Исследование сил и характера взаимодействия пути и подвижного состава на железных дорогах казахстана
УКД 625.151.01 На правах рукописи
Тулебаев Сакен Коптлеуович
Исследование сил и характера взаимодействия пути и подвижного состава на железных дорогах Казахстана
05.22.06 – «Железнодорожный путь, изыскание и проектирование
железных дорог»
Автореферат
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Алматы, 2010
Работа выполнена в Казахском университете путей сообщения
Научный руководитель: доктор технических наук
Нусупбекова Г.С.
Официальные оппоненты: доктор технических наук
Нурмамбетов С.М.,
кандидат технических наук
Бекмамбет К.ТМ
Ведущая организация: Казахская академия транспорта
и коммуникаций им.М.Тынышпаева
Защита состоится 25 июня 2010 г. в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д14.64.45 в Казахском университете путей сообщения по адресу: 050063, г. Алматы, мкрн. Жетысу-1, дом 32а, ауд. 101.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казахского университета путей сообщения по адресу: 050063, г. Алматы, мкр. Жетысу-1, дом 32а, тел.: 8 727-376-74-78, факс: 376-74-81, e-mail: [email protected].
Автореферат разослан 24 мая 2010 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета |  | А. Кайнарбеков |
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Рост экономики Казахстана доказывает эффективность построения и реализации собственной модели развития нашей страны. «Стратегия индустрально-инновационнного развития Республики Казахстан на 2003-2015 года», создает условия для дальнейшего развития конкурентоспособной экономики индустрии высоких технологий.
Стратегия определяет основные направления государственной транспортной политики до 2015 года, и представляет собой совокупность политико-экономических и организационно правовых актов, принципов призванных обеспечить комплексность и единство транспортной системы.
При определении сил взаимодействия пути и подвижного состава необходимо особое внимание уделять конструкции подвижного состава и характеру взаимодействия, так как эти силы способны угрожать прочности конструкции и устойчивости колесных пар против схода с рельсов. При прохождении переломных профилей пути динамические нагрузки могут достигать величин для отдельных углов подвижного состава, так как силы квазистатического характера могут привести сходу колесных пар вагонов с рельсов.
В процессе движения подвижной состав вследствие неровности пути, его переменной жесткости и других причин совершает сложные колебания, интенсивности которых зависит от динамических свойств вагонов и пути, и конечно от скорости движения.
Целью работы – является определение сил при взаимодействии пути и подвижного состава в зависимости от скорости движения, параметров пути и подвижного состава.
Идея работы заключается в разработке математических моделей по определению взаимодействия подвижного состава и на их основе дать практические рекомендации по предупреждению контактно-усталостных дефектов в рельсах.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- провести теоретические исследования по определению расчетных параметров пути: жесткость диссипативных сил, инерционных свойств рельсо-шпальной решетки;
- установить влияние конструктивных параметров подвижного состава по выбору основных параметров рессорного подвешивания, гасители колебаний на основе обобщений результатов динамических испытаний;
- разработать математическую модель взаимодействия подвижного состава на рельсовые нити при вертикальных колебаниях экипажей;
- установить зависимости взаимодействия подвижного состава и пути в зависимости от скорости движения;
- разработать мероприятия по уменьшению контактных напряжений для уменьшения износа колес подвижного состава.
Объектом исследования является динамика взаимодействия системы «экипаж-путь».
Предметом исследования является определение допустимых контактных напряжений в рельсах от колес подвижного состава.
Методы исследования базируются на комплексном подходе к сложной механической системе «железнодорожный путь - экипаж».
Научные положения, выносимые на защиту:
- методика расчета упруго-динамических характеристик железнодорожного пути и динамико-кинематических характеристик подвижного состава;
- математическая модель для линейной расчетной схемы взаимодействия подвижного состава и пути;
- методика определения оценки контактной прочности рельсов;
- математическая модель подвижного состава с двойным рессорным подвешиванием.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается применением современных методов механики разрушения, математического анализа, логических математических выкладок, моделированием на ЭВМ и сравнением полученных результатов с экспериментальными данными.
Методы исследования поставленных задачи выполнялось на основе анализа и научного обобщения исследований в области взаимодействия подвижного состава и пути и условий эксплуатации подвижного состава. Результаты исследования движения экипажа получены методами математического моделирования с использованием ЭВМ.
Научная новизна диссертационной работы заключается:
- в развитии численных методов определения параметров подвижного состава;
- в определении значений сил и характера взаимодействия пути и подвижного состава в зависимости от скорости движения и параметров пути;
- в исследовании сил, действующих на путь при вертикальных и боковых колебаниях типового подвижного состава;
- определены максимально и минимально допустимая ширина колеи с использованием геометрических размеров рельсовой колеи и колесных пар, а также значения боковых сил, возникающих при движении подвижного состава по пути.
Практическая ценность работы.
Теоретические расчеты показали, что напряжения с использованием основных параметров, влияющих на контактную прочность рельсов при существующих статических нагрузках максимальные значения контактных напряжений составляет 1380МПа.
