Состояние «маячных» шпал и причины неравномерного распределения продольных напряжений в рельсовой плети

АННОТАЦИЯ

В данной статье проведен анализ состояния маячных шпал, рассмотрены основные причины возникновения неравномерного распределения продольных напряжений в рельсовой плети бесстыкового пути, а также выполнено обследование участка бесстыкового пути.

ABSTRACT

In this article, the analysis condition of fence sleepers, the main causes of uneven distribution of longitudinal stresses in the rail lash in a continuous welded way are considered, and also survey of a site a continuous welded way is executed.

Ключевые слова: бесстыковой путь, продольные напряжения, «маячные» шпалы, метки, зоны «дыхания», температура рельсов.

Keywords: continuous welded way, longitudinal stresses, fence sleepers, the breathing zone, rail temperature.

Введение. В настоящее время на сети железных дорог Узбекистана широко внедряется конструкция бесстыкового пути на железобетонных шпалах. Это позволяет сократить число стыков, что приводит к снижению эксплуатационных расходов [1], сокращению расходов на тягу поездов, повышению комфорта для пассажиров [2].

Однако с увеличением длин плетей растет вероятность появления неравномерного закрепления плетей, неравномерности свойств балласта, неравномерного воздействия поездной нагрузки, выполнение путевых работ на отдельных участках плети [3, 4]. Кроме того, температура плети по ее длине не является постоянной, это связано с тем, что одна и та же плеть может быть по-разному ориентирована в горизонтальной плоскости, при этом часть ее может находиться в выемке, а часть на насыпи. Перечисленные факторы позволяют сделать вывод о том, что плеть подвержена неодинаковому продольному силовому воздействию по длине. Подтверждением этому служат наблюдаемые в эксплуатации [5, 6] случаи продольного перемещения средней части плети, которая по расчету должна быть неподвижной. В таких случаях температура закрепления всей плети не может быть расчетной для определения температурных сил по известной формуле:

,

где - температурный коэффициент линейного расширения ( 1/град),

Е - модуль упругости рельсовой стали (210  кг/см² ),

F - площадь поперечного сечения рельса (для Р65- 82см² ),

t - фактическая температура плети,

- температура закрепления плети.

Причины неравномерного распределения продольных напряжений. В ряде случаев, в кривых участках плети наблюдается «защемление» подошвы рельса в подкладке, вследствие чего коэффициент трения увеличивается, что в свою очередь препятствует равномерному распределению продольных деформаций по длине плети. Эти факторы вызывают концентрацию продольных напряжений перед кривой, так как температурные деформации или деформации, вызванные внешними воздействиями, не могут распределиться на участок, расположенный за кривой. Иными словами, деформации не могут «пройти» участок с повышенным коэффициентом трения и вызывают концентрацию продольного напряжения перед этим участком, так как напряжение пропорционально несостоявшемуся удлинению [7].

Другой причиной неравномерного распределения продольных напряжений может стать наличие в пределах плети участков торможения поезда при одностороннем движении. Эти участки подвержены угону, особенно при ослаблении затяжки гаек клеммных болтов [5, 6].

Смещения участков плети, вызванные угоном, приводят к появлению дополнительных продольных напряжений особенно при неравномерной затяжке гаек клеммных болтов, что встречается на практике достаточно часто.

Особое внимание следует обращать на те отрезки бесстыкового пути, где участки торможения поезда расположены перед кривыми. В этих местах наиболее вероятна опасная концентрация напряжений, которая может стать одной из причин выброса пути (рис. 1).

Рисунок 1. Выброс бесстыкового пути

Причиной неравномерного распределения продольных напряжений может стать несоблюдение технологии укладки и закрепления плетей. Наиболее распространенные нарушения:

- разница температур закрепления «коротких» плетей, составляющих «длинную» плеть превышает 10° С;

- сварка с предварительным изгибом закрепленных плетей при средней температуре закрепления двух свариваемых плетей с отклонением более 5° С без последующего перераспределения напряжений путем вывешивания плети на ролики или на полиэтиленовые пластины.

Несоблюдение технологии работ по текущему содержанию и ремонту пути может так же привести к неравномерному распределению продольных напряжений в плети, особенно при работе машин тяжелого типа.

Восстановление целостности плети после излома зимой без растягивающих приборов и без последующей разрядки напряжений весной, приводит к значительной неравномерности распределения продольных напряжений в рельсовой плети [7].

Дополнительные напряжения могут возникнуть на границе «неподвижного» участка плети с зоной «дыхания». В этом месте могут наблюдаться пики продольных сил вследствие запаздывания смещений рельсовой плети в зоне «дыхания» от изменения температуры плети по причине неупругой характеристики балласта.

На участках бесстыкового пути с односторонним движением наблюдается неравномерность напряжений между начальной и конечной зонами «дыхания» плети. Начальным называем тот конец плети, который встречается первым по направлению движения поезда. По данным наблюдений [9, 5, 6] длины и величины перемещений в начальной и концевой зонах "дыхания" бесстыкового пути всегда неравны в зависимости от изменений температуры рельсов. Вообще их величины в концевой зоне больше, чем в начальной летом, а зимой наоборот.

Контроль «маячных» шпал. В процессе эксплуатации необходимо контролировать не только максимальное смешение плети относительно «маячных» шпал, но и неравномерность распределения смещений по длине плети, особенно перед «упорными» участками. В процессе эксплуатации может сложиться такая ситуация, что нейтральная температура, подсчитанная с учетом максимальной подвижки участка плети Δl не выходит за пределы расчетного интервала, но вместе с тем, на отдельных участках плети (подходы к кривым, мостам, переездам, граничные участки подвижной и неподвижной частей плети) могут концентрироваться критические продольные напряжения, которые могут стать одной из причин выброса пути [7].

Отклонение нейтральной температуры от температуры закрепления этого участка плети определяется при помощи маячных шпал, по методике, изложенной в [8]. Исследование состояния маячных шпал, выполненное автором, на ряде дистанций пути позволяет сделать вывод о том, что контроль подвижек плети на отдельных участках не ведется. Кроме нечеткого нанесения меток, встречается и ряд других нарушений требований ТУ [8]:

- подрельсовые резиновые прокладки не заменяются на полиэтиленовые (в качестве полиэтиленовой прокладки может использоваться часть нижней прокладки ПН-65 от объемлющего изолирующего стыка), в результате чего, плеть не может свободно перемещаться по подкладке «маячной» шпалы, что искажает данные о реальных подвижках плети;

- метки наносятся не в момент закрепления плети, а через значительный промежуток времени (до нескольких недель) при этом температура плети в момент закрепления и в момент нанесения меток может значительно различаться, кроме того, за этот промежуток времени плеть может подвергаться силам угона, которые могут привести к незафиксированным подвижкам плети;

- при обновлении новые метки наносятся не поверх старых, а рядом с ними у грани подкладки шпалы, при этом никаких работ по разрядке напряжений не производится, это лишает работников дистанции пути возможности иметь представление о напряженном состоянии плети;

- встречаются ситуации, когда обновляются метки на старом месте и рядом наносятся новые метки (рис. 2. а, б).

а)                                                                   б)

Рисунок 2. Нанесено несколько меток

Изменение длины участка плети на 10 мм приводит к изменению нейтральной температуры на 8,5°С. Нетрудно подсчитать какое удлинение приведет к тому, что пересчитанная температура закрепления выйдет за границы расчетного интервала.

Нейтральная температура может отличаться от первоначальной температуры закрепления на 15-20°С. Это соответствует тому, что в плети имеются дополнительные (неучтенные) напряжения соответствующие 375-500 кг/ .

Устройство «маячных» шпал необходимо выполнять в соответствии с ТУ [8]. Резиновые подрельсовые прокладки заменены на полиэтиленовые (с низким коэффициентом трения), в качестве которых могут использоваться часть нижней прокладки от объемлющего изолирующего стыка. Риски должны быть нанесены в соответствии с рис. 3, и если не проводились разрядки напряжений, то новые риски при обновлении должны наноситься поверх старых.

Рисунок. 3 Отметка контрольного сечения на плети и «маячной» шпале для контроля угона пути для анкерных скреплений

Список литературы:
1. Мерганов А. М. Подход к экономическому обоснованию затрат на энергетические потери, связанные с состоянием железнодорожных путей //Вестник ИНЖЭКОНа. Серия: Экономика. – 2012. – №. 5. – С. 317-319.
2. Мерганов А. М. Определение экономической эффективности в результате увеличения срока службы железнодорожных рельсов в кривых //Universum: экономика и юриспруденция. – 2019. – №. 4 (61).
3. Мерганов А. М. Влияние обеспеченности путевого хозяйства производственным персоналом на балльную оценку железнодорожного пути //Известия Петербургского университета путей сообщения. – 2012. – №. 1 (30).
4. Мерганов А. М. Актуальные проблемы путевого хозяйства //Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. – 2013. – №. 3. – С. 198-199.
5. Исследование устойчивости бесстыкового пути под поездом при отступлениях от норм его содержания в плане с разработкой дополнений в действующие ТУ. Бромберг Е.М. Отчет по HИP ВНИИЖТ МПС (заключительный). Тема И600-П-84, разд. 4. Архив ВНИИЖТ, № 27996. 1987. 61 с.
6. Разработка алгоритма программного обеспечения устройства сопряжения датчика температуры плети для совместной работы с системой контроля подвижек плети и системой обнаружения границ плети. Савин A.B. Отчет о НИР ВНИИЖТ МПС. Инв. № 1-171. М.: 2000. 22 с.
7. Савин А.В. Напряженное состояние рельсовой плети и методы его определения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: ВНИИЖТ, 2002
8. Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути / МПС России. М.: Транспорт, 2000. 96 с.
9. Исследование устойчивости бесстыкового пути в прямых и кривых участках пути на стенде. Рекомендации расчетных критических сил для бесстыкового пути в зависимости от плана линии. Бромберг Е.М. Отчет о EGHP ВНИИЖТ МПС Архив ВНИИЖТ И-209-64 р.2.. М., 1968. 177 с.