Ударно-динамические процессы в местах сопряжения и в стыковых соединениях железнодорожного пути
Колесо при качении по рельсу проходит как плавные и длинные неровности, так и по стыковым соединениям. Если в первом случае дополнительные силы от неровностей изменяются сравнительно медленно и им соответствуют относительно низкие частоты колебаний, то во втором — взаимодействие колеса и рельса является ударным и сопровождается появлением большого числа колебаний, возбуждаемых в различных элементах верхнего строения пути, с частотами более 1000 Гц. По мере износа рельсов и стыковых скреплений увеличивается интенсивность ударно-динамического взаимодействия колеса и рельса.
При перекатывании колеса по коротким неровностям возникают дополнительные ударные вертикальные силы порядка 150—300 кН в зависимости от размеров неровностей и типа локомотива. Дополнительные силы при движении по длинной неровности находятся в пределах 2-20 кН. Эти ударные воздействия вызывают как колебания подвижного состава, так и верхнего строения пути.
Поскольку максимальные динамические силы при прохождении колеса возникают в стыке рельсов, необходимо рассмотреть характер колебаний рельсов, шпал, балласта в этой зоне, а также их частоты и амплитуды. Наиболее распространенные неровности бесстыкового пути, где возникают сотрясения шпал, выплески, ослабления затяжек гаек болтовых соединений и другие повреждения, — это болтовые стыки в уравнительных пролетах, буксовины, неровности в сварных стыках. Все указанные неровности — основной источник вредных вибраций системы «колесо—рельс» и повышенного динамического воздействия на путь. Вибрации ускоряют его расстройства в профиле, поэтому требуются дополнительные средства на устранение отступлений от норм, особенно в зонах рельсовых стыков уравнительных пролетов. Расстройства там протекают настолько быстро, что планомерное предупреждение и устранение появляющихся местных отступлений становится чрезвычайно сложной задачей.
Параметры колебаний элементов пути при ударах колес по рельсам изучены недостаточно полно. Непериодический процесс в стыке состоит из бесконечно большого числа гармонических колебаний с бесконечно малыми амплитудами. Такие процессы характеризуются не величиной амплитуд, а их плотностью (плотностью спектра).
При прохождении плавных неровностей колесо и рельс относительно непрерывно контактируют, но на стыках и боксовинах происходит мгновенный отрыв колеса от рельса, сопровождающийся ударом. При прохождении подвижного состава по пути с массовыми неровностями со скоростью около 100 км/ч при ударе колеса по рельсу в последнем возникают колебания с частотой более 2000 Гц [27]. В лаборатории ЦНИИ МПС были проведены опыты, в результате которых было установлено, что продолжительность ударного импульса составляет для рельсов и шпал соответственно 0,8—1 м/с и 1,6 м/с. Несколько десятков герц составляет частота шпал и балласта на пути, в котором отсутствуют неровности.
Наиболее интенсивным вибрациям из всех элементов верхнего строения пути подвергается рельс. С одной стороны, головка рельса колеблется как балка на сплошном упругом основании, роль которого выполняет шейка, с другой — сам рельс колеблется как балка на упругих опорах. Ускорения рельса в несколько раз выше ускорений шпалы. Высокочастотные колебания рельса не имеют достаточной энергии для того, чтобы вызвать подобные колебания шпал. Также на соотношении величин ускорений рельса и шпалы сказывается демпфирующая способность скреплений.
Чем выше демпфирующая способность рельсовых скреплений, тем меньше ускорения. Балласт является эффективным демпфером колебаний с высокой частотой. Шпала в результате ударного воздействия на нее совершает поступательные колебания как жесткое тело на упругом основании, и изгибные колебания. Частота для деревянных шпал составляет 200—700 Гц, для железобетонных 165—800 Гц. Основной тон составляют низкочастотные колебания, на них накладываются колебания высокой частоты. На рис. 1.1 представлены спектрограммы свободных колебаний рельса, шпалы и балласта, возбуждаемых ударом.
