CC BY
34
осевой инструмент.
Modern state and prospects of development of mathematical design of thermal processes at treatment of opening the axial instrument / Tatyanchenko A.G., Lappo I.N.
The modern methods of mathematical design of thermophysical processes, arising up at treatment of hole opening an axial instrument are considered and classified. On the basis of analysis of existent methods perspective directions of their further development are educed taking into account the features of development of working processes for this type of tooling.
Keywords: thermal processes, mathematical design, hole opening, set and unset thermal processes, border terms, cylindrical system of coordinates, functions of Bessel, combined axial instrument.
Сучасний стан та перспективи розвитку ма-тематичного моделювання теплових процеав при обробщ отворiв осьовим шструментом / Татьянче-нко О.Г., Лаппо 1.М.
Розглянуп та класифжоваш сучасш методи математичного моделювання теплофiзичних про-цеав, що виникають при обробщ отворiв осьовим шструментом. На пiдставi аналiзу юнуючих мето-дiв виявленi перспективнi напрямки !х подальшого розвитку з урахуванням особливостей розвитку робочих процесiв для даного виду мехатчно! об-робки.
Ключовi слова: тепловi процеси, математи-чне моделювання, мехатчна обробка отворiв осьовим шструментом, сталi та несталi тепловi процеси, граничнi умови, цилiндрична система координат, функцп Бесселя, комбiнований осьо-вий iнструмент.
УДК 622.822 : 622.271
ОМАРОВ А.Д., д.т.н., проф., ректор (Казахский университет путей сообщения) САРЖАНОВ Т.С., д.т.н., профессор (Казахский университет путей сообщения) МУСАЕВА Г.С., д.т.н., профессор (Казахская академия транспорта и коммуникаций имени М. Тынышпаева)
Накопление остаточных деформаций в балластном слое и земляном полотне
Введение
В Послании президента Республики Казахстан Н.А. Назарбаева принята развернутая программа, направленная на коренную перестройку всего хозяйственного механизма, ускорение социально-экономического развития страны, всемерную интенсификацию и повышение эффективности производства на базе научно-технического прогресса и значительное место отведено дальнейшему ком-
плексному развитию железнодорожного транспорта, который является важным звеном современного промышленного производства [1-3].
Постановка научного задания
В связи с ростом объемов перевозок на сети железных дорог Республики Казахстан актуальным становиться увеличение скоростей и массы грузовых поездов. Это требует проведения организационно-
технических мероприятий, обеспечивающих пропускную способность железнодорожного транспорта, надежность работы его структур, которая, в первую очередь, зависит от целостности и стабильности земляного полотна [4-5].
Изложение основного материала
С ростом грузооборота особое внимание уделяется безопасности движения поездов, которая непосредственно зависит от прочности и устойчивости длительно эксплуатируемого земляного полотна. Его состояние определяется наличием дефектных участков, а состояние сооружений земляного полотна - степенью износа и потребностью в капитальном ремонте. Отказ одного из конструктивных элементов выемки (оползание откосов, обвалы, сплывы, перекосы пути из-за пучин и т.д.) угрожает безопасности движения поездов, влечет за собой экономический ущерб [6-7].
Интенсивность и величина остаточных деформаций балластного слоя и земляного полотна зависит от многих факторов. К ним относятся: постоянное уплотнение балласта и грунта земляного полотна за счет переупаковки частиц под воздействием поездной вибрационной нагрузки; различное опирание на балласт смежных шпал и каждой шпалы в разных ее сечениях, различное сочетание нагрузок, передаваемых на балластный слой и др. Характер уплотнения зависит от на-
чальной пустотности, зернового состава и формы зерен балласта, от прочности и других физико-механических свойств горной породы.
Работа балластного слоя и основной площадки земляного полотна исследовалась на участках, где производилась нивелировка продольного профиля железнодорожного пути. На этих участках балластный слой был уложен из щебня прочных пород с фракциями (25 - 60) мм, толщиной (0,23 - 0,75) м и песчаной подушки толщиной (0,20 - 0,25) м. Состояние щебеночного балласта по загрязненности, оцениваемое через количество «выплесков» в концах шпал на 1 км пути, неудовлетворительное. На некоторых участках имелись профили земляного полотна и балластной призмы не соответствующие установленным стандартам. Земляное полотно было сооружено из моренных суглинков, имелись преимущественно насыпи высотой от 1,0 до 8,0м. Горизонтальные и вертикальные деформации фиксировались специальными реперами, которые закладывались в различных уровнях относительно подошвы шпалы. Реперы вертикальных перемещений устанавливались под концами шпал, а в некоторых случаях ещё и между рельсами. На рисунке 1 приведена схема закладки реперов для измерения вертикальных и горизонтальных деформаций земляного полотна и балластной призмы.
