Влияние типа и состояния промежуточных рельсовых скреплений на развитие контактно — усталостных дефектов рельсов

Цикл статей:

Введение
Глава 1 — Анализ особенностей промежуточных рельсовых скреплений
Глава 2 — Анализ эксплуатационной стойкости рельсов и факторов, влияющих на нее
Глава 3 — Оценка влияния конструкции и состояния промежуточных скреплений на состояние рельсов в эксплуатации
Глава 4 — Расчет влияния жесткости промежуточного рельсового скрепления на накопление контактно-усталостных повреждений
Глава 5 — Оценка эффективности функционирования конструкций верхнего строения пути
Заключение

Актуальность темы исследования

Актуальность работы определяется Стратегией научно-технического развития холдинга «РЖД» на период до 2025 года и на перспективу до 2030 года (Белая книга), утвержденной распоряжением от 17 апреля 2018 г. № 769/р в части реализации основных задач инновационного развития путевого комплекса. Также актуальность работы вызвана развитием тяжеловесного движения грузовых поездов и высокоскоростного движения пассажирских поездов; увеличением сроков службы верхнего строения пути до 2,5 млрд т брутто пропущенного тоннажа, что в разы больше существующих нормативных показателей: 700, 900 и 1400 млн т брутто; сокращением эксплуатационных затрат; расширением полигона укладки бесстыкового пути с рельсами мирового уровня качества на железобетонных шпалах с упругими рельсовыми скреплениями. [2]

Промежуточные рельсовые скрепления являются одним из важнейших компонентов конструкции верхнего строения пути (ВСП), определяющим ее безопасность и надежность, в том числе геометрию и пространственную жесткость рельсовой колеи, влияющую на характер взаимодействия пути и подвижного состава, а также на затраты владельца инфраструктуры в течение основных этапов жизненного цикла конструкции пути.

Протяженность пути с упругими рельсовыