показано достаточная обоснованность принятых в настоящее время величин k.
В диссертации составлена таблица: нормальных зазоров в весенне-летний период с учетом наблюдений максимально возможной температуры рельсов летом на 61 метеостанции, расположенных на раздельных пунктах АО «НК «КТЖ»»; для 4-х вариантов конструкции пути: рельсы типа Р75, 65, ЖБШ, скрепление типа КБ, балласт щебеночный; рельсы типа Р75, 65, ДШ, скрепление костыльное, балласт щебеночный; рельсы типа Р50, ЖБШ, скрепление типа КБ, балласт щебеночный; рельсы типа Р50, ДШ, скрепление костыльное, балласт щебеночный. Все 4-е варианта рассчитаны с учетом многолетних наблюдений максимально возможной температуры рельсов летом на метеостанциях указанных выше. Рассмотрены в каждом варианте 8 подвариантов расположения путей в плане: на прямой и в кривых радиусом 2000, 1200, 1000, 800, 600, 500 и 300 м, причем для радиуса 1200 м принято эпюра 1840 и 2000 шпал/км. При таком подходе в прямых и кривых большего радиуса возникающие в рельсах температурные силы при максимальных температурах значительно ниже критических значений по условию устойчивости пути «выбросу»; величин нормальных зазоров в осенне-зимний период для всей сети АО «НК «КТЖ»». Для предотвращения разрыва болтовых стыков зимой и «выброса» пути с ДР летом необходима систематическая информация о состоянии зазоров, их отклонение от нормальных значений. Решить эту проблему можно только, применив механизированный способ замера стыковых зазоров, их регистрации и обработки. В мировой практике разработаны бесконтактные датчики, позволяющие замерять зазоры с большой скоростью и высокой точностью. Такие датчики могут быть установлены на вагоне - путеизмерителе, имеющем бортовую ЭВМ, или на другой специально оборудованной подвижной единице. После обработки на ЭВМ полученной информации о стыковых зазорах производится оценка их состояния по сравнению с нормальными величинами и допусками на отклонение фактических зазоров от нормальных, выявляются места, представляющие угрозу разрыва болтовых стыков или «выброса» пути, предлагаются рекомендации по приведению зазоров в таких местах в безопасное состояние.
В 4 –ом разделе диссертации рассмотрено управление температурным режимом эксплуатации БП в РК, в т.ч.: особенности работы концевых участков пути; управление температурным режимом пути; мониторинг подвижек РП. По А.Д. Омарову и др. в РК средняя длина РП 585 м. Известно, что короткие РП до 800 м содержать трудно так, чтобы болты скрепления всегда были подтянуты до нормы, т.к. основное внимание обращается к уравнительным пролетам (УП). В этих случаях, даже при отсутствии угона, на концевых участках РП происходят значительные продольные температурные перемещения. Эти участки обычно длиннее 200 м даже по статическому расчету. С учетом воздействия поездов они еще большие. Таким образом, на всех УП, чтобы предотвратить появление срезающих усилий на болты, нужно заменять уравнительные рельсы (УР) на удлиненные, но эти работы путейским бригадам чаще не под силу. Значит, на части УП болты испытывают срезающие силы. Летом, если перед работами не выполнено перезакрепление, «выброс» не обязательно произойдет в «окно». Он может случиться и спустя некоторое время, если где-то, например, не заметили просадку. Такие случаи реальны примеров немало. Изложенная система, которая по Г.Г. Жулеву и др. еще применяется, явно нерациональна, и от нее нужно отказаться. Рациональнее другая система управления температурным режимом БП. Ее особенность – отсутствие ограничения наибольшей длины РП. Скорее установление минимальной его длины – равной перегону. Главное условие при этом – достаточно высокая температура закрепления tз, которое содержалось в рекомендации закреплять РП в верхней половине и трети расчетного интервала. В ТУ-02 РК это условие выражено в требовании закреплять РП в ОТЗ tотз, который дифференцирован по дистанциям пути АО «НК «КТЖ». РП необходимо не только закрепить при ОТЗ, нужно еще эту температуру сохранять во время эксплуатации, а при изменении вернуть в оптимальный интервал. ОТЗ необходимо поднять на 5 оС, а на подходах к мостам и в кривых радиусом > 800 м увеличить еще на 5 оС, оставив прежние допуски, таблица 3.
