Бесстыковой путь и особенности его конструкции (стр. 4 из 5)

Рис. 2. Деформации рельсо-шпальной решетки в процессе выброса: IV – X — номера поперечных сечений пути

Начальный угол наклона траекторий поперечных перемещений точек на оси рельсов в плоскости их поперечных сечений изменялся от 0 до 45°, а вертикальные и поперечные горизонтальные перемещения на продольных осях рельсов независимы и как бы разделены; такой вид движения точек называют бифуркационным, или бифуркацией.

Ускоренная киносъемка показала, что весь процесс выброса пути продолжается от 0,1 до 0,2 с; он завершается колебаниями рельсо-шпальной решетки и разрушением балластной призмы. Следовательно, выпучивание рельсовых плетей может распространяться на весьма большие отрезки бесстыкового пути даже в самой начальной стадии развития выброса, а некоторые точки рельсовых плетей у шпал могут подниматься над своей постелью на 15 – 20 мм, т. е. терять контакт с основанием. При этом силы сопротивления поперечным перемещениям у таких шпал становятся ничтожно малыми. А ведь такая или близкая к ней ситуация возможна и на шпалах, через которые «проходит» межтележечное пространство какого-либо вагона или группы вагонов в поезде.

По результатам опытов Е. М. Бромберга можно судить и о размерах влияния обезгруживания рельсо-шпальной решетки на ее поперечные сдвиги под движущимся по бесстыковому пути поездом. Вот как он описывает процессы поперечного сдвига шпал в этих опытах: «Многочисленными визуальными наблюдениями и по мессурам за поведением ряда шпал на прямых и в кривых участках пути установлено, что, несмотря на вибрацию пути и действие продольной силы, боковой сдвиг шпалы начинается при накатывании колесной пары на расстоянии от нее 0,5 – 1,0 м, т. е. когда она уже в какой-то мере была нагружена и вертикальной силой... После перекатывания, если температура увеличивалась, шпала не полностью возвращается в свое исходное положение».

Заметим, что на прямом участке пути были испытаны конструкции и с деревянными, и с железобетонными шпалами, а в кривых — с железобетонными. Описанные явления наблюдались на участках пути и с железобетонными, и с деревянными шпалами. Хотя известно, что на участках с железобетонными шпалами вертикальную нагрузку от каждого колеса воспринимают только те шпалы, которые с каждой стороны этого колеса удалены менее чем на 1 м; это значит, что поперечный сдвиг шпал начинается в зоне, где уже нет вертикальных нагрузок от колес подвижного состава на шпалах или они совсем малы.

Итак, подводя некоторые итоги всему изложенному, заметим, что для возникновения выброса бесстыкового пути под движущимися вагонами поезда необходимо следующее:

· на участке должно быть хотя бы одно такое слабое по устойчивости пути место, в котором совпадали бы неровности рельсовых плетей, вызывающие вертикальное выпучивание с отрывом шпал от их постелей, и неровности горизонтальные, вызывающие температурные сдвигающие решетку силы и поперечные динамические рамные силы, также стремящиеся сдвинуть ее поперек пути. Это условие почти всегда соблюдается, когда в одном и том же месте пути накладываются друг на друга вертикальные (чередующиеся «бугры» и «впадины») и горизонтальные неровности пути, способные в этом месте вызывать силы, отрывающие шпалы от их постели и действующие синхронно с рамными силами, передающимися на путь;

· во время проходов вагонов по пути суммарные продольные силы в рельсовых плетях приближаются к критическим значениям по устойчивости бесстыкового пути, а рамные силы определены с учетом наличия в пути горизонтальных неровностей;

· при выпучивании пути и поднятии шпал над их основанием образуется такой зазор, который исключает или существенно уменьшает силы трения шпал по их основанию либо уменьшает эти силы при разрыхлении или при обогащенном смазкой балласте; если большие зазоры между шпалами и их основанием существовали до въезда вагонов на это слабо устойчивое место пути, интенсивность выброса пути может возрасти. Не исключена и такая ситуация, когда по мере увеличения числа проходящих по участку вагонов эти зазоры и горизонтальные неровности пути еще больше будут увеличиваться; при этом начнется сход и может произойти крушение поезда;

· динамический процесс выброса пути должен укладываться в рамки межтележечного пространства вагонов и в отрезки времени, необходимые для прохода по неустойчивому месту пути межтележечного пространства вагонов.