Рис. 1. Схема закладки реперов для измерения вертикальных и горизонтальных деформаций земляного полотна и балластной призмы.
Вертикальные перемещения реперов определялись нивелированием с примене-
нием прецизионного нивелира НС -3 по верхним концам стержней. Для нивелировки осуществлялась привязка к опорам мостов или по оголовкам водопропускных труб. Одновременно проводилось нивелирование по головкам рельсов.
Горизонтальные перемещения измерялись при помощи двух базисных точек, находящихся вблизи контакта балластной призмы с земляным полотном, на глубине (0,40 - 0,50) м и в (0,30 - 0,40) м от торца шпал (рис. 1). Базисные реперы представляют собой металлические башмаки с отверстием посередине, в которое вварен отрезок трубы длиной 0,50 м с внутренним диаметром 4 см. Реперы свободно на-
деваются на металлический стержень, помещенный в балластную призму, с таким расчетом, чтобы из концов труб выступали концы стержня (5 и 55) длиной около 10 см, базисный репер может свободно перемещаться по стержню. Считая длину стержня постоянной, перемещения базисных реперов измеряются как разность длин 5 и 55 при двух последовательных наблюдениях. Расчеты показали, что прогиб стержня вследствие неравномерной осадки балласта на 5 см, повлечет за собой перемещения его концов не более 1 мм. Характеристики пути приведены таблице 1.
Таблица 1
Характеристики опытных и контрольных участков
Номера опытных участков Характеристики верхнего строения пути Грунт земляного полотна Грунт основания земляного полотна Высота насыпи, м
Рельсы Шпалы Балласт
1 Р65 ж.б (б.п.) щебень, нестандартный суглинок, «больное» суглинок 5,0
2 Р65 дер.(25 ,0) щебень, нестандартный суглинок, «больное» суглинок 4,5
3 Р65 ж.б. (б.п.) щебень суглинок суглинок 4.2
4 Р65 дер.(25,0) щебень суглинок суглинок 5.0
Установка реперов производилась в следующем порядке: балластная призма раскапывалась на требуемую глубину и производилась установка реперов для измерения горизонтальных и вертикальных перемещений. Затем балластная призма засыпалась с уплотнением, путь выправлялся и подбивался. Всего было заложено 6 участков, из них 4 опытных и 2 контрольных.
Грунты, из которых сооружено земляное полотно на опытных участках, имеют: предел консистенции ат = (28,87 -29,65) % , ар = (15,72 - 17,5) % и число пластичности Ж„ - 11,6 - 13,26. Насыпи на опытных участках № 1 и 2 имеют балластные шлейфы по всей высоте откосов. Обочины почти отсутствуют, мощность
балластной призмы от (0,9 - 1,2) м, под балластом лежит слой песка толщиной 0,2 м.
Опытные и контрольные участки имеют не только одинаковое верхнее строение пути, но имеют и одинаковый пропущенный тоннаж, который дает идентичное начало экспериментов. Для учета влияния климатических факторов на накопление остаточных деформаций, на выше указанных участках, производились наблюдения за осадками и продолжительностью зимнего и летнего периодов.
Для получения более выровненных закономерностей накопления осадок элементов пути, были произведены соответствующие расчеты по аппроксимированию экспериментально полученных гра-
фиков hcp = f(T). Совмещенные графики изменения накопления остаточных деформации рельсов, шпал, балласта и ос-
новной площадки земляного полотна в подрельсовом сечении приведены на рисунке 2.
200 250 300 350 400 450 500
—4-1 - участок ■ 2 " Участок
—Л— 3 - участок —*-4 - участок
Рис. 2. Кривые накопления остаточных деформации пути на опытных
и контрольных участках.
Анализ полученных данных показал, что на пути с нестандартной балластной призмой интенсивность накопления остаточных деформации пути выше, чем у пути со стандартной балластной призмой.
Проведенные исследования показали, что накопление остаточных деформаций элементов пути зависит также от толщины балластного слоя, его плотности, загрязненности, типа грунтов земляного полотна и их влажности, климатических и эксплуатационных условий и т.п. В зависимости от этих факторов при одной и той же поездной нагрузке остаточные деформация могут быть различными. При «здоровом» земляном полотне процесс накопления остаточных деформаций не влечет за собой каких-либо осложнений для работы пути, а решающим фактором, во многих случаях, могут быть инженерно-геологические, климатические, эксплуатационные и другие условия.
