CC BY
42
Полученные с помощью указанного выше оборудования значения удельного сцепления и угла внутреннего трения грунта используются для расчета устойчивости откосов закреп -ленных и не закрепленных напорной инъекцией насыпей с учетом динамического воздействия на них подвижного состава.
Список литературы
1. Стоянович, Г. М. Расчет устойчивости и прочности железнодорожного земляного полотна при вибрационном воздействии подвижного состава / Г. М. Стоянович, И. В. Прокудин, А. К. Черников / Дальневосточный гос. ун-т путей сообщения. - Хабаровск, 1999. - 83 с.
2. Соловьев, Ю. И. Современные методы расчета устойчивости земляного полотна железных дорог / Ю. И. Соловьев, А. С. Караулов, Ю. П. Смолин / Сибирская гос. акад. путей сообщения. - Новосибирск, 1996. - 83 с.
3. Смолин, Ю. П. Исследование ускорений колебаний, возникающих в железнодорожных насыпях при движении поездов / Ю. П. Смолин, К. В. Востриков // Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты: Сб. тр. науч.-техн. конф. / Сибирский гос. ун-т путей сообщения. - Новосибирск, - 2011. - С. 9 - 15.
4. Руководство по определению физико-механических характеристик балластных материалов и грунтов земляного полотна / ВНИИЖТ и ПГУПС: ЦПИ-36. - М.: Транспорт, 2005. - 84 с.
УДК 625.14: 625.041:625.042 Ста/гьяоу/гозВанаоутжубЛииащми
М. Я. Квашнин, Н. М. Квашнин
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
В статье представлена разработанная авторами методика вибродиагностики железнодорожного пути, позволяющая решать следующие задачи: определять резонансные частоты и демпфирующие свойства различных конструкций железнодорожного пути; осуществлять прогноз скоростей движения подвижного состава, при которых будут возникатьрезонансные явления на исследуемой конструкции пути.
В условиях динамичного развития экономики Республики Казахстан к надежности железнодорожного транспорта предъявляются все более высокие требования. Опыт эксплуатации железной дороги показывает, что при железобетонных шпалах выход рельсов по стыковым дефектам возрос в два - три раза по сравнению с выходом при деревянных шпалах. Наблюдается более интенсивное образование волнообразного износа рельсов и более интенсивная деформация основной площадки земляного полотна. Известно, что главной причиной всех перечисленных выше недостатков железнодорожного пути с железобетонными шпалами является их более низкая способность гасить вибрации, возникающие при движении подвижного состава, по сравнению с деревянными шпалами. В связи с этим особенно актуальными при эксплуатации железной дороги становятся вопросы, связанные с определением влияния вибрационных воздействий на работу элементов железнодорожного пути.
Так как путь является дискретной системой, сопротивляемость его вибрационным воздействиям проявляется в основном через силы трения и сцепления между отдельными его элементами и частицами (между рельсами и шпалами, шпалами и балластом, между щебен-
136 ИЗВЕСТИЯI Транссиба №2 п2!10)
ками, частицами и песчинками грунта земляного полотна). Изменение характера колебаний, прошедших от точки возбуждения до некоторой точки среды, определяется исключительно свойствами этой среды на пути распространения колебаний. Очевидно, что энергия механических колебаний в любой среде передается посредством физического взаимодействия структурных частиц, составляющих эту среду. Закономерности подобного взаимодействия для тел определенной формы в конечном счете определяются свойствами материала среды и не зависят от прочих факторов, не оказывающих влияния на эти свойства.
Выполненные модельные и натурные экспериментальные исследования особенностей изгибных колебаний многослойных упругих пластин [1 - 5] и колебаний верхнего строения пути различных конструкций [6, 7] позволили выявить основные закономерности колебаний железнодорожного пути и разработать методику вибродиагностики. Данная методика базируется на фундаментальных положениях теории упругости и теории механических колебаний и позволяет с достаточной для практики точностью производить оценку способности конструкций железнодорожного пути гасить вибрации, возникающие при движении подвижного состава.
В основу методики вибродиагностики положен спектральный анализ откликов элементов железнодорожного пути на ударное воздействие. При проведении вибродиагностики железнодорожного пути измеряются и анализируются следующие параметры.