Таблица 3 – Рекомендуемые значения ОТЗ РП на ЖД РК
| Наименование дистанции пути (ПЧ) | Номера ПЧ | Откорректированные значения ОТЗ, tопт, оС |
| Бескольская; Агадырская; Б.Михайловская; Астанинская; Атбасарская; Есильская; Кушмуринская; Тобольская; Кустанайская; Новоишимская; Кокшетауская; Курорт- Боровская; Ерментауская; Экибастузская; Павлодарская | 43; 26; 25; 17; 20; 21; 33; 34; 35; 14; 15; 16; 18; 31; 32 | 35 ± 5 |
| Уральская; Илецкая; Актюбинская; Шубар-Кудукская; Кандагачская; Челкарская; Тюлькубасская; Чуйская; Чиганакская; Сары-Шаганская; Чокпарская; Алматинская; Айна – Булакская; Матайская | 1; 3; 4; 5; 6; 8; 52; 50; 49; 48; 47; 46; 45; 44 | 40 ± 5 |
| Атырауская; Кульсаринская; Мангышлакская; Казалинская; Жусалинская; Кзыл-Ординская; Шиелинская; Туркестанская Арысская; Чимкентская; Жамбулская; Луговская | 9; 11; 13; 60 58; 57; 56; 55; 54; 53; 51; 61 | 45 ± 5 |
В диссертации показано, что: угон БП должен быть изжит из путейской практики и это легко реализуемо при длине РП не менее перегона; требования пп. 4.2.4 и 3.4.1 ТУ-02 противоречат друг другу. Можно ли их устранить? Да, если управлять температурным режимом эксплуатации БП. Рассмотрена технология устранения. Концевые участки РП и УП – самые неблагоприятные места в БП, где интенсивно накапливаются остаточные деформации во всех элементах ВСП. Из-за этого в значительной степени сокращаются межремонтные сроки и долговечность каждого элемента. Когда на перегонах было несколько десятков УП, в известной степени приходилось мириться с тем, что для концевых участков и УП не существовало особых условий, касающихся их устройства, укладки, содержания и ремонта. Иначе это существенно усложняло бы систему эксплуатации. Теперь, когда при капитальном ремонте стали укладывать РП длиной до перегона, появилась реальная возможность разработать и осуществлять особые меры, улучающие НДС БП в указанных местах. В результате этих мер можно продлить сроки службы всех элементов ВСП, увеличить межремонтные сроки, сократить трудовые затраты и более надежно обеспечить безопасность движения поездов.
Для обеспечения более эффективного использования системы мониторинга подвижек РП относительно маячных шпал (МШ) предлагается: проверить на всем протяжении БП состояние этой системы и привести ее в соответствие с требованиями ТУ-02, а со специалистами, обслуживающими БП, изучение этой системы на предмет ее практического применения.
В 5 –ом разделе диссертации рассмотрен температурный режим укладки и эксплуатации БП в РК. Температурное воздействие на РП, в т.ч.: общие положения; температура рельсов и ее влияние на работу БП; влияние температуры на жесткость подрельсового основания (ПрО); температурные условия участков РП РК для возможности укладки БП; влияние климатических условий на распространение БП в РК.
На сети АО «НК «КТЖ»» длина сварных РП составляет, как правило, 550-800 м, между ними уложены 2-4 уравнительных рельса (УР). И хотя эти участки, по существующей классификации, тоже относятся к БП, при таком решении мы имеем не «в чистом виде» БП, а чередование 550-800-м сварных РП с короткими участками звеньевого пути. Выполнен анализ температурного режима укладки и эксплуатации БП на участках рельсового пути АО «НК «КТЖ»» и в зависимости от расчетной амплитуды ТА выделено 7 климатических зон, с уменьшением климатических регионов пока до двух. Амплитуда ТА = 90 оС, ТА = 95 оС, ТА =100 оС, 105 оС, ТА = 110 оС, ТА = 115 оС, ТА = 120оС. Анализом расчетных температурных интервалов закрепления 1575 РП на участках пути ЖД АО «НК «КТЖ»» в Северном регионе РК, находящихся в сложных климатических условиях установлено, что здесь отклонения температур рельсов от нижней границы расчетного температурного интервала достигает 48 оС, а от верхней границы - 26 оС. Отклонения фактических температур закрепления РП от границы расчетного интервала существенно меньше. Так, отклонение минимальной температуры закрепления от расчетного интервала для участков рельсового пути в Северном регионе составляет 33 оС, а отклонение максимальной температуры – 18 оС.
Оптимальные интервалы температур закрепления РП рекомендованные МГУ ПС по данным метеостанций Арысь, Туркестан, Чиганак, Отар и Матай грубо корреспондируются с данными ОТЗ РП на дистанциях пути АО «НК «КТЖ»», приведенных в ТУ-02 РК (таблица 3.1). Учитывая опыт эксплуатации БП и низкую вероятность появления экстремальных температур в Северном регионе РК, принято, что для ввода РП в расчетный режим независимо от температурных условий производства работ, необходимо иметь возможность создания в них расчетных напряжений при температуре рельсов ниже расчетного интервала до 35 оС и выше расчетного интервала до 15 оС.
Сеть АО «НК «КТЖ»» расположена в северном полушарии в основном между 45о и 55о северной широты. Из 19.100 км развернутой длины главных путей южнее 45о северной широты находится примерно 3.000 км сети: Аральское Море - Келес – около 910 км; Уш-Тобе - Алматы - Арысь –– около 1.190 км; Моинты – Чу – около 440 км; Бейнеу – Жанаозен – около 460 км.
ЖД РК располагаются в пределах нескольких климатических районов. В климатическом районе II4 c умеренно холодным климатом находятся участки сети АО «НК «КТЖ»» севернее станций Кандагаш и Жезказган и, южнее станций Агадырь и Аягуз. В климатическом районе II11 с жарким сухим климатом находятся участки сети АО «НК «КТЖ»» южнее станций Кандагаш и Жезказган и, севернее станций Моинты и Актогай.
Приведена схема сети АО «НК «КТЖ»» с нанесенными на ней расчетных ТА и температур рельсов. Расчеты и опыт эксплуатации показывают, что при ТА 105 – 110 оС существующая на сети АО «НК «КТЖ»» конструкция БП по параметрам прочности и устойчивости длинных сварных РП «не проходит» при радиусах кривых R 500-600 м. Это сдерживает расширение полигона сети БП этого типа в кривых на регионы РК, где участки ЖД проложены с ТА 100 оС, т.е. севернее ст. Актау, Бейнеу, Тюлькубас, Шокпар и Шымкент.
В 6 – ом разделе диссертации рассмотрены вопросы ввода РП БП в оптимальную температуру закрепления, в т.ч.: постановка вопроса; оптимальная температура закрепления РП; удлинение и восстановление РП.
Показано, что температура закрепления tз РП является одним из важнейших управляющих параметров, определяющих не только НДС БП, но и влияющих на организацию работ по его укладке, ТЕХО и ремонту, т.е. в конечном счете на технико-экономические показатели этой конструкции пути.
В Северном регионе РК 56 % РП укладывается вне ОТЗ, из этого количества 55 % РП закрепляется ниже и 45 % выше ОТЗ. Укладка РП вне ОТЗ приводит к необходимости их перезакрепления, что требует предоставления дополнительных «окон» и значительных трудовых затрат. Снятие температурных сил, осуществляемое в процессе эксплуатации, также связано с перерывами в движении поездов и существенными трудовыми затратами. Эффективное устранение указанных отказов БП связано с внедрением новых технологий и ТЕХ решений. Ввод РП в расчетный режим эксплуатации осуществляется, в основном, снятием температурных сил, выполняемой при температурах рельсов, соответствующих расчетному интервалу. Гидравлическое натяжное устройство (ГНУ) с развиваемым усилием растяжения до 1000 кН и усилием сжатия до 400 кН обеспечивает возможность ввода РП в расчетный режим в процессе эксплуатации БП практически независимо от температурных условий производства работ.
В ТУ - 02 (как и в ТУ- 91) даны формулы, по которым, якобы, можно определить величину зазора при изломе рельса и при разрыве болтов на конце РП. Для зимних условий в ТУ-02 в формулу (6.3) подставлено значение r = 25 кН/м, что далеко от реальности, а для случая излома при положительных температурах в эту формулу предлагается подставлять такие значения r, какие расчетчик посчитает верным. Изменение зазора на конце РП подсчитывается также по формуле типа (6.3), но в предположении, что противоположный конец рельса неподвижен, и еще при условии, что изменению зазора противодействует сопротивление продольному перемещению концов в накладках. Последнее обстоятельство в ТУ- 02 учтено уменьшением фактической разницы температур рельса и температуры закрепления tp вычитанием из нее 7 оС, т.е. предполагается, что бытовое сопротивление в накладках составляет не менее 140 кН.
Схема железных дорог Казахстана с нанесением на ней
расчетных температур рельсов
Опыты Х.Х. Дутаева показали, что в действующем пути сопротивления в накладках при расчетах пути нужно принимать равный ноль. Противоположный же от конца РП торец рельса нельзя считать неподвижным, он скорее еще более подвижен, чем торец другой
примыкающей РП, уложенной стык в стык, тем более — в случае разрыва болтов. Их разрыв в стыке УП для движения поездов более опасен, чем излом рельсов в середине РП, потому что зазор в этом случае может оказаться весьма большим из-за возможного сгона всех УР в одну сторону. Сварной стык, выполненный любым способом, не менее чем на порядок прочнее болтового, надежность его особенно низка, когда стыковые болты работают на срез под действием продольных растягивающих сил, что в УП происходит всегда и везде длительное время — осенью, зимой и весной. Выход из положения - ликвидации УП. Относительно недавно начавшееся на ЖД, например, РФ применение термитной сварки должно решить эту давно назревшую проблему.