Рис. 1.1. Спектрограммы колебаний рельса, шпалы и балласта
Из рисунка видно, что максимальные плотности спектра ускорений приходятся на частоты 230—400, 700—1050 Гц. Энергия колебания рельса с частотой более 500 Гц не столь велика, чтобы вызвать такие же колебания шпалы. Вибрации рельса имеют частоту до 2 кГц, а вибрации шпалы 700—800 Гц. Частота колебаний грунтов при взаимодействии с подвижным составом колеблется от 30—80 Гц в зависимости от упругости пути, подвижного состава и т. д. В зоне стыков амплитуды в 3—4 раза больше, чем у середины рельсов и находятся в прямой зависимости от скорости движения.
Чтобы установить, какие элементы пути в зоне стыков наименее устойчивые, на экспериментальном кольце ЦНИИ провели опыты [28]. Было установлено, что в зоне стыков интенсивность осадки пути с железобетонными шпалами в 2,3—2,7 раз и с деревянными 1,3—1,6 раза больше, чем в середине звена. Остаточные деформации под железобетонными шпалами развивались в 1,9—3 раза интенсивнее, чем под деревянными. На более жестком пути в стыке возникают дополнительные динамические силы и вибрации, приводящие к интенсивному расстройству балластной призмы. Наибольшие деформации происходили под стыковыми и предстыковыми шпалами.
Средняя интенсивность накопления остаточных деформаций по поверхности песчаной подушки под железобетонными шпалами примерно в 3 раза, а под деревянными в 1,6—2,5 раза меньше, чем по поверхности шпал. Следовательно, значительная часть деформаций происходит в щебеночном слое. Деформацию щебеночного слоя можно разделить на осадки, происходящие в нем, и зазоры между шпалами и балластом, причем доля этих зазоров при железобетонных шпалах равна 31—55 %, при деревянных — 14—60 %. Щебеночный слой в зоне стыков — наименее стабильный элемент пути, поскольку остаточные деформации при железобетонных шпалах составляли 60—75 %, а при деревянных — 30—75 % общей осадки пути. Остальная часть осадок относится к песчаной подушке и земляному полотну. В зоне стыков остаточные деформации в щебеночном слое при железобетонных шпалах в 2,2—4,8 раза больше, чем при деревянных. Повышенное силовое и вибрационное воздействие на путь в стыках влияет также на величину осадки в земляном полотне.
Опыты показали, что остаточные деформации основной площадки при деревянных и железобетонных шпалах оказались соответственно в 1,35 и 1,6 раза больше, чем в середине звеньев. Интенсивность накопления остаточных деформаций основной площадки составляет примерно 23—24 % интенсивности их накопления для пути в целом. Остальная часть накапливается в балластной призме. При железобетонных и деревянных шпалах неравномерные деформации в балластной призме составляют примерно 80 %, а в земляном полотне лишь 20 % неравномерных деформаций пути в целом.
Остаточные деформации в песчаной подушке при железобетонных и деревянных шпалах составляют всего 2,3—4,6 %, в то время как в щебеночном слое и земляном полотне не менее 95 % общей осадки пути. При железобетонных шпалах деформации песчаной подушки в зонах стыков примерно в 1,3 раза больше, чем при деревянных.
На рис. 1.2 показана величина и распределение остаточных деформаций в зоне стыков на разных уровнях.
Исследования выявили, что при менее жестких деревянных шпалах остаточные деформации пути развиваются значительно медленнее, чем при железобетонных. Поэтому на монолитном основании пути необходимо применять ряд мер по демпфированию верхнего строения пути, использовать промежуточные рельсовые скрепления повышенной упругости с податливыми подрельсовыми и шпальными прокладками и т. д.
Рис. 1.2. Остаточные деформации в стыках:
1,2 — под стыковыми шпалами; 3 — под предстыковой шпалой принимающего рельса