Из приведенных графиков следует, что доля остаточных деформаций, формируемых за счет того или другого элемента пути, динамически изменяется во времени. Так, после пропуска АТ= 250 млн. m брутто груза при деревянных шпалах,
доля остаточной деформации, формируемой за счет износа рельсов, шпал, скреплений, уменьшения люфтов и зазоров между элементами верхнего строения и более плотного прижатия рельса к шпале, увеличивается с 30,9 % до 45,3 %. При железобетонных шпалах эта доля, при том же АТ= 250 млн. т брутто груза, увеличивается с 23,5 % до 37,5 %; доля же осадки земляного полотна и балластной призмы уменьшается, т.е. это указывает на то, что идет стабилизация балластной призмы и земляного полотна.
На выше указанных участках производились измерения величин плеч и крутизны откосов балластной призмы на участке длиной 150 м в период, когда производилась нивелировка поверхности головки рельса. Предварительно на этих участках была произведена заправка балластной призмы с обеспечением нормативных значений плеча d=40 см (с допуском +3; -3 см) и крутизны откоса 1 : т = 1: 1,5 (с допуском + 0,1; -0,1). За период наблюдений было произведено и обработано около 3500 промеров и определены средние dcp и tg аср (tga = 1/т) для опытного и контрольного участков. Кроме того, произво-
дилось визуальное наблюдение за откосной частью балластной призмы. Для этого, после заправки балластной призмы, откосная часть окрашивалась известью. При малейших перемещениях зерен щеб-
ня это становится сразу же заметным. На рисунках 3 и 4 приведены графики изменения средних значений ёср и tg аср на опытных и контрольных участках.
50'
45 40 35
0 100 200 300 400 500
Пропущенный тоннаж, млн.т брутто 1- участок 1; 2 - участок 2.
Рис. 3. Изменение среднего значения ширины плеча ёср балластной призмы в зависимости от пропущенного тоннажа.
0.4
О 100 200 300 400 500
Пропущенный тоннаж, млн.т брутто
Рис. 4. Изменение среднего значения tga балластной призмы в зависимости от пропущенного тоннажа.
Анализ графиков показывает, что величина плеча балластной призмы, за период наблюдений на опытных и контрольных участках, изменяется в пределах установленных нормативных допусков. Угол а заложения откоса балластной призмы на опытных и контрольных участках также изменяется в пределах допусков. Отдельные отклонения, отмеченные при наблюдениях, не превышают погрешности измерения.
Сравнение графиков опытных и контрольных участков изменения плеча с1 и угла откоса а балластной призмы показывает, что не наблюдается существенного изменения этих параметров. Учитывая, что характер изменения ширины плеча и крутизны откосов балластной призмы у «больного» земляного полотна несущест-
венно отличается от параметров балластной призмы со «здоровым» земляным полотном, поэтому производить какое-либо дополнительное усиление откосной части балластной призмы не требуется. Следует только производить периодическую заправку откосов призмы, чтобы обеспечивать их состояние в пределах существующих норм.
В настоящее время классификация деформаций, повреждений и разрушений земляного полотна содержит пять групп неисправностей. Результаты исследования работы земляного полотна, влажностного режима, длительности эксплуатации показывают необходимость выделения 6 группы со следующими характерными неисправностями:
- недостаточность ширины основ-
ной площадки земляного полотна; ем выше указанных дефектов, составляет
- несоответствие крутизны откосов 63% от общих неисправностей земляного требованиям СНиП; полотна. В таблице 2 приведены причины
- недопустимые осадки земляного появления и развития деформаций шестой полотна. группы и мероприятия для их ликвида-
Обследование железнодорожного ции. пути дорог Казахстана показало, что объ-
Таблица 2
Причины появления и развития деформаций 6 группы _и мероприятия для их ликвидации_
Деформации 6 группы Причины появления деформаций и мероприятия для их ликвидации
Недостаточность ширины основной площадки земляного полотна Зауженность основной площадки, а также нарушение крутизны откосов высоких и деформирующихся насыпей ликвидируются путем уширения земляного полотна. Это уширение, как правило, осуществляется совместно с устройством контрбанкетов и берм, которые являются одним из самых распространенных и эффективных способов ликвидации и предупреждения сплывов и оползней откосов, расползания насыпей, а также стабилизации слабых оснований.
Несоответствие крутизны откосов
Недопустимые осадки земляного полотна Недопустимые осадки земляного полотна образуются за счет сползания клиновидных шлейфов и раздавливания толстых балластных шапок, покоящихся на куполообразном ядре. Ликвидируются за счет очистки загрязненного щебеночного слоя и подъемки пути или замены загрязненного балласта теплоизоляционным покрытием.
Пополнение классификации деформаций, повреждений и разрушений земляного полотна новой группой, позволяют разрабатывать эффективные способы ликвидации неисправностей, повысить работоспособность земляного полотна железных дорог Казахстана.