Совершенно очевидно, что продолжительность процесса выброса в этой ситуации должна быть меньше продолжительности прохода по месту выброса межтележечного пространства отдельных единиц подвижного состава. При этом необходимо учитывать и то, что в начальную длину выброса пути не могут и не должны входить неподвижные прижатые колесами к рельсам отрезки пути указанной длины (около 0,5 м).

Расстояния между вторыми и третьими осями отечественных пассажирских и грузовых вагонов и соответствующая им длина межтележечного пространства составляют, например, у крытых грузовых вагонов около 8 м, а у пассажирских 14,6 м. Если из этих длин вычесть отрезки пути по 0,5 м с передней и задней по ходу движения сторон межтележечного пространства, указанные выше длины «активного» межтележечного пространства необходимо будет уменьшить примерно на 1 м. При скорости движения поездов 50 – 70 км/ч (или соответственно 14 – 20 м/с) в этом случае для развития процессов выбросов останется не менее 0,35 – 0,73 с. Совершенно очевидно, что этого времени вполне достаточно, чтобы полностью завершился выброс пути между тележками (даже одного вагона). При этом не следует исключать и такую ситуацию, когда выброс может начаться в межтележечном пространстве даже под одним вагоном и продолжиться под другим и следующими за ним вагонами, что, как показывает опыт, чаще всего и происходит.

Вполне очевидно, что начало выбросов определяют процессы нарастания вертикального выпучивания пути, а затем и процессы бифуркации, когда воедино соединяются процессы вертикального выпучивания и горизонтального смещения рельсо-шпальной решетки.

Рис. 3. Схема выпучивания рельсо-шпальной решетки:

l₀ — длина полуволны неровности верхней поверхности балластного слоя; R₀ — радиус кривизны неровности балластного слоя

Таким образом, наряду с определением значений критических температур нагрева рельсовых плетей бесстыкового пути при отсутствии на нем движущегося подвижного состава надлежит в обязательном порядке определять условия прохождения поездами совмещенных вертикальных и горизонтальных неровностей, т. е. значения температуры нагрева неровностей, вызывающих допустимые зазоры выпучивания рельсовых плетей и возникающие при этом рамные силы. Заметим, что высоту отрыва подошвы шпал от их постелей можно определять по следующей дополненной коэффициентом h формуле В. Шумежа (рис. 3):

где Df(t) — наибольшее значение изменяющегося во времени t зазора между постелью шпал и их подошвами; f₀ — начальная максимальная стрела вертикальной неровности рельсо-шпальной решетки; q — погонная нагрузка от рельсо-шпальной решетки; l₀ —длина неровности; H(t) — действующая в рельсовых плетях в данный момент времени продольная сила; h — эмпирический коэффициент увеличения значений Df₀ вследствие неровностей подошвы шпал, неравномерностей плотностей балластного слоя под этими постелями, отступлений в гранулометрическом составе и загрязненности балласта и т. п.; Н_кр — критическое значение продольной силы:

где Е — модуль упругости материала рельса; J_y — момент инерции.

Сопоставление расчетных значений Df₀(t) со значениями зазоров, которые приведены Е. М. Бромбергом по результатам опытов, показало необходимость обязательного введения коэффициентаh в эти расчеты.

Затем, также на основе специально проведенных опытов, должны быть определены зависимости изменения сил трения подошвы шпал по их постелям F_тр(Df) от размеров зазоровd. Все эти данные должны быть введены в алгоритмы определения допускаемой температуры нагрева рельсовых плетей, при которой устойчивость бесстыкового пути определяется исключением сил трения нескольких шпал по балласту. Такое математическое моделирование позволит установить нормативы содержания пути, предотвращающие появление зон опасного выпучивания рельсо-шпальной решетки. Должны быть также разработаны и способы диагностики бесстыкового пути для исключения опасного выпучивания.