Разработаны нормы устройства ширины колеи в кривых различных радиусов и допуски в содержании колеи.
Исследование контактных напряжений позволило выявить влияние различных факторов на их величину и дать практические рекомендации по предупреждению контактно-усталостных дефектов в рельсах.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедр «СТС» (Алматы, КУПС), «ТС» (Алматы, КазАТК) на международных научно-практических конференциях: «Инновационные процессы в развитии транспортно-коммуникационного комплекса», Алматы, КУПС, 2009 г., «Повышение эффективности автоматизированных систем управления перевозочным процессом в транспортных системах в новых информационных технологиях», Алматы, КазАТК, 2010 г., «Механика и строительство транспортных сооружений», Алматы, КазГАСА, 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе – в изданиях, рекомендованных комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК (Магистраль, Вестник КазАТК, ПОИСК).
Личный вклад автора:
- установлены влияние конструктивных параметров подвижного состава по выбору основных параметров рессорного подвешивания;
- установлены зависимости взаимодействия пути и подвижного состава в зависимости от скорости движения;
- разработаны мероприятия по уменьшению контактных напряжений для уменьшения износа колес подвижного состава.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из нормативных ссылок, определений, обозначений и сокращений, введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и дополнена 3 приложениями.
Основная часть
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены цели и задачи исследования, указана научная новизна и практическая ценность
Первый раздел посвящен анализу общей схемы решения задачи по взаимодействию пути и подвижного состава.
Вопросами исследования взаимодействия пути и подвижного состава посвящены труды многочисленных ученых, в том числе отечественных – Каспакбаева К.С., Биттибаева С.М., Уразбекова А.К., Солоненко В.Г. и др
Первая крупная научная монография, посвященная обобщению многочисленных исследований работы пути под нагрузкой и динамики подвижного состава была опубликована в 1931г. известным ученым профессором А.М. Годыцким-Цвирко.
В 1933г. в переводе на русский язык вышла значительная по содержанию монография французского ученого Г.Марье, также посвященная взаимодействию пути и подвижного состава.
В последние годы появилось в печати много теоретических и экспериментальных исследований, посвященных науке о взаимодействии пути и подвижного состава.
При движении колеса по рельсу сила динамического давления на рельс изменяется в зависимости от ряда факторов. При известной форме неровности и при известных механических характеристиках пути и подвижного состава можно определить силы взаимодействия колеса и рельса при проходе по неровности.
Для составления расчетных уравнений изобразим силовую систему так, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1 – Силовая схема экипажа
Для каждого тела, входящего в рассчитываемую систему, напишем уравнения движения (по Даламберу). При этом принимается, что для каждой массы, кроме рельса, начало отсчета ординат совпадает с положением центра тяжести этой массы, когда экипаж стоит на пpямолинейном участке пути (т.е. в положении равновесия).
Кузов экипажа
; (1)
; (2)
; (3)
; (4)
где 
сила инерции кузова; 
сила взаимодействия кузова с первой тележкой; 
сила взаимодействия кузова со второй тележкой; 
момент сил инерции кузова при его вращении относительно оси, перпендикулярной к плоскости симметрии пути; L – расстояние между шкворнями тележек; 
и 
линейное и угловое ускорение кузова экипажа; 
масса кузова экипажа; 
физический момент инерции кузова экипажа.
Для характеристики степени упругости конструкции пути применяется обычно коэффициент упругости, выражаемый величиной упругой просадки, которую вызывает единица нагрузки.
При линейной зависимости между давлением на единицу площади основная шпалы и ее упругой просадкой можно записать
,
где 
– давление в кг на 1см2 постели шпалы;
с – коэффициент податливости основания (коэффициент постели шпалы) в кг/см3;
– упругая просадка шпалы в см.
Коэффициент с может быть определен из приведенной выше формулы
При 
=1 получается, что с=Р, т.е. с – есть сила, приходящаяся на 1см2 постели шпалы, которая вызывает просадку шпалы на 1см.
Этот коэффициент характеризует степень упругости пути. Он зависит от рода и количества балласта, степени его уплотнения, состояния земляного полотна и других условий.
Числовые значения коэффициента податливости упругого основания с, входящего в основную отправную гипотезу Винклера, изменяются в широких пределах и точно еще не определены достаточным количеством опытов и наблюдений. Для характеристики степени упругости конструкции пути применяется обычно коэффициент упругости, выражаемый величиной упругой просадки, которую вызывает единица нагрузки.
При линейной зависимости между давлением на единицу площади основная шпалы и ее упругой просадкой можно записать
,
где 
– давление в кг на 1см2 постели шпалы;
с – коэффициент податливости основания (коэффициент постели шпалы) в кг/см3;
– упругая просадка шпалы в см.
Коэффициент с может быть определен из приведенной выше формулы
При 
=1 получается, что с=Р, т.е. с – есть сила, приходящаяся на 1см2 постели шпалы, которая вызывает просадку шпалы на 1см.
Этот коэффициент характеризует степень упругости пути. Он зависит от рода и количества балласта, степени его уплотнения, состояния земляного полотна и других условий.
Во втором разделе проведено исследование сил, действующих на рельсовые нити при вертикальных колебаниях экипажа.
Методы расчета сил, действующих на путь при прохождении подвижного состава, изложены в работах А.А. Холодецкого, К. Цеглинского, Н.П. Петрова, С.Н. Смирнова, Н.Е. Жуковского, Х. Хеймана и др.
Применительно к колее 1520мм многие вопросы взаимодействия пути и подвижного состава, а также оценки напряженного и деформированного состояния пути нуждаются в дальнейшей разработке и совершенствовании.
В настоящее время при исследовании сил взаимодействия пути и подвижного состава наиболее часто применяется и более полно исследована одиночная вертикальная силовая система, состоящая из масс, упруго связанных между собой. Степень детализации такой системы зависит от поставленной задачи и технических возможностей ее решения. Например, для исследования сил взаимодействия в контакте колеса и рельса, возникающего в зоне коротких неровностей, часто применяется одиночная вертикальная система с шестью степенями свободы (рисунок 2).
Рисунок 2 – Линейная расчетная схема
Силовая система состоит из масс, упруго связанных между собой. В качестве масс учитываются: шпалы, подошва рельса, головка рельса, обод колеса, ступица с осью, букса.
Путевая подкладка в связи с относительно малой ее массой не учитывается.
Кинематическими связями являются: балласт, резиновые прокладки скреплений, шейка рельса, зона контакта, диск колеса, шейка оси.
Уровень сил и характер взаимодействия колеса и элементов рельсовых нитей зависит от величин участвующих во взаимодействии масс, параметров кинематических упругих связей и сил трения. Определению значений этих параметров посвящены многие исследования.
Математическая модель для линейной расчетной схемы, представленной на рисунке 2, может быть получена из рассмотрения уравнений Лагранжа второго рода.
где 
– кинематическая энергия системы; 
– потенциальная энергия системы; 
– энергия рассеивания (диссипативная функция); 
– обобщенная координата; 
– обобщенная скорость; 
, 
– обобщенные силы, соответствующие силам сопротивления Ri; 
; 
; 
.
Кинематическая энергия рассматриваемой механической системы с 6-ю степенями свободы будет равна
Потенциальная энергия определится как сумма потенциальных энергий деформированных жестких связей 
и потенциальных энергий грузов в поле сил тяжести 
и т.е.
;
,
где 
динамический прогиб (i+1) элемента (степень свободы) системы;
статический прогиб (i+1) элемента системы;
неровность пути.
где 
собственный вес i-го элемента системы;
ускорение свободного падения.
Энергия рассеивания, выраженная через обобщенные скорости, будет равна
В выражении энергий:
коэффициент инерции (масса i-той степени);
коэффициент жесткости;
коэффициент вязкого трения.
Однако, возросшие требования практики ставят перед исследователями ряд задач, решить которые с помощью простейших схем расчета затруднительно.
Например, на колебания кузова вагона оказывают влияние длинные неровности пути, удары колес в стыках практически не влияют на колебания кузова.
Известно, что для локомотива наиболее опасным является режим движения с критической скоростью, вследствие чего одной из основных задач является определение частот собственных колебаний и критических скоростей движения.
Сравнительная оценка экипажей с различной базой позволяет правильно выбрать ее наивыгоднейщую величину. Плоская расчетная схема тележки для электровоза ВЛ-80 приведена на рисунке 3. Расчетная схема учитывает: вертикальные колебания кузова, колебания подпрыгивания и галоприрования тележки, подпрыгивания колесных пар.
Такое допущение следует считать возможным, так как при этом сохраняются одинаковые условия для сравнения различных вариантов экипажной части.
При изучении динамики взаимодействия пути и экипажей при движении их по длинным неровностям (например, по большим мостам) могут использоваться плоские расчетные схемы с большей степенью детализации.
Рисунок 3 – Плоская расчетная схема тележки
Расчетная схема «локомотив – путь» применительно к движению электровоза ВЛ-80 (одна секция) с постоянной скоростью представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Плоская расчетная схема «локомотив – путь»
Расчетная схема учитывает:
– перемещение центра масс кузова; 
– перемещение центра масс подрессоренных частей первой и второй тележки; 
– перемещение центров масс неподрессоренных частей первой тележки; 
– угол поворота кузова; 
– углы поворота подрессоренных частей первой и второй тележек.
Наиболее достоверна математическая модель взаимодействия экипажа и пути, в которой расчетная схема пути представлена в виде бесконечной инерционной балки сложного сечения (рельса), лежащей на сплошном упругом основании, испытывающей под воздействием передаваемых колесами сил вертикальных и горизонтальных поперечные изгибы, а также кручение. Это основание обладает распределенной массой и демпфи-рованием при всех видах колебаний. Экипаж в расчетной схеме представлен в виде абсолютно твердых тел, соединенных диссипативными связями.
За расчетный экипаж принят грузовой вагон на одинарном рессорном подвешивании. Расчетная схема для такого экипажа показана на рисунке 5.