Выводы
Результаты исследования работы земляного полотна, влажностного режима, длительности эксплуатации показывают необходимость выделения 6 группы со следующими характерными неисправностями:
- недостаточность ширины основной площадки земляного полотна;
- несоответствие крутизны откосов требованиям СНиП;
- недопустимые осадки земляного полотна.
Литература
1. Назарбаев Н.А. Казахстан - 2030. Процветание, безопасность и улучшение благосостояния казахстанцев /
Н.А. Назарбаев. - Алматы : Рауан, 1997. -61 с.
2. Транспортная стратегия Республики Казахстан до 2015 года. - [Электронный ресурс]. - [Режим доступа] : http://www.kazembassy.by/econom/transport .html.
3. Постановление Правительства Республики Казахстан № 756 от 04.06.2001 об утверждении Программы реструктуризации железнодорожного транспорта Республики Казахстан на
2001-2005 годы // Магистраль. - 2001. -№ 7. - С. 19-45.
4. Хействер Б.Д. О допускаемых напряжениях на земляное полот-но.//Взаимодействие пути и подвижного состава и вопросы расчетов пути / Б Д. Хействер // Труды ЦНИИ МПС. -Вып. 97. - М. : Трансжелдориздат, 1955. -С. 386-410.
5. Омаров А. Д. Грунтовый фон оснований железных дорог Казахстан / А.Д. Омаров. - Алматы : Еылым, 1998. -110 с.
6. Петров А.В. Основы методики расчета несущей способности железнодорожного земляного полотна при оттаивании грунтов, воспринимающих вибродинамическую нагрузку : автореф. дис. ... канд. техн. наук / А.В. Петров; ЛИИЖТ. -Л., 1989. - 22 с.
7. Лысюк В.С. Причины интенсивной осадки пути при железобетонных шпалах / В.С. Лысюк, В.Ф. Барабошин // Труды ЦНИИ МПС : Влияние жесткости и неровностей пути на деформации, вибрации и силы взаимодействия его элементов. - Вып. 370. - М. : Трансжелдориздат, 1969. - С. 7-44.
Анотацн:
У статп показано, що штенсившсть i величина залишкових деформацш баластного шару i земляного полотна залежить ввд багатьох чинни-шв. До них вщносяться: постшне ущшьнення ба-ласту i грунту земляного полотна за рахунок переупаковки часток тд впливом по!здового вiбрацiй-ного навантаження; рiзне спирання на баласт су-мiжних шпал i кожно! шпали в рiзних И перетинах, рiзне поеднання навантажень, що передаються на баластний шар та ш. Характер ущтнення залежить вiд початково! порожнистостi, зернового складу i форми зерен баласту, ввд мiцностi i iнших фiзико-механiчних властивостей прсько! породи. Приведет результата дослщження роботи земляного полотна, режиму вологосл, тривал^ь екс-плуатацп i показана необхщшсть видiлення 6 груп несправностей земляного полотна.
Ключовi слова: залiзничний, дорога, дефо-рмаци, земляне, щ№но, експлуатацiя.
В статье показано, что интенсивность и ве-
личина остаточных деформаций балластного слоя и земляного полотна зависит от многих факторов. К ним относятся: постоянное уплотнение балласта и грунта земляного полотна за счет переупаковки частиц под воздействием поездной вибрационной нагрузки; различное опирание на балласт смежных шпал и каждой шпалы в разных ее сечениях, различное сочетание нагрузок, передаваемых на балластный слой и др. Характер уплотнения зависит от начальной пустотности, зернового состава и формы зерен балласта, от прочности и других физико-механических свойств горной породы. Приведены результаты исследования работы земляного полотна, влажностного режима, длительности эксплуатации и показана необходимость выделения 6 группы неисправностей земляного полотна.
Ключевые слова: железнодорожный, путь, деформации, земляное, плотно, эксплуатация.
In this article is shown that intensity and magnitude of residual deformations of a ballast covering and a roadbed depends on many factors. To them refer : constant consolidation of a ballast and a ground of a roadbed at the expense of repacking of corpuscles under the influence of train vibrating loading; various are based on a ballast of contiguous sleepers and each sleeper in its different cross-sections, the various combination of the loadings transferred to a ballast covering, etc. Character of consolidation depends on initial hollowness, earth composition and the form of a ballast, from strength and others physics mechanical properties of rock. Results of research of work of a roadbed, humidity regime are resulted, duration of maintenance and accepts necessity of allocation of 6 groups of derangements of a roadbed.
Key words: railway, a way, deformation, earth, a linen, maintenance.
