Инж. А. Н. ГРАНОВСКИЙ
ПАРАМЕТРЫ ВИБРОЗАЩИТНЫХ ПРОКЛАДОК ДЛЯ СКРЕПЛЕНИЯ ТИПА "МЕТРО"
Тр. ВНИИЖТ, 1983, вып. 670, а 49-53.
Изложены результаты испытаний нашпальных и подрельсовых прокладок из резины некоторых марок в лабораторных и эксплуатационных условиях. Даны рекомендации о целесообразности применения прокладок с определенными параметрами в зависимости от плана линии.
Составной частью в решении проблемы снижения уровней вибрации в зданиях, расположенных вблизи линий мелкого заложения, является уменьшение виброускорений тоннельной обделки путем улучшения вибро- защитных свойств рельсового скрепления типа «Метро». Исследованиями ВНИИЖТа [1] установлено, что при монтаже в это скрепление специально разработанных нашпальных прокладок ОП-317 толщиной 20 мм из резины РП-101 виброзащитные свойства пути улучшаются.
Для дальнейшего снижения виброускорений тоннельной обделки исследованы прокладки ОП-317 из резин других марок. С этой целью проводились лабораторные испытания, при которых определялись вязкоупругие характеристики узла скрепления (сосновая полушпала со скреплением типа "Метро» и рельсовым темплетом) с прокладками ОП-317 из резин шести марок, имеющих широкий диапазон физико-механических характеристик: 7ИРП-1347 (твердостью 48 усл. ед.), 51-М1У (68 усл. ед.), 7НО-68-1 (56 усл. ед.), РП-101 (62 усл. ед.), ВЛ (66 усл. ед.) и БН4 (61 усл. ед.).
Дополнительно при этих испытаниях исследовались указанные нашпальные прокладки совместно с подрельсовыми резиновыми прокладками. Последние укладывали в скрепление взамен типовой подрельсовой прокладки из полихлорвинила (ПХВ). Форма рифления подрельсовых прокладок принята такой же, как и прокладок ЦП-260, применяемых на наземных железных дорогах на пути с железобетонными шпалами в скреплении типа КБ.
Исследованиями отделения путевого хозяйства ВНИИЖТа установлено, что форма прокладок ЦП-260 наиболее рациональна с точки зрения долговечности. В качестве материала для подрельсовых прокладок применялась резина марок РП-01 и РТО, широко используемых в скреплении КБ.
Узел скрепления нагружался с помощью пульсаторной машины ЦДМПу-100 при динамическом режиме в диапазоне 20-60 кН. Частота воздействия динамической (циклической) нагрузки составила 12 Гц.
Вязкоупругие характеристики прокладок оценивали по значениям жесткости узла скрепления Ж и относительного гистерезиса φ. Для определения жесткости измеряли упругие вертикальные деформации подошвы рельса. Относительный гистерезис оценивали с помощью петли гистерезиса, изображение которой получали в регулируемом масштабе на экране электронного осциллографа С1-19Б с двумя усилителями постоянного тока.
В процессе испытаний обнаружено, что уже при нагрузке 20 кН у нашпальных прокладок из резины 7ИРП-1347, имеющей самую низкую твердость, начинается контактирование внутренних боковых поверхностей рифлей. Поэтому данный вариант, как не пригодный к эксплуатации,
в дальнейшем не рассматривался. Частичное касание рифлей, но при нагрузке 60 кН имелось у прокладок из резины 7НО-68-1. Следовательно, резина, используемая в качестве материала для нашпальных прокладок ОП-317, должна иметь твердость не ниже 60 усл. ед. Результаты испытаний приведены в табл. 1.
Из приведенных в табл. 1 данных видно, что установка нашпальных прокладок ОП-317 позволила существенно понизить жесткость и повысить демпфирующие свойства узла скрепления. Наилучшие характеристики внутреннего трения имеют нашпальные прокладки из резины РП-101. В этом случае относительно типовой конструкции величина Ψ увеличилась в 1,8 раза, а жесткость узла скрепления уменьшилась в 3,2 раза.
