Улучшение взаимодействия пути и состава - Виброзащитные мероприятия для линий метрополитена

Вопросы исследования вибраций системы «путь—подвижной состав» рассмотрены в работах М.Ф. Вериго, А.Я. Когана, В.Ф. Барабошина, Н.Д. Кравченко, Н.И. Ананьева и др.
Вибрация элементов пути влияет на работу стрелок, контррельсов, стрелочных переводов, промежуточных и стыковых рельсовых скреплений. Параметры прочности основной площадки земляного полотна и сопротивляемость его силовым воздействиям также зависят от степени вибрации. Виброзащита железнодорожного пути является одним из решающих условий при проектировании новых конструкций ВСП и совершенствовании его отдельных узлов и элементов.
В работе [52] для исследования вибраций системы рассмотрены требования к виброизмерительной аппаратуре и разработаны методы использования результатов измерения вибраций. Разработанная аппаратура, методика измерения позволяют рекомендовать зазоры вибросостояния рельсошпальной решетки, балласта и земляного полотна при их работе под поездами как обязательный элемент эффективности той или иной конструкции железнодорожного пути.
При исследовании особенностей трансформаций максимальных ускорений трудно исходить из абсолютных величин ускорений, поскольку достаточно сложно создать условия опытов с влиянием только одного фактора — вида подрельсового основания. Помимо него на величины ускорений оказывает значительное влияние состояние стыка. Более удобно рассматривать так называемые коэффициенты чувствительности (по ускорениям). Они определяются отношением пиковых значений ударных ускорений в стыке лежащего ниже элемента пути к лежащему выше [52, 53].
Конструкция ВСП, где рассматривается передача ускорений от одного элемента к другому, представляется в виде динамической линейной системы с одним входом и выходом. Например, входом системы могут быть вибрационные ускорения подошвы рельса, выходом—вибрационные ускорения подрельсовых оснований. Возможны системы шпала—балласт, рельс—балласт и др. Отношение пиковых значений на выходе и входе будет характеризовать чувствительность системы.
В работе В.Ф. Барабошина, Н.И. Ананьева установлено относительное постоянство экспериментально определенных коэффициентов чувствительности различных систем [54]. Исследования показали, что для пути с деревянными шпалами характерны высокие значения коэффициента системы рельс—подрельсовое основание, т. е. деревянной шпале передается большая часть ускорений рельса, чем железобетонным шпалам и рамам. Деревянная шпала более чувствительна к вибрациям. Другая картина наблюдается при анализе изменения коэффициента чувствительности балласта к вибрациям подрельсовых оснований. При деревянных шпалах коэффициент в несколько раз меньше, чем при железобетонных основаниях. Наличие упругой связи между рельсом и балластом, обладающими определенными демпфирующими свойствами, приводит к уменьшению ускорений в балласте. По этой же причине коэффициент чувствительности системы рельс—балласт в пути с деревянными шпалами примерно в 1,5—2 раза меньше, чем с железобетонными, в связи с чем железобетонная шпала не может служить упругой связью между рельсом и балластом. Такую функцию выполняют упругие элементы в промежуточных рельсовых скреплениях. Как показывают измерения, значения коэффициентов чувствительности сильно зависят от жесткости прокладок в скреплениях: с уменьшением жесткости коэффициенты также уменьшаются. Именно в этом проявляется виброзащитная функция упругих элементов [54].
В работе [52] рассмотрены ускорения элементов пути на деревянных и железобетонных шпалах. В пути с деревянными шпалами ускорения рельса при скоростях 25—70 км/ч возрастают на 7—16 %, шпалы—19—25 %, балласта—20—27 %. Примерно такие же соотношения имеют место и в пути с железобетонными шпалами. Увеличение вибрационных ускорений в стыке при возрастании осевых нагрузок происходит по следующим основным причинам:
—из-за изменений условий взаимодействия колеса и рельса в стыке (возрастают ударные силы и соответствующие им вибрации);
—когда жесткость пути возрастает с увеличением нагрузки. Изменение жесткости пути с увеличением нагрузки происходит среди всех элементов пути, между рельсом и шпалой, шпалой и балластом. Чем жестче связь между ними, тем большая доля ускорений передается от верхнего элемента к нижнему, тем интенсивнее затухают колебания по глубине.
При повышении осевых нагрузок воздействие на путь возрастает вследствие увеличения динамических сил и вибраций, вызываемых ударом колеса о рельс в стыке. Поэтому повышение нагрузок должно сопровождаться применением мер, снижающих вредное влияние ударных сил и вибраций в зоне стыка. К ним относятся: переход на бесстыковой путь (в том числе и на деревянных шпалах), установка прокладок различной конструкции и податливости, разработка более строгих требований к содержанию стыка и т. д.
Эффективность виброзащиты может оцениваться измерением динамических сил, действующих на различные элементы пути, параметров колебаний, вызываемых этими силами. Однако анализ показывает, что измерение сил не всегда возможно. Например, значительные трудности возникают при измерении динамической силы на контакте колеса и рельса. Нагрузку на шпалы можно измерить с помощью подкладок-силомеров, однако по ней нельзя судить о давлении шпал на балласт, так как не учитывается инерция шпалы. Удобным и оперативным способом оценки виброзащитных мер являются измерения и анализ кинематических параметров вибраций (смещений, скоростей, ускорений). Так, при изучении изменений геометрических параметров рельсовой колеи рекомендуется регистрировать вибросмещение, при изучении эффективности виброзащиты подрельсового основания—виброускорение.
По спектрам виброускорений можно рассчитывать спектры смещений и скоростей по предложенным М.Ф. Вериго формулам [52]:
 ω—текущая частота.
Таким образом, по спектру виброускорений можно получить спектры других параметров.
Ускорения отражают динамический характер приложения нагрузок. С их помощью можно оценить степень динамичности поведения элементов пути, а если знать величину масс, можно получить значения динамических сил.
Качество виброзащиты предлагается оценивать следующим соотношением:

где Рс, Ру — динамическая добавка силы или параметр вибрации, действующие на рассматриваемый элемент пути без мер виброзащиты и после их введения.
Чем показатель виброзащиты меньше, тем виброзащита эффективнее.
Когда спектральный состав внешнего воздействия не изменяется (при ударе колеса по рельсу), показатель виброзащиты можно выразить через коэффициенты чувствительности:

где кс и ку—чувствительность какого-либо элемента к колебаниям другого, соответственно до введения мер по виброзащите и после.
Колебания пути являются полигармоническими и широкополосными, поэтому для рационального проектирования новых средств виброзащиты важно знать показатель виброзащиты как частотную характеристику:

где γ — интенсивность накопления остаточных деформаций;
 — интенсивность остаточных деформаций пути, определенная только по значению нагрузок на шпалы;
 — коэффициент, учитывающий влияние вибрационного характера нагрузки.
Вибрационные процессы в элементах железнодорожного пути, возникающие в процессе прохождения колес подвижного состава, во многом определяют его работу. Интенсивность расстройств узлов соединения, накопление остаточных деформаций в балластном слое, сопротивление грунтов основной площадки земляного полотна смещениям зависят от уровня ускорений, частоты и амплитуд колебаний этих элементов пути. При исследовании системы «путь—подвижной состав» наряду с определением сил, напряжений и перемещений необходимо проводить комплекс измерений, характеризующих уровень вибрации в рельсах, скреплениях, подрельсовом основании и земляном полотне.
Сегодня остро стоит проблема уменьшения уровня шума и вибраций на линиях метрополитена. Надо отметить исследования в этой области В.Ф. Барабошина, А.Я. Когана, Н.Д. Кравченко, Н.И. Ананьева, А.А. Багдасарова, А.Н. Грановского и др.
В работах Н.Д. Кравченко [55], Н.И. Ананьева и В.Ф. Барабошина А.Н. Переслегина [56] используется разработанный ВНИИЖТом метод количественной оценки условно выделяемых систем: рельс— шпала—путевой бетон—тоннельная обделка. Условно выделенная линейная система рассматривается с одним входом (вибрации рельса (шпалы)) и выходом (отклик—вибрации элемента), для которого оценивается эффект виброзащиты. Комплексный коэффициент передачи системы, который однозначно связывает частотные спектры входного воздействия F и отклика F
Сравнение модулей Κ(ω) комплексных коэффициентов передачи позволяет получить оценку виброзащитного эффекта конструкции по отношению к типовой.
где — преобразования Фурье соответственно входного и выходного воздействия.
В работе [57] отмечается, что улучшения виброзащитных свойств верхнего строения пути метрополитенов можно достичь за счет снижения жесткости упругой связи между подрельсовым основанием и путевым бетоном, а также увеличения массы подрельсового основания. Вертикальная жесткость пути должна обеспечивать упругий прогиб рельса под поездной нагрузкой в 3—4 раза больше, чем при типовой конструкции. Формирование податливости рельсовых нитей должно обеспечиваться путем размещения различных упругих элементов под подрельсовым основанием. Масса подрельсового основания должна быть возможно большей с учетом обеспечения монтажа и текущего содержания пути.
Проблема защиты зданий, прилегающих к линиям метрополитенов, от вибраций по мере развития сети становится все более актуальной. В зданиях наибольший уровень вибрации достигается в октавах со среднегеометрической частотой 31,5 и 63 Гц [57, 58]. Движение поездов метрополитена вызывает низкочастотную (16—125 Гц) вибрацию фундаментов, перекрытий и стен зданий, расположенных вблизи трассы метрополитенов мелкого заложения. Так, для снижения вибраций в жилых домах, расположенных в зоне динамического воздействия метрополитена, предлагается применение виброзащитных конструкций полов на упругом основании [58]. Из сравнения частотных характеристик виброускорения различных полов сделаны выводы:
—полы на резиновых виброизоляторах снижают вибрацию на 6 дБ в октавной полосе 63Гц и на 4дБ — в октавной полосе 31,5 Гц;
—полы на изоляционном слое из минераловатных плит—на 2 дБ и на 3 дБ на частотах 31,5 и 63 Гц соответственно;
—засыпка пространства между ребрами перекрытия керамзитовым гравием повышает виброизоляцию полов на резиновых виброизоляторах на 2 дБ (63 Гц);
— виброизолированные полы путем уменьшения уровней колебаний пола и стен уменьшают уровень шума в помещении в октавных полосах частот 31,5и63Гц соответственно на 3 и 7 дБ.
Виброзащитные мероприятия для линий метрополитена подразделяются на устройства, выполняемые одновременно с возведением тоннельной обделки, различные устройства в конструкции верхнего или нижнего строения пути, а также экранирующие области в грунте на пути распространения вибрации (использование высокопоглощающих типов грунта, «стены» в грунте).
К виброзащитным устройствам, сооружаемым одновременно с возведением сборной обделки, относятся различные плиты жесткости, которые укладываются под лотковыми элементами обделки и над перекрытиями, тем самым увеличивая изгибную жесткость тоннеля.
К виброзащитным устройствам, применяемым в конструкции верхнего и нижнего строения пути метрополитена, относятся:
—различные амортизирующие эластомерные прокладки в рельсовых скреплениях типовой конструкции пути;
—принципиально новые конструкции пути, например, с использованием лежней, рам и балластных корыт, опирающихся на лотковую часть тоннельной обделки через амортизаторы различной конструкции;
—применение различных экранирующих устройств и т. д.
При превышении допустимых уровней вибраций более чем на 5 дБ, рекомендуется применение виброзащитных устройств в основании пути, эффективность которых в октавах 31 и 63 Гц в среднем составляет 10—15дБ.
Эффективность виброзащитных устройств, применяемых в рельсовых скреплениях в диапазоне частот 20—80 Гц, составляет 3—5 дБ, поэтому их рекомендуется применять при незначительном превышении допустимых уровней вибрации или в дополнение к другим мероприятиям.
Эффективность применения некоторых виброзащитных устройств на линиях Московского метрополитена приведена в табл. 1.5 [59].
В случае, когда расчетные уровни вибрации в жилых зданиях, на станциях метрополитена, а также других инженерных сооружениях, расположенных вблизи железнодорожных линий, превышают нормативные значения, применяются специальные виброзащитные мероприятия и устройства, например:

1. устройства, уменьшающие динамические нагрузки при взаимодействии колесной пары с верхним строением пути;
2. амортизирующие устройства в конструкциях верхнего и нижнего строения пути;
   
3. виброзащитные конструкции обделок тоннелей метрополитенов;
4. экранирующие конструкции в грунте;
5. амортизирующие элементы в конструкциях инженерных сооружений, жилых зданий и т. д.

Выбор средств защиты от вибрации проводится с учетом их эффективности и экономической целесообразности. Надо отметить, что наиболее экономически эффективно применение виброзащитных мероприятий в отношении верхнего строения железнодорожного пути [60—63].

Таблица 1.5
Эффективность некоторых виброзащитных устройств

Рис. 1.21. Конструкция балластных корыт с горизонтальными резиновыми амортизаторами:
1 — балластное корыто; 2 — амортизаторы

Рис. 1.22. Конструкция балластных корыт с наклонными резиновыми амортизаторами:
1 — амортизатор; 2—несущая продольная балка

Рис. 1.23. Конструкция балластных корыт на амортизаторах:
1 — упругая подвеска; 2 — балластное корыто

Рис. 1.24. Виброизолирующая конструкция верхнего строения пути:
1—герметик; 2—платформа; 3—путевой бетон; 4—виброизолирующая прокладка; 5—перекрытие

Рис. 1.25. Перегонный тоннель с виброзащитной конструкцией пути: 1 — резиновая прокладка; 2 — стальная прокладка; 3 —прокладка гомбелит или фанера клееная; 4 —деревянная шпала

Сегодня известно достаточно много вариантов виброзащитных конструкций верхнего строения пути. Так, например, на рис. 1.21 показаны конструкции корыт на амортизаторах, на рис. 1.22 перегонный тоннель с виброзащитной конструкцией пути и на рис. 1.23 виброизолирующая конструкция верхнего строения пути метрополитена [60].
На рис. 1.24 представлена конструкция верхнего строения пути с виброизолирующей прокладкой. Перегонный тоннель с виброзащитной конструкцией пути представлен на рис. 1.25.
Доминирующим недостатком вышеописанных конструкций верхнего строения пути является их достаточно высокая стоимость.