Регламентированный в ТУ-02 (п. 4.5) способ сварки при температурах рельсов ниже ОТЗ с восстановлением ОТЗ «перенатяжением» рельсов с помощью ГНУ не был ограничен по температурному диапазону возможного его применения. Однако позднее появилось указание ограничить использование этого способа допускаемым отступлением в сторону понижения, по сравнению с ОТЗ, не более, чем на 10 °С. При отступлении в ту же сторону, но не более 5 °С, по ТУ—02 способ сварки «с перенатяжением» использовать не требуется. Т.о., ограничение по допускаемой температуре данного способа рамками от -5 °С до -10 °С по сравнению с ОТЗ, практически, равносильно его отмене.
Метод расчета пути на прочность «по предельному состоянию» не отражает реальных условий прочности. Изломы рельсов происходят практически только в местах дефектов и не зависят от температуры закрепления РП. С учетом еще и мнения М.Ф. Вериго расчет на прочность по методике в ТУ-02 должен быть изъят из дальнейшего использования.
В ТУ-02 норму tу (повышение температуры рельсов по сравнению с температурой их закрепления tз, определяемое устойчивостью против выброса при действии сжимающих продольных сил) увеличили до 4 оС (таблица П.Б.1). Причем это сделали для кривых малых радиусов, где указанную норму, как вытекает из исследований В.В. Ершова, следовало уменьшить. Эта ошибка проявляется хотя бы в том, что в кривых малых радиусов для рельсов типа Р75 tу больше, чем для Р65. Таблицу П.Б.1 ТУ-02, как не имеющую достоверных научных обоснований и содержащую явные ошибки, нужно также изъять из дальнейшего использования.
На сети ЖД АО «НК «КТЖ»» эксплуатируются временно восстановленные
РП. При этом большинство из них имеют два и более мест временно взятых в накладки, и соответственно у таких РП нарушен температурный режим работы. По А.Е. Токаревой в РФ средняя длина РП составляет 717 м, а с учетом не сваренных временно восстановленных – 527 м. Очевидно, что для увеличения длины РП и обеспечения безопасности движения поездов прежде всего нужно ускорить проведение в прежнее состояние как целостности (сваркой), так и температурного режима РП. С учетом объемов перевозок это наиболее целесообразно делать с использованием алюминотермитной сварки.
В 2008 г. Департаментом пути и сооружений ОАО «РЖД» утверждены Технические условия на удлинение и окончательное восстановление РП алюминотермитной сваркой. Предложено: разработать временную Инструкцию по применению струбцин ПСС-36 при краткосрочном восстановлении РП; сертифицировать эти изделия и ускорить их внедрение на сети ЖД; проверить качество и соответствие чертежам струбцин, изготовленных на ЖД по конструкторской документации ПТКБ ЦП.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Более 55 – летний опыт эксплуатации ДР в РК показали, что стандартными для АО «НК «КТЖ»» приняты рельсы длиной 25 м. Конструктивные зазоры в стыках установлены для рельсов Р50 - 21 мм, а для Р65 и Р75 – 23 мм. Эта величина зазоров достаточна для компенсации температурных деформаций рельсов Р50 при изменении температуры на 71 оС, а рельсов Р65 и Р75 – на 78 оС. На ЖД РК ТА больше указанных величин и составляют 88 - 119 оС. Свободные температурные деформации рельсов длиной 25 м равны в этих условиях 25,96-35,11 мм, больше указанных конструктивных зазоров в стыках рельсов, и недостаточны для компенсации температурных деформаций. Следовательно, рельсы длиной 25 м работают как ДР, причем протяженность участков пути с такими рельсами в АО «НК «КТЖ»» составляет около 60 % от развернутой длины. Поэтому при эксплуатации таких рельсов в них возникают значительные продольные температурные силы, пропорциональные несостоявшимся деформациям, которые летом могут привести к «выбросу» пути, а зимой к срезу болтов и разрыву стыков. Установленные, Инструкцией 774/203-04, температурные ограничения, направленные на предотвращение выброса пути и разрывов рельсовых стыков, регламентируют проведение неотложных работ по регулировке зазоров. Наряду с этим целесообразно иметь нормативы, определяющие условия проведения работ по регулировке зазоров планово-предупредительного характера. Кроме того, требования, предъявляемые к величине стыкового зазора должны обязательно оговаривать допуск на их отклонения от нормальной величины. Величина этого допуска до сих пор не обоснована и не содержится ни в одном действующем документе.
В АО «НК «КТЖ»» расширяется полигон эксплуатации БП, его протяженность достигла около 40 % от развернутой длины. Но с увеличением длины рельсов растет уровень их нагружения температурными силами и повышаются требования к правильности определения последних, в связи с неодинаковыми температурно-климатическими условиями, имеющими место на территории РК. Поэтому управление температурной работой ДР и РП БП в условиях РК является актуальной научно-технической задачей.
2. Установлено, что: стыковые зазоры иногда в 1,5 раза превышают конструктивную величину. На отдельных участках АО «НК «КТЖ»» возникает необходимость сезонной регулировки зазоров с укладкой укороченных рельсов на летний период и удлиненных «сплоток» – на зимний. Бывают случаи разрыва стыковых болтов и «выбросы» пути. В этих условиях чрезвычайно важно правильно определить, какие зазоры в стыках наиболее целесообразны и в строгом соответствии с установленными допусками соблюдать эти зазоры при укладке и ТЕХО рельсов длиной 25 м; в РК нет климатического региона с амплитудой температуры рельсов ТА < 80 оС, предусмотренной Инструкцией по текущему содержанию железнодорожного пути ЦП-774/203-04.
3. С использованием аналитически проанализированных математических зависимостей с учетом климатических условий и конструкции пути в различных регионах РК составлены таблицы нормальных стыковых зазоров по многолетним данным температуры рельсов на железнодорожных станциях: (Алматы, Атырау, Кзыл-Орда, Туркестан, Тулькубас); (Защита, Караганда, Семей, Усть-Каменогорск); (Петропавловск, Есиль); (Дружба, Сары-Озек, Талдыкорган, Уральск, Экибастуз, Чиганак); (Актогай, Отар, Жангиз-Тобе); (Тараз); (Актюбинск, Кандагач); (Арысь, Ганюшкино); (Шымкент); (Павлодар); (Кокшетау, Костанай, Моинты); (Астана); (Актау); (Аральское море, Саксаульская, Эмба); (Казалинск); (Аягуз, Шу, Жарма); (Тобол, Жезгазган); (Атбасар); (Балхаш, Уш-Тобе, Чарская).
4. Показано, что: температура закрепления tз РП является одним из важнейших управляющих параметров, определяющих не только НДС БП, но и влияющих на организацию работ по его укладке, ТЕХО и ремонту, т.е. в конечном счете на технико-экономические показатели этой конструкции пути; РП необходимо не только закрепить при ОТЗ, нужно еще эту температуру сохранять во время эксплуатации, а при изменении вернуть в оптимальный интервал. ОТЗ необходимо поднять на 5 оС, а на подходах к мостам и в кривых радиусом менее 800 м увеличить еще на 5 оС, оставив прежние допуски; угон БП должен быть изжит из путейской практики и это легко реализуемо при длине РП не менее перегона; требования пп. 4.2.4 и 3.4.1 ТУ-02 противоречат друг другу. Можно ли их устранить? Да, если управлять температурным режимом эксплуатации БП. Рассмотрена технология устранения.
5. Предложено для обеспечения более эффективного использования системы мониторинга подвижек РП относительно МШ: • проверить на всем протяжении БП состояние этой системы и привести ее в соответствие с требованиями ТУ-02; • провести со всеми специалистами, обслуживающими БП, изучение этой системы на предмет ее практического применения.
6. Выполнен анализ температурного режима укладки и эксплуатации БП на участках рельсового пути АО «НК «КТЖ»» и в зависимости от расчетной амплитуды ТА выделено 7 климатических зон, с уменьшением климатических регионов (по Инструкции ЦП-774/203-04) пока до двух: ТА = 90 оС, ТА = 95 оС, ТА =100 оС, 105 оС, ТА = 110 оС, ТА = 115 оС, ТА = 120 оС.
7. Регламентированный в ТУ-02 (п. 4.5) способ сварки при температурах
рельсов ниже ОТЗ с восстановлением ОТЗ «перенатяжением» рельсов с помощью ГНУ не был ограничен по температурному диапазону возможного его применения. Однако позднее появилось указание ограничить использование этого способа допускаемым отступлением в сторону понижения, по сравнению с ОТЗ, не более, чем на 10 °С. При отступлении в ту же сторону, но не более 5 °С, по ТУ—02 способ сварки «с перенатяжением» использовать не требуется. Т.о., ограничение по допускаемой температуре данного способа рамками от -5 °С до -10 °С по сравнению с ОТЗ, практически, равносильно его отмене.
8. В ТУ-02 норму повышения температуры РП tу увеличили до 4 оС (таблица П.Б.1). Причем это сделали для кривых малых радиусов, где указанную норму, как вытекает из исследований В.В. Ершова, следовало уменьшить. Эта ошибка проявляется хотя бы в том, что в кривых малых радиусов для рельсов типа Р75 tу больше, чем для Р65. Таблицу П.Б.1 ТУ-02, как не имеющую достоверных научных обоснований и содержащую явные ошибки, нужно также изъять из дальнейшего использования.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Касымжанова К.С. К вопросу о стыковых зазорах рельсов длиной 25 м в климатических условиях Казахстана//Магистраль, 2009. - №7. – С. 55-57.
2. Касымжанова К.С. О стыковых зазорах рельсов длиной 25 м на магистральных линиях АО «НК «КТЖ»»//Магистраль, 2009. - № 8 – С.49-53.
3. Касымжанова К.С. О температурной работе длинных рельсов в климатических условиях Казахстана. В кн.: Матерrily V Меzinrodn vdecko-praktick konference «Vdeck prмуsl evropskho kontinentu-2009». Dl 13. Technick vdy. - Praha.: Рublishing House «Education аnd Science» s.r.o. 2009. С.47-50.
4. Касымжанова К.С. Проблемы длинных рельсов и бесстыкового пути на железных дорогах Казахстана. В кн.: Матерrily V Меzinrodn vdecko-praktick konference «Vdeck prмуsl evropskho kontinentu-2009». Dl 13. Technick vdy. - Praha.: Рublishing House «Education аnd Science» s.r.o. 2009. С.50-54.
5. Касымжанова К.С. О управлении температурным режимом эксплуатации бесстыкового пути в Казахстане. В кн.: Материали за V Международна научно практична конференция «Ноnors нigн scнооl – 2009», т.7. Технологии, математика, съвременни технологии на информации. – София, «Бял Град-БГ» ООД, 2009. –С. 13-18.
6. Касымжанова К.С. К вопросу о температурных условиях сети АО «НК «Казахстан темiр жолы» «КТЖ». В кн.: Материали за V Международна научно практична конференция «Ноnors нigн scнооl – 2009», т.7. Технологии, математика, съвременни технологии на информации. – София, «Бял Град-БГ» ООД, 2009. –С. 19-22.
7. Касымжанова К.С. Температурная работа длинных рельсов в климатических условиях Казахстана//Промышленный транспорт Казахстана, 2009. - №4. – С. 119-121.
8. Касымжанова К.С. Повышение эффективности бесстыкового пути за счет повышения надежности рельсов в Казахстане//Промышленный транспорт Казахстана, 2009. - №4. – С.122-127.
9. Касымжанова К.С. О норме стыковых зазоров 25 м рельсов в Казахстане// Промышленный транспорт Казахстана, 2009, №5. –С. 87-88.
Касымжанова Куралай Советовна
«азастан жадайында зын рельстер мен тйіспесіз жол бунатарыны температуралы жмысын басару»
05.22.06-«Темір жол, темір жолды іздену жне жобалау» мамандыы бойынша техника ылымдарыны кандидаты ылыми дрежесіне іздену диссертациясыны автореферат
ТЙІНІ
Зерттеу нысаны: Р жадайында рельстік жолдарды пайдалану.
Жмысты масаты: зын рельстер (Р) мен тйіспесіз жол (ТЖ) бунатарыны (РБ), оларды температуралы жмыстары мен рельстік жолдарды Р жадайында пайдалану шарттарын жеілдететін, рылысы мен ктіп-стауы бойынша техникалы шешімдерді жасау
Зерттеу дістері: ойылан талаптарды шешу теориялы жне есептік зерттеулер нтижесі негізінде орындалды. Диссертацияда, алыс-жаын шет елдердегі Р жне ТЖ РБ салу жне пайдалану аясында ертеректе орындалан жмыстара негізделген, зерттеуді жйелік дісі жне сонымен атар, теорияны негізгі аидалары: рельсті температуралы жмысы; жолды жылжуы; жол мен жылжымалы рамны (Ж) зара рекеттестігі олданылды.
Жмысты нтижелері:
- рельстік жола температуралы серін басару мселелері бойынша зерттеулерді жне оларды рылылары мен пайдалану шарттарына ыпалын ретроспективті талдап сараптау;
- температуралы жмыс жне Р Ж ТЕХ ызмет крсету (К);
- Р Ж-мен тйіспе саылауындаы ТЕХ жадайын басару;
- Р ТЖ салу жне пайдалануда температуралы тртібін басару. РБ-а температуралы сері;
- бекітуді отайлы температурасына (БОТ) ТЖ РБ енгізу, оны ішінде, зартылан жне айта алпына келтірілген РБ.
Негізгі сындарлы, технологиялы жне техникалы-пайдаланушылы сипаттамасы: Р есептеулерін жетілдіруде: температураны згеруіне байланысты Р арбаласты-пішін згерту жадайын (ПЖ) анытау дістемесі; берілген температурада алыпты тйіспелік саылауды шамасын жне тйіспе саылауыны мерзімдік бседігіні есептік дістемесі; «ТЖ» К» А саылау нормасын сынуда наты амплитудасы мен рельс температурасыны ттенше мндеріне дифференциалды байланысты белгілеу, соны нтижесінде, темір жол стансаларында рельс температурасыны кп жылы деректері бойынша алыпты тйіспелік саылауды кестесі рылан: (Алматы, Атырау, ызылорда, Тркстан, Тлкібас); (Защита, араанды, Семей, скемен); (Петропавловск, Есіл); Дружба, Сарызек, Талдыоран, Орал, Екібастз; Шыана); (Атоай, Отар, Жаызтбе); (Тараз); (Атбе, андыааш); (Арыс, Ганюшкино); (Шымкент); (Павлодар); (Ккшетау, останай, Мойынты); (Астана); (Арал теізі, Сексеуіл, Ембі); (азалы); (Аякз, Шу, Жарма); (Тобыл, Жезазан); (Атбасар); (Балаш, штбе, Шар),
Р территориясында, ОЕ-774/203-04 нсауларымен арастырылан, климатты айматар санын азайтуда, рельсті есептік температуралы амплитудасы (РТА), ТА оС, зірше екеуге дейін;
Буынды жолдарды тйіспелік саылауларын ктіп стау мен белгілеуді, нормативті базасын оса, олданыстаы жйесін айта арауда жне оны, Р температуралы жмысыны азіргі заманауи пікірге сйкестігін келтіру;
Аса жоары температуралы режимде БОТ ауыстыруда, брыны шегін алдырып, наты оны 5 оС дейін, ал кпір жне 800 м кем емес исы радиустара жаындаанда таы да 5 оС ктеру ажет; ТЖ сыруын жол тжірибесінен жойылуы керек еді жне бл аралытан кем емес, РБ зындыында жеіл жзеге асырылады; пп ТН-02 4.2.4 жне 3.4.1 талаптары бір біріне кереар. Оларды жоюа бола ма? И, егер, ТЖ пайдалануды температуралы режимін басарса. Жою технологиясы арастырылан;
БОТ РБ енгізуді амтамасыз ететін, ТЕХ шешімдерді арастыруда, оны ішінде зартылан жне айта алпына келтірілген. Белгіленген ТН-02 (п. 4.5) рельс температурасында пісіру тсілі БОТ тмен, гидравликалы созылу ондырысыны кмегімен рельстерді «» БОТ айта алпына келтірілуімен, оны олдану ммкіндігі температуралы ауымы бойынша шектелмеген. Біра кейінірек, бл тсілді олдануа шек ойылды.
Енгізу дрежесі: Зерттеу нтижелері: «Темір жолды аымды жндеу бойынша нсаулы» жне «Тйіспесіз жолды жндеу, ктіп стау, тсеу жне рылысы бойынша техникалы нсама» сыныстарын зірлеуді жаа баспасында пайдаланылды; «ТЖ» К» А енгізуге абылданды жне «Жол жне жол шаруашылыы» (ККА), «Клік имараттары рылысы» (ЖУ) кафедраларыны оу рдісінде олданылады.
Енгізу бойынша сыныстар: РБ ыса мерзімде айта орнатуда ПСС-36 струбцинді пайдалану бойынша уаытша Нсауды жасау; струбцин ПСС-36 сертификаттауда жне оларды ТЖ желілеріне енгізуді жеделдету.
олдану аясы: зын рельс пен тйіспесіз жол бунатарымен рельстік жол. Экономикалы тиімділігі: МП «блдыр» шпалдарына араанда РБ сырымасыны мониторинг жйесін е тиімді олдануын амтамасыз етуі шін сынылан; бл жйені ТЖ барлы зындыымен жадайын тексеру жне оны ТН-02 талаптарына сйкестендіру; ТЖ ызмет жасайтын барлы мамандармен, бл жйені зерттеп, оны іс жзінде олданысын жргізу.
Зерттеу нысаныны дамуы туралы болжамды жорамал: зерттеу дістемесіні негізгі аидалары тзетулерімен Р температуралы жмыстарын басару бойынша зерттеулерде жне нерксіптік мекеме жолдарыны ТЖ РБ мен аланы жерасты рельстік кліктерінде олдануа болады.
The resume
Kasymzhanova Kuralaj Sovetovna
Management of temperature work of long rails
And lashes weded ways in the conditions of Kazakhstan
The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.22.06 - the Track, research and designing of railways
Object of research operation of a rail way in the conditions of РК.
The purpose of work working out of THOSE decisions on the device and the maintenance of long rails (ДР) and rail lashes (РП) welded ways (БП) facilitating their temperature work and service conditions of a rail way in the conditions of РК.
Research methods. The decision of tasks in view was carried out on the basis of results of theoretical and settlement researches. In the dissertation the system method of the researches based on the analysis before executed works in the field of packing and operation ДР and RP БП in near and far abroad is applied, and also substantive provisions of theories are used: temperature work of rails; way stealing; way and rolling stock interactions (ПС).
Results of work:
• the retrospective analysis of researches of a problem of management of temperature influences on a railway line and their influence on the device and service conditions;
• temperature work and THAT service () ДР in РК;
• management of THOSE of a condition of butt backlashes of a way with ДР in РК;
• management of a temperature mode of operation БП in РК;
• a temperature mode of packing and operation БП in РК. Temperature influence on РП;
• input of RP БП in optimum temperature of fastening (ОТЗ), including extended and restored РП.
The basic constructive, technological and tehniko-operational characteristics: in perfection of calculations ДР: a method of definition of the is intense-deformed condition (VAT) ДР at temperature change; design procedures of size of a normal butt backlash at the set temperature and a seasonal discharge of butt backlashes; in the offer norm of backlashes in joint-stock company "НК" KTZH »» to establish differentially depending on actual amplitude and extreme values of temperature of rails and, as consequence, the table of normal butt backlashes under the long-term data of temperature of rails at railway stations is made: (Almaty, Atyrau, Kzyl-Orda, Turkestan, Tulkubas); (Protection, Karaganda, Families, Ust Kamenogorsk); (Petropavlovsk, Esil); (Friendship, Sary-Ozek, Taldykorgan, Uralsk, Ekibastuz, Chiganak); (Aktogaj, Flocks, Zhangiz-Tobe); (Taraz);
(Aktyubinsk, Kandagach); (Arys, Ganjushkino); (Shymkent); (Pavlodar); (Kokshetau, Kostanaj, Mointy); (Astana); (Актау); (Aral sea, Saksaulsky, Emba); (Казалинск); (Ajaguz, Shu, Zharma); (Tobol, Zhezgazgan); (Атбасар); (Balkhash, Ush-Tobe, Charsky).
In reduction of quantity of the climatic regions provided by Instruction ЦП-774/203-04, by territories РК depending on settlement temperature amplitude (MOUTH) of rails, THAT, wasps, while to two;
In revision of existing system of installation and the maintenance of butt backlashes link ways, including standard base, and its reduction in conformity with modern views for temperature work ДР;
In displacement ОТЗ in higher temperature mode, namely ОТЗ it is necessary to lift on 5 wasps, and on approaches to bridges and in curves in radius less than 800 m to increase by 5 wasps, having left former admissions; stealing БП should be got rid from track experts and it is easily realised at length РП not less a stage; requirements of subitem 4.2.4 and 3.4.1 ТУ-02 contradict each other. Whether it is possible to eliminate them? Yes, if to operate a temperature mode of operation БП. The technology of elimination is considered;
In generalisation of THOSE decisions providing input РП in ОТЗ, including extended and restored. Regulated in ТУ-02 (item 4.5) the way of welding at temperatures of rails more low ОТЗ with restoration ОТЗ by "retension" of rails by means of hydraulic tension devices (GNU) has not been limited on a temperature range of its possible application. However later there were instructions to limit use of this way by supposed deviation towards fall, in comparison with ОТЗ, no more, than on 10 °С. At deviation in the same party, but no more than 5 °С, on ТУ-02 «with a retension» it is not required to use a way of welding. Т.о., restriction on the supposed temperature of the given way frameworks from-5 °С to-10 °С in comparison with ОТЗ, practically, is equivalent to its cancellation.
Introduction degree: Results of researches are realised at: to working out of recommendations in new editions «the Instruction on the current maintenance of a railway way"and"Technical instructions on the device, packing, the maintenance and repair weded ways»; are accepted for introduction in joint-stock company "НК" KTZH »» and the Way and travelling facilities »KazAtK,« Building of transport constructions "КУПС" are used in educational process of chairs «.
Recommendations about introduction: In working out of the time Instruction on application of clamps ПСС-36 at short-term restoration РП; in • certifications of clamps ПСС-36 and acceleration their introduction on network ЖД.
Scope: the Railway line with long rails and lashes weded ways.
Economic efficiency: It is offered for maintenance more an effective utilisation of system of monitoring of motions РП rather «маячных» MT cross ties: • to check up on all extent БП a condition of this system and to bring it into accord with requirements ТУ-02;
• to spend with all experts serving БП, studying of this system about its practical application.
Look-ahead offers on development of object of research: Substantive provisions of a technique of research with updating can be used at research of management by temperature work ДР and RP БП on ways of the industrial enterprises and city land rail transport.
Касымжанова Куралай Советовна
Управление температурной работой длинных рельсов
и плетей бесстыкового пути в условиях Казахстана
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 3.06 2010 г.
Формат 60х84 1/16. Тираж 100 экземпляров
Бумага офсет №1. Усл. п.л. 1,7.
Отпечатано в типографии «Алла Прима»
Тел. 251-62-75