Наибольшее снижение жесткости имелось с нашпальной прокладкой из резины БН-4. По сравнению с прокладкой из резины РП-101 жесткость узла скрепления дополнительно понизилась в 1,6 раза, однако на 20 % ухудшились показатели демпфирования. Из табл. 1 также следует, что при наличии в узле скрепления нашпальной резиновой прокладки замена подрельсовой прокладки из ПХВ на резиновые из РП-101 или РТО улучшает вязкоупругие характеристики конструкции.
Исследованиями установлено, что укладка нашпальных резиновых прокладок ОП-317 возможна только на прямых участках пути, так как под действием на узел скрепления боковых сил, передаваемых от колес подвижного состава к рельсам в кривых, значительно осложняется работа шурупов - напряжения в них увеличиваются примерно в 2 раза.
Таблица 1
* Приведены результаты испытаний типовой конструкции узла скрепления.
С целью улучшения виброзащитных свойств скрепления в кривых участках пути исследована эффективность замены типовой подрельсовой прокладки из ПХВ на более податливую резиновую. Такая замена не вызывает дополнительных напряжений в шурупах скрепления, так как механизм передачи боковой нагрузки от подкладки на шурупы не изменяется.
К лабораторным испытаниям, проводимым по описанной методике, приняты подрельсовые прокладки ЦП-260 из резин пяти марок. Результаты испытаний (табл. 2) свидетельствуют, что для всех вариантов резины жесткость узла скрепления с подрельсовыми резиновыми прокладками меньше, а характеристики внутреннего трения выше по сравнению с прокладкой из ПХВ. Наибольшее снижение жесткости относительно типовой конструкции наблюдается с прокладкой из резины БН-3А; в этом же случае достигаются наибольшие демпфирующие свойства.
На основании результатов лабораторных испытаний (см. табл. 1 и 2) отобраны прокладки с лучшими вязкоупругими характеристиками для оценки их виброзащитных свойств в эксплуатационных условиях. К испытаниям в пути метрополитена приняты нашпальные прокладки из резины БН-4 и подрельсовые прокладки из РТО (совместное применение их позволяет уменьшить жесткость типового узла скрепления почти в 7 раз), а также подрельсовые прокладки из резины БН-3А.
Партии подрельсовых прокладок, предназначенных для испытаний в действующем пути, изготовляли с помощью пресс-формы, при проектировании которой в качестве прототипа использовали подрельсовую прокладку ЦП-260. С учетом конструктивных отличий прокладок скрепления типов «Метро» и КБ, а также с целью дальнейшего уменьшения жесткости разрабатываемой прокладки изменены ее размеры, увеличено число рифлей и высота (на 3 мм). Прокладке, имеющей толщину 10 мм. присвоен шифр ОП-316. Узел скрепления с прокладкой ОП-316 из резины БН-ЗА имел следующие характеристики: Ж=60 кН/мм, Ψ =0,50.
Оценку виброзащитного эффекта от применения подрельсовых прокладок ОП-316 из резины БН-3А проводили на одном из участков Тбилисского метрополитена. Виброзащитные свойства прокладок оценивались в результате сравнения частотных спектров виброускорений тоннельной обделки до и после установки опытных прокладок в промежуточные рельсовые скрепления.
Таблица 2
Измерения проводили в одном сечении пути (в зоне рельсового стыка) при прохождении графиковых поездов со скоростью 60 км/ч. Измеряли вертикальные виброускорения принимающего конца рельса, а также горизонтальные виброускорения тоннельной обделки на высоте 150 см от поверхности путевого бетона. Сравниваемые спектрограммы для. каждого из вариантов конструкции скрепления получали путем осреднения 13 спектров. Каждый спектр, входящий в статистическую совокупность, строился от воздействия такого колеса, которое вызывало одинаковый размах виброускорений рельса (140 дБ).
Спектральный анализ (в диапазоне 5—200 Гц) показал, что после замены подрельсовых прокладок из ПХВ на прокладки ОП-316 из резины БН-3А уровень плотности спектра понизился на всех частотах. Наибольший виброзащитный эффект получен на частотах 30-40 Гц и особенно 130-200 Гц.