1) Резонансные частоты, соответствующие модам изгибных колебаний конструкции пути , определяемые по спектрам откликов, полученным на различных конструкциях железнодорожного пути (рисунок 1). 100
80 60 40 20
/ / / / \ \ > \
У / \ \ V "X 'v\ \ 4- Х
/ / . ■ V \ Щ ^ \ \ \ у \ /f ^— " 1 V'' — trace 1 trace 2 trace 3
/ 4 Г— V
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Гц
120
Рисунок 1 - Пример графиков спектральной плотности откликов виброскорости,
полученных на различных конструкциях верхнего строения пути: trace 1, trace 2 и trace 3 - со скреплением типа FOSSLOH, KZF-07 и ЖБР-65ШД
2) Логарифмический декремент колебаний, определяемый на основании связи между логарифмическим декрементом и шириной спектральной линии:
di = , (1) i
где dj, Afi, fj - логарифмический декремент, ширина спектральной линии, частота интересующей формы колебаний.
3) Коэффициент динамичности j3j, определяемый на основании зависимости:
pt=
i - 4 f;
\2
+
fd.fл I v
* f
t У
t У
где /у - частота воздействия.
4) Скорости движения подвижного состава, при которых будут возникать резонансные явления на исследуемой конструкции пути (рисунок 2). Прогноз осуществляется на основании зависимости частоты воздействия от скорости движения подвижного состава V и
параметров возбуждения вибрации 1у :
V
Г (3)
fv =
Характерные параметры lv источника вибрации представлены на рисунке 3. 2.5
я я я
1.5
0.5
:vi . ^ * ч ■Л \
У ¿г Ч\ \
\ л V N \ %
% ...
- trace 1 — — trace 2 — - — - trace 3 1
20
40
60
80 v
100
120
140
160
км/ч
200
Рисунок 2 - Пример зависимостей коэффициента динамичности от скорости движения подвижного состава, полученных на различных конструкциях верхнего строения пути: trace 1, trace 2 и trace 3 - со скреплением типа FOSSLOH, KZF-07 и ЖБР-65ШД
Рисунок 3 - Характерные параметры источника вибрации: 1 - расстояние между опорными элементами пути; 2 - расстояние между колесными парами тележки; 3 - расстояние между соседними тележками соседних вагонов; 4 - расстояние между тележками одного вагона; 5 -
междувагонное расстояние
Следует отметить, что для объективной оценки резонансных частот и демпфирующих свойств различных конструкций пути необходимо вынуждающее воздействие, не приводящее к изменению физических характеристик элементов железнодорожного пути. В против-
1
138 ИЗВЕСТИЯI Транссиба N2 n2il0)
ном случае необходимо учитывать фактор влияния воздействия, что значительно усложняет исследования. При выборе источника ударного воздействия необходимо стремиться к недопущению повреждений элемента конструкции в области контакта. Это положение ориентирует на применение резины в ударном устройстве источника возмущения колебаний.
Энергия воздействия должна быть достаточной для того, чтобы вызванные ударом колебания достигли границ области, представляющей информационный интерес, т. е. источник возбуждения должен обеспечить генерацию колебаний, характеризующихся в точке наблюдения после прохождения некоторого расстояния в структуре верхнего строения пути значениями амплитуды, превышающими нижний рабочий предел измерительной аппаратуры, при котором не наблюдается снижение точности измерений. В этом случае в задаче оптимизации ударного возбуждения можно выделить два основных аспекта.
Во-первых, ударное воздействие на конструкцию пути должно характеризоваться оптимальной величиной длительности ударного импульса т (рисунки 4, 5). Длительность ударного импульса т в первом приближении определяется на основе теории удара Герца:
4,531
(4)
где Е1, Е2 и ¡¡1, ¡2 - модули Юнга и коэффициенты Пуассона соответственно материала ударника и рельсовой стали; Я - радиус контактной поверхности ударной системы; У0 - линейная скорость ударника; М- приведенная масса соударяющихся тел:
д ^ Щ' т2 М = —1—2-
т1 + т2
(5)
где т1 и т2 - масса ударника и конструкции железнодорожного пути соответственно.
Во-вторых, энергия внешнего воздействия на конструкцию пути должна быть при выбранной оптимальной длительности ударного импульса т, а следовательно, при выбранных параметрах ударной системы, достаточной для возбуждения в конструкции собственных из-гибных колебаний на основной моде. Причем начальная амплитуда этих колебаний 50
должна быть такой, чтобы при заданной чувствительности приемного вибродатчика С, было возможно проведение качественного спектрального анализа регистрируемых откликов на ударное воздействие (50 > 10^). Начальная амплитуда колебаний конструкции пути после получения ей импульса Сбудет определяться по выражению:
(6)
5 =
0 2пт/^'
где /0 - частота первой изгибной моды железнодорожного пути; т = т1 + т2.
Таким образом, можно весьма просто выбирать оптимальные диапазоны изменения параметров ударной системы при ее проектировании для вибродиагностики конкретной конструкции пути или для возможности корректировки этих параметров непосредственно на объекте исследования.
1.0--
о.е. -■ 0.5-■ 0.25 ■■ О
о.е. 0.5 в 0.25-О
1.0 +
о.е. 0.5 Н
4—1—рч—I—|—1—1—1—1—!—•—|—I—I—^
0.25
0.5
1.0
.о. е.
1.0
о.е. 0.5+
8 0.25 +
О
Ч—1—1—1—1—I—I—I—I—I—I-
о.е.
0.25 0.5
г-
о.е.
в г
Рисунок 4 - Зависимость частотного спектра воздействия от длительности ударного импульса: а, в - при длительности ударного импульса больше оптимальной; б, г - при оптимальной длительности
ударного импульса
1.0 о.е. -0.5--0.25--
о.е. 0.5- ■ 0.25-■
1.0
а б
Рисунок 5 - Зависимость спектра отклика системы от частотных характеристик воздействия: а - при длительности ударного импульса больше оптимальной; б - при оптимальной длительности ударного импульса; 1 - спектр ударного воздействия на систему; 2 - собственный спектр системы; 3 - спектр отклика
системы на ударное воздействие
Внедрение предлагаемой методики вибродиагностики позволит принимать наиболее оптимальные конструктивные решения при проектировании нового и реконструкции существующего пути. Принятые оптимальные конструктивные решения, в свою очередь, приведут к увеличению срока эксплуатации, уменьшению затрат по текущему содержанию пути, увеличению скорости движения подвижного состава и повышению уровня безопасности железнодорожного пути в целом.
Список литературы
1. Энергетические аспекты ударного возбуждения изгибных колебаний в многослойных упругих пластинах / Н. М. Махметова, М. Я. Квашнин и др. // Вестник КазАТК. - 2009. -№ 3 (58). - С. 147 - 152.
2. Квашнин, М. Я. Исследование изгибных колебаний упругих пластин с целью оптимизации методов виброакустического контроля / М. Я. Квашнин, Н. М. Квашнин //Вестник КазАТК. - 2009. - № 3 (58). - С. 152 - 160.
3. Квашнин, М. Я. Компьютерное моделирование процессов изгибных колебаний упру-
штш 2012
в
8
8
гих пластин с целью оптимизации виброакустического метода неразрушающего контроля/ М. Я. Квашнин, H. М. Квашнин //Вестник КазАТК. - 2009. - № 4 (59). - С. 173 - 181.
4. Выбор оптимальных параметров ударной системы при виброакустическом контроле многослойных конструкций подземных сооружений городского строительства / H. М. Мах-метова, М. Я. Квашнин и др. // Вестник КазАТК. - 2009. - № 4 (59). - С. 152 - 156.
5. Vibroacoustic control of multilayer constructions and underground structure of urban development / H. M. Махметова, M. Я. Квашнин и др. // Труды междунар. форума «Наука и инженерное образование без границ». - Алматы, - 2009. - T. II. - С. 60 - 63.
6. Исследование колебаний элементов верхнего строения пути со скреплением типа ЖБР с полимерным боковым упором / H. М. Махметова, М. Я. Квашнин и др. // Вестник КазАТК. -2010. - № 3 (64). - С. 106 - 112.
7. Исследование колебаний элементов верхнего строения пути со скреплением типа «Fossloh» / О. А. Ибрагимов, М. Я. Квашнин и др. //Материалы науч.-практ. конф. / Казахский ун-т путей сообщения. - Алматы, 2010. - С. 162 - 166.