В такой системе кузов на рессорном подвешивании может совершать колебания подпрыгивания, галопирования, боковой качки, бокового относа и влияния, т.е. иметь пять степеней свободы. Кроме того, каждая из тележек совместно с приведенной массой пути может совершать тоже пять видов колебаний.
Рисунок 5 – Расчетная схема экипажа
Задача по определению сил, действующих на рельсовые нити, реализована как комплекс программ на языке Фортран-IV для ПЭВМ. Этот комплекс программ состоит из двух частей, которые состыкованы для получения выходных характеристик задачи. Результаты расчетов приведены в виде графиков на рисунке 6.
В третьем разделе диссертационной работы проведены исследования контактных напряжений в рельсах.
Необходимость оценки уровня контактных напряжений в зависимости от поперечных профилей головки рельса и колеса вызвана следующими соображениями.
В настоящее время на железных дорогах РК начали планомерно внедрять в обращение тяжеловесные и длинносоставные поезда. Известно, что с увеличением массы и длины поездов возрастают продольные, особенно сжимающие силы в них. Обусловлено это увеличением мощности локомотивов, их многосекционной группировкой в голове тяжеловесных поездов, расширением практики торможения поездов только локомотивами, внедрением в обращение соединенных поездов с рассредоточением локомотивов по длине поезда и использованием толкачей.
1,2 – при удовлетворительном и неудовлетворительном состоянии пути
Рисунок 6 – Результаты исследования вертикальных сил взаимодействия системы «экипаж-путь»
Кроме того, если раньше дефекты рельсов возникали по всему их сечению, т.е. в головке, шейки и подошве, то в настоящее время в связи с повышением осевых нагрузок, массы рельсов, изменениями условий эксплуатации подавляющее большинство дефектов рельсов связано с недостаточной их контактной прочностью.
Например, на железных дорогах России повреждения головки термически упрочненных рельсов типов Р50, Р65 и Р75 соответственно составляет 87,6%, 95,2% и 98,4% от всех дефектов, по которым производится, изъято их на пути.
Имея в виду современные эксплуатационные условия и перспективны развития железных дорог СНГ, задача изучения напряжений, возникающих в зоне контакта колес и рельса, имеет большое значение.
Контактная задача представляет собой объемную задачу теории упругости, для ряда ее случаев имеются теоретические решения.
Контактная задача для определения напряжений непосредственно на поверхности контакта двух соприкасающихся тел с криволинейными поверхностями впервые была решена Г. Герцем. Однако ее решение не было доступным для практических инженерных расчетов.
Позднее Г. Лоренц, Л. Феппль, С.П. Тимошенко, используя данные Герца, создали сравнительно простые расчетные схемы. Целый комплекс контактных задач решен в работах С. Фукса, М. Губера и особенно русских ученых А.Н. Динника и Н.М. Беляева.
А.Н. Динник показал, что с точки зрения максимальных касательных напряжений наиболее опасная точка находится на некоторой глубине от поверхности катания. Подробно этот вопрос был рассмотрен Н.М. Беляевым для различных случаев эллиптической контактной площадки. Им получены формулы для определения контактных напряжений при соприкосновении тел различной формы, определена величина напряжений в опасной точке внутри тел и глубина расположения данной точки при любом эксцентриситете эллипса соприкосновения.
Контактно-усталостные разрушения металла колес подвижного состава происходят в зоне его поверхности катания и на некоторой глубине. В результате приходится принимать меры по восстановлению их профиля. Учитывая специфику профиля бандажа колес подвижного состава, в теоретических исследованиях рассматривается случай контактирования выпуклой катания колеса с рельсом (расчетная схема представлена на рисунке 7.
R1 – поверхность катания головки рельса; R2 – радиус головки рельса, мм; R3 – радиус колеса, мм; R4 – рaдиуc поверхности катания колеса, мм
а) Расчетная схема для определения контактных напряжений с соответствующими основными радиусами, характеризующими геометрию контакта колеса и рельса; б) Полуэллипсоид контактных давлений
Рисунок 7
При установлении уровня удельных давлений от колеса на рельсы использовано теоретическое решение С.П. Тимошенко.
Наибольшая величина удельного давления в контактной площадке определялась по формуле
(5)
где Р – нагрузка, нормальная к поверхности катания; а и b – полуоси эллиптического контура поверхности катания.
В четвертом разделе проведено исследование сил, действующих на рельсовые нити при боковых колебаниях экипажа.
Методы расчета боковых сил, действующих от подвижного состава на путь, и расчетные схемы для изучения процессов взаимодействия экипажа, движущегося в прямых и круговых кривых участках пути, не имеющих отступлений от идеального проектного очертания, достаточно подробно разработаны в трудах многочисленных отечественных и зарубежных ученых.
Однако вопросы определения боковых сил, действующих на участках пути переменной кривизны, какими являются переходные и сбитые кривые, неровности рельсовой колеи в плане, еще исследованы недостаточно.
Как уже отмечалось, реальная конструкция пути с точки зрения расчетной математической системы содержит односторонние и нелинейные кинематические связи, переменные массы, непостоянные возмущающие факторы и другие особенности.
В целом схема взаимодействия экипажа и пути в горизонтальной плоскости может быть представлена как механическая система со многими степенями свободы. Математической моделью ее будет система п дифференциальных уравнений второго порядка.
На рисунке 8 показана расчетная схема, принятая к расчету.
Рисунок 8 – Расчетная схема (в плане), принятая к расчету
Если предположить, что основные элементы экипажа (кузов, тележки, колесные пары) при движении по кривой совершают поступательное (поперек оси пути) и вращательное (относительно собственного центра тяжести) перемещения, то движение экипажа может быть описано четырнадцатью дифференциальными уравнениями второго порядка.
Расчетная схема экипажа в продольной и поперечной плоскостях и в плане показаны на рисунке 9.
Рисунок 9 – Расчетная схема экипажа в продольной (а), поперечной (б) плоскостях и в плане (в)
а) вертикальные силы, б) боковые силы, в) горизонтальные поперечные силы
наружная нить, – – – – – внутренняя нить
Рисунок 10 – Силы, действующие на рельсовые нити при удовлетворительном состоянии пути с учетом возвышения наружного рельса nP=40, 80 и 120мм
По результатам расчетов были построены графики, на которых приведен изменения вертикальных, боковых и горизонтальных поперечных сил, напряжений и деформаций рельсов при изменении параметров рельсовой колеи в зависимости от скорости.
Расчетным путем определены значения вертикальных сил, действующих на наружную и внутреннюю рельсовые нити, боковых сил и горизонтальных поперечных сил (трения) в зависимости от величины возвышения наружного рельса при различных скоростях движения экипажа (рисунок 10).
В пятом разделе проведена динамическая оценка норм устройства и содержания рельсовой колеи в кривых участках пути.
Практика эксплуатации железных дорог показала, что основной причиной сходов подвижного состава с рельсов в кривых является недопустимое уширение или сужение колеи. Поэтому рассмотрение вопроса об оптимальной ширине колеи в кривых для железных дорог имеет большое значение.
На железных дорогах СНГ, как правило, в кривых участках пути, особенно малых радиусов для обеспечения вписывания в них экипажа без заклинивания ходовых частей между наружной и внутренней рельсовыми нитями делается уширение колеи.
Изменение ширины колеи в кривых может происходить вследствие бокового износа рельсов, при этом надежная связь рельсов со шпалами не нарушается. Поэтому во избежание излишних перешивок пути с деревянными шпалами положительный допуск в ширине колеи на кривых радиусом 500м и менее увеличивается на величину фактического износа боковой грани головки рельса наружной нити.
Приведенные в пятой главе исследования показали, что ширина рельсовой колеи является важнейшей характеристикой железнодорожного пути и одним из основных факторов, определяющих степень воздействия на него подвижного состава.
Ввиду того, что в процессе эксплуатации рельсовой колеи возникают остаточные деформации, устанавливаются допуски на ее содержание.
Опыт эксплуатации железных дорог с уменьшенной номинальной шириной колеи в России и Германии оказался положительным: достигнуто, в частности, улучшение плавности движения и определенное снижение затрат на содержание верхнего строения пути.
Уменьшение зазора между колеса и головкой рельса особенно желательно при высоких скоростях движения поездов, так как при этом значительно уменьшаются боковые силы.
Напряжения, возникающие в подошве рельса, в большинстве случаев находятся в пределах допускаемых. Исключение составляют напряжения во внешней кромке подошвы рельса в кривых радиусом 400м при скорости движения подвижного состава 80км/ч. Объясняется это высокой скоростью движения. В кривых радиусом 300м чрезмерные осевые напряжения наблюдаются при ширине колеи 1515мм. В процессе расчетов были определены также вертикальные прогибы рельсов и упругие отжатия головки наружной нити. Величины прогиба наружной рельсовой нити колебались от 3,6мм при скорости движения 25км/ч в кривой радиуса 80м до 5,4мм при скорости 80км/ч и кривой радиусом 400м. Упругие отжатие наружной рельсовой нити изменялось от 8мм (R=80м, V=25км/ч) до (R=400м, V=80км/ч). На рисунке 11 представлены зависимости 
и 
от радиуса кривых, полученные с использованием геометрических параметров и нанесены значения боковых сил, возникающих при движении подвижного состава.
Pисунок 10 – Рекомендуемые нормы ширины колеи в кривых, с учетом боковых сил взаимодействия пути и подвижного состава
Наложение силовых параметров на график и их анализ позволили рекомендовать величины уширения рельсовой колеи при различном радиусе кривых.
Заключение
Выполненные исследования по определению сил и характера взаимодействия пути и подвижного состава для железных дорог Казахстана позволяют отметить следующее.
1. Нормальная ширина колеи принята равной 1520мм, осевые нагрузки достигают 280кН. Сложность топографических и инженерно-геологических условий обусловили необходимость применение больших уклонов (до 20‰) и кривых малых радиусов (до 300м).
2. Для исследования сил и характера взаимодействия экипажа и пути использована методика, исследовать динамику взаимодействия системы «экипаж – путь» с учетом большого числа эксплуатационных факторов. В диссертации определены основные характеристики и параметры пути и подвижного состава железных дорог РК, которые использовались при решении задач по этой методике. В качестве расчетного экипажа наиболее распространенные 4-х осные полувагоны.
3. При исследовании сил, действующих на рельсовые нити при вертикальных колебаниях (подпрыгивания и галопирования) экипажа, были использованы характеристики неровностей рельсовых нитей. Расчеты, произведенные с помощью ПЭВМ, дали следующие результаты: при скорости движения до 8-км/ч величина максимальной динамической силы достигала 233кН при удовлетворительном состоянии пути и 279кН – при неудовлетворительном. Значения осевых напряжений в рельсах не превышают допускаемых и составляют 100 и 150МПа соответственно при удовлетворительном и неудовлетворительном состоянии пути.
4. Исследования контактных напряжений в рельсах, выполненные на ПЭВМ в соответствии с теорией Герца-Беляева и решениями Тимошенко, показали, что при динамическом взаимодействии колеса со статической нагрузкой 190кН и рельса в неблагоприятных условиях (неудовлет-ворительное состояние пути, максимальная скорость, неудачное сочетание контактирующих поверхностей) они не превышают допускаемых величин. Максимальные расчетные контактные напряжения были менее 1100МПа.
Результаты теоретических расчетов позволяют дать ряд практических рекомендаций, связанных с обточкой колес и шлифовкой рельсов.
5. Для изучения характера силового воздействия экипажа на рельсовые нити в кривых, решения задач, связанных с установлением оптимальной ширины колеи в кривых различных радиусов, допусками в содержании ширины колеи и рассмотрения вопросов уменьшения интенсивности бокового износа наружных рельсов в кривых малых радиусов, по методике ВНИИЖТа на ПЭВМ проведены исследования сил, возникающих при боковых колебаниях (относ, виляние, боковая качка) экипажа. В качестве исходных данных приняты следующие: кривая радиусом 300м (минимальный радиус, принятый при переустройстве), рельсы Р50, шпалы деревянные в количестве 1840шт/км, балласт щебеночный, осевая нагрузка 180кН.
6. Максимально допустимая ширина колеи определена из условия может возникнуть при совпадении точки перехода коничности поверхности катания колеса с 1:7 в 1:20 с началом закругления головки рельса. Она получилась равной 1530мм. С учетом максимального упругого отжатия рельсовых нитей, значение которого было определено ранее и составило 8мм, а также изгиба осей груженых вагонов, величина которого принята равной 2мм, может быть рекомендовано максимально допустимая ширина колеи величиной 1540мм. Минимально допустимая ширина колеи, определенная из условия исключение заклинивания колесной пары с максимальной насадкой между рельсовыми нитями, получалось равной 1510мм.
7. При проведении теоретических расчетов, особенно по методике, получен ряд дополнительных результатов по взаимодействию пути и подвижного состава (например, прогиб рельсов при различном состоянии пути, упругие отжатия головки и подошвы рельсов и др.).
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Баймухамбетова М.К., Тулебаев С.К., Дюсенгалиева Т.М. Анализ кинематической схемы конструктивного межэкипажного сопряжения при рассмотрении его продольных деформаций// Магистраль №6 (108), 2009, С. 56-59.
2. Баймухамбетова М.К., Тулебаев С.К., Дюсенгалиева Т.М. К вопросу определения обобщенных сил, определяющих движение поезда // ПОИСК №1, 2010, С. 312 - 314.
3. Баймухамбетова М.К., Тулебаев С.К., Шаиков З.К., Мусаев Ж.С. математическое моделирование движения поезда по пути произвольного очертания // Вестник КазАТК №6, 2009, С. 31 - 38.
4. Солоненко В.Г., Баймухамбетова М.К., Шаиков З.К., Тулебаев С.К., Разработка блок-схемы программы моделирования движения поезда по пути произвольного очертания // Вестник КазАТК №6, 2009, С. 25 - 31.
5. Баймухамбетова М.К., Тулебаев С.К., Шаиков З.К., Шимбулатова А.Б. О проверке корректности математической модели движения поезда // Вестник КазАТК №6, 2009, С. 38- 43.
6. Мусаев Ж.С., Шимбулатова А.Б., Тулебаев С.К., Аутов Е.А. вагондар арбашаларды техникалы жадайыны оларды динамикалы мінездемелеріне ыпалын жасауы Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Механика и строительство транспортных сооружений» Алматы, КазГАСА, 2010, С. 524-528.
7. Мусаев Ж.С., Тулебаев С.К., Анализ движения экипажа по вертикальным неровностям пути // Материалы науч.-техн. конф. «Повышение эффективности автоматизированных систем управления перевозочным процессом в транспортных системах в новых информационных технологиях» / Алматы, КазАТК, 2010, с. 205-207.
8. Солоненко В.Г., Тулебаев С.К. Исследование сил, действующих на рельсовые нити при вертикальных колебаниях экипажа // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные процессы в развитии транспортно-коммуникационного комплекса» / Алматы, КУПС, 2009, Т.4, с. 76-81.
9. Мусаев Ж.С., Тулебаев С.К. Выбор расчетной схемы для случая движения экипажа по вертикальным неровностям пути // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные процессы в развитии транспортно-коммуникационного комплекса» / Алматы, КУПС, 2009, Т.4, с. 86-89.
10. Тулебаев С.К. К вопросу решения задачи движения экипажа по пути, имеющему вертикальные неровности // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные процессы в развитии транспортно-коммуникационного комплекса» / Алматы, КУПС, 2009, Т.4, с. 115-120.
Тйін
Тулебаев Сакен Коптлеуович
азастан теміржолдарында жол мен жылжымалы рамны зара серіні кші мен сипатын зерттеу
Мамандыы: 05.22.06 – «Теміржол жолы, іздестіру жне теміржолдарды жобалау» - техника ылымдарыны кандидаты ылыми атаына іздену диссертациясы
Жол мен жылжымалы рамны зара сер ету кшін анытаан кезде жылжымалы рамны рылысынаерекше назар аудару ажет, себебі, бл кштер рылысты беріктігіне жне доалатар жбыны рельстен шыып кетуіне арсы тратылыына ауіп тндіруі ммкін. Жолды исы профилінен туі кезінде динамикалы жктемелер жылжымалы рамны жеке брыштарыны лшеміне сйкес лшемге дейін жетеді, себебі, квазистатикалы сипаттаы кштер вагондарды доалатар жбыны рельстен шыып кетуіне келуі ммкін.
озалыс рдісінде жылжымалы рам жолды тегіссіздіктеріні, айнымалы аттылыы мен баса да себептерді нтижесінде арындылыы вагон мен жолды динамикалы асиеттеріне жне озалыс жылдамдыына туелді крделі тербелістер жасайды.
Жмысты масаты – озалыс жылдамдыына, жол мен жылжымалы рамны параметрлеріне туелді жол мен жылжымалы рамны зара сері кезінде кштерді анытау.
Жмысты идеясы – жылжымалы рамны зара серіні анытау бойынша математикалы модельдерді жасап шыаруда жне соларды негізінде рельстерде тйіспелі-ажу аауларды алдын алу бойынша практикалы сыныстар беруде.
ойылан масата ол жеткізу шін келесі тапсырмалар орындалды:
- жолды есептеу параметрлерін анытау бойынша теориялы зерттеулерді жргізу: диссипативті кштерді аттылыы, рельстік-шпалды торды инерциялы асиеттерін;
- жылжымалы рамны рылысты параметрлеріні динамикалы сынатарды нтижесінде жалпыландыру негізінде рессорлы іліністі, тербеліс шіргіштеріні негізгі параметрлерін тадау бойынша бекіту;
- жылжымалы рамны экипажды тік тербелісі кезінде рельстік тізбекке зара серін математикалы моедлін жасап шыару;
- жылжымалы рам мен жолды озалыс жылдамдыына туелді зара серіні туелділігін орнату;
- жылжымалы рамны доалатарыны тозуын тмендету шін тйіспелі кернеуліктерді азайту бойынша іс-шараларды жасап шыару.
Зерттеулерді объектісі – «экипаж-жол» жйесіні зара серіні динамикасы.
Зерттеулерді пні – жылжымалы рам доалатарынан рельске тсетін ммкін кернеуліктерді анытау.
Зерттеу дістері теміржол-экипаж» крделі механикалы жйесіне кешенді діс олдануа негізделеді.
орауа шыарылатын ылыми аулылар:
- теміржолды атты-динамикалы сипаттамаларын жне жылжымалы рамны динамико-кинематикалы сипаттамаларын есептеу дісі;
- жылжымалы рам мен жолды зара серіні сызыты есепті слбалары шін математикалы модель;
- рельстерді тйіспелі беріктігін баалауды анытау дісі;
- рессорлы ілінісі екі есе жылжымалы рамны математикалы моделі.
ылыми аулылар мен орытындыларды натылыы мен длелі алынан нтижелерді тжірибелік мліметтермен салыстырумен жне ЭЕМ-да модельдеумен бзылу механикасыны, математикалы талдауды жне логикалы математикалы рнектері азіргі заманы дістерін олданумен расталады.
ойылан тапсырмаларды зерттеуді дісі жылжымалы рам мен жолды зара серлесу облысында зерттеулерді жне жылжымалы рамды пайдалану шарттарын талдау мен ылыми жалпыландыру негізінде орындалды. Экипажды озалысын зерттеу нтижелері ЭЕМ олданумен математикалы модельдеу дістерімен алынды.
Диссертациялы жмысты ылыми жаалыы:
- жылжымалы рамны параметрлерін санды анытау дісіні дамуы;
- кштерді мнін жне жол мен жылжымалы рамны зара серіні сипатын озалыс жылдамдыы мен жолды параметрлеріне туелді анытау;
- типтік жылжымалы рамны тік жне бйірлік тербелістері кезінде жола сер ететін кштерді зерттеу;
- рельстік колеяны геометриялы лшемдерін олданумен колеяны максималды жне минималды рсат етілген ені жне жылжымалы рамны жолмен озалысы кезінде пайда болатын бйірлік кштерді мні аныталды.
Жмысты практикалы ндылыы.
Теориялы есептеулер статикалы жктемелер кезіде рельсті тйіспелі беріктігіне сер ететін негізгі параметрлерді олданумен болатын тйіспелі кернеуліктерді максималды мні 1380МПа райтынын крсетті.
Колеяны радиуысы р трлі исытарда еніні рылысты нормалары жасап шыарылды.
Тйіспелі кернеуліктерді зерттеу р трлі факторларды оларды лшеміне сер етуін анытауа жне рельстерде тйіспелі-ажу аауларын алдын алу бойынша практикалы сыныстарды беруге ммкіндік береді.
Summary
Tulebaev Saken Koptleuovich
Study of power and nature of the interaction of the way and rolling stock on railways Kazakhstan
Specialty: 05.22.06 – “Railway, investigation and projecting of railways – for competition of scientific degree of candidate of technical sciences
At determination of power of the interaction of the way and rolling stock necessary emphases to spare the designs of the rolling stock and nature of the interaction, since these power capable to threaten toughness to designs and stability wheel vapor(pair) against slope with rail. The values can reach At passing of the critical profiles of the way dynamic loads for separate corners of the rolling stock, since power quasi steady-state nature can bring the slope wheel vapor(pair) coach with rail.
In process of the motion rolling stock in consequence of jaggy of the way, his(its) variable acerbity and the other reasons makes the complex fluctuations, which intensities depends on dynamic characteristic coach and way, and from velocity of the motion certainly.
The Purpose of the work - is a determination of power at interaction of the way and rolling stock depending on velocities of the motion, parameter of the way and rolling stock.
The Idea of the work is concluded in development of the mathematical models on determination of the interaction of the rolling stock and on their base to give the practical recommendations on warning contact-failure defect in rail.
For achievement put(deliver)ed purposes were solved following problems:
- conduct the basic researches on determination accounting parameter way: acerbity dissipative power, inertial characteristic rail-sleepers of the lattice;
- install the influence constructive parameter rolling stock at the option main parameter on spring suspension, extinguishers of the fluctuations on base of the generalizations result dynamic test;
- develop the mathematical model of the interaction of the rolling stock on rail threads under vertical fluctuation of the crews;
- install the dependencies of the interaction of the rolling stock and way depending on velocities of the motion;
- develop the actions on reduction of the contact voltages for reduction of the wear-out travel about rolling stock.
The Object of the study is a track record of the interaction of the system "crew-way".
The Subject of the study is a determination of the possible contact voltages in rail from travel about rolling stock.
The Methods of the study are based on complex approach to complex mechanical system "railroad track - a crew".
The Scientific positions stood on protection:
- a methods of the calculation springy-dynamic features of the railroad track and speaker-kinematics of the features of the rolling stock;
of the rolling stock and way;
- a methods of the determination of the estimation to contact toughness rail;
- a mathematical model of the rolling stock with double on spring suspension.
justification and validity of the scientific positions and conclusion is the modern methods mechanical engineers destructions confirmed by using, mathematical analysis, logical mathematical calculations, modeling on COMPUTER and comparison got result with experimental data.
The Methods of the study of the put (deliver) ed problem was executed on base of the analysis and scientific generalization of the studies in the field of interactions of the rolling stock and way and conditions to usages of the rolling stock. The Results of the study of the moving the crew are received by methods of mathematical modeling with use COMPUTER.
Scientific novelty dissertation work is concluded:
- in development of the numerical methods of the determination parameter rolling stock;
- in determination of importance’s of power and nature of the interaction of the way and rolling stock depending on velocities of the motion and parameter of the way;
- in study of power, acting on way under vertical and lateral fluctuation of the standard rolling stock;
- are determined greatly and minimum permissible width to ruts with use the geometric sizes to rail rut and wheel vapor(pair), as well as importance’s of lateral power, appearing when moving the rolling stock on way.
Practical value of the work.
The Theoretical calculations have shown that voltages with use main parameter, influencing upon contact toughness rail under existing steady-state load maximum importance’s contact voltages forms 1380 МРа.
The Designed rate device widths to ruts in crooked different radius and tolerances in contents of the ruts.
The Study of the contact voltages has allowed to reveal the influence different factor on their value and give the practical recommendations on warning contact- fracture defect in rail.
Personal contribution of the author:
- is installed influence constructive parameter rolling stock at the option main parameter on spring suspension;
- is installed dependencies of the interaction of the way and rolling stock depending on velocities of the motion;
- is designed actions on reduction of the contact voltages for reduction of the wear-out travel about rolling stock.