Виброзащитные свойства прокладок из резины БН-4 и РТО оценивали по аналогичной методике на Московском метрополитене. Измерения проводили в три этапа: с типовой конструкцией скрепления; после укладки подрельсовых прокладок из РТО взамен типовых прокладок из ПХВ; после укладки нашпальных прокладок из резины БН-4 (с подрельсовыми прокладками из РТО) . Результаты испытаний показали, что замена прокладок из ПХВ на прокладки из РТО не привела к существенному изменению плотности спектра. Небольшой виброзащитный эффект наблюдается на частотах более 100 Гц. В диапазоне 70-90 Гц имеется некоторое усиление вибраций. На более низких частотах спектрограммы, относящиеся к типовым и опытным подрельсовым прокладкам, практически не различаются. При наличии в узле скрепления одновременно опытных нашпальной и подрельсовой прокладок уровень плотности спектра понижается в большей степени, особенно на частотах более 100 Гц.
Количественная оценка эффективности виброзащитных свойств испытывавшихся прокладок проводилась в октавных полосах частот, как это принято при определении уровней вибрации в зданиях. Используя полученные спектры, вычисляли уровни виброускорений в октавах до и после укладки в путь опытных прокладок. Разность этих уровней характеризует величину виброзащитного эффекта. Полученные результаты, а также виброзащитные свойства нашпальных прокладок ОП-317 из резины РП-101 [2] приведены в табл. 3.
Проведенные исследования показали, что в рассматриваемом диапазоне частот (до 200 Гц) применение только подрельсовых прокладок из РТО практически не позволяет понизить уровни виброускорений тоннельной обделки. При одновременной укладке нашпальной из БН-4 и подрельсовой из РТО прокладок достигается определенный виброзащитный эффект в октаве со средней частотой 31,5 Гц. В наибольшей степени виброзащитные свойства проявились в октаве со средней частотой 125 Гц.
Таблица 3
С точки зрения виброзащиты наиболее важно снижение уровней вибраций в октаве со средней частотой 31,5 Гц, так как в этом диапазоне частот в зданиях отмечается наибольший уровень вибраций. Виброзащитные свойства нашпальной прокладки из резины РП-101 или подрельсовой прокладки из резины БН-3А в октаве со средней частотой 31,5 Гц оказались лучше, чем при сочетании нашпальной из резины БН-4 и подрельсовой из РТО прокладок, несмотря на то что жесткость узда скрепления с указанным сочетанием прокладок значительно меньше. Это объясняется тем, что свободные колебания пути и тоннельной обделки имеют частоту 30-40 Гц, поэтому применение прокладок с лучшими амортизирующими свойствами (большим гистерезисом) более эффективно для снижения вибраций в октаве со средней частотой 31 Гц.
В связи с этим на Московском метрополитене дополнительно испытывали нашпальную прокладку из резины РП-101 и подрельсовую прокладку из резины БН-3А, при их совместной установке в скрепление типа «Метро». Испытания показали, что уровни виброускорений тоннельной обделки в октавах со средними частотами 16; 31,5; 63 и 125 Гц снижаются соответственно на 2,0; 5,0; 1,9 и 5,7 дБ.
Таким образом, из результатов лабораторных и эксплуатационных испытаний следует, что для улучшения виброзащитных свойств узла скрепления типа ’Метро» на прямых участках пути наиболее целесообразно использовать сочетание нашпальных прокладок ОП-317 из резины РП-101 и подрельсовых прокладок ОП-316 из резины БН-3А.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Улучшение виброзащитных свойств существующей конструкции пути метрополитенов/ В. Ф. Барабошин, В. С. Гусев, А. Н. Грановский, Г. В. Бутаков, Н. И. Ананьев. - Тр. ВНИИЖТ, 1981, вып. 630, с. 4-26.
- Грановский А. Н. Исследование виброзащитных свойств резиновых прокладок для пути метрополитена. - Вестник ВНИИЖТ, 1981, № 7, с. 49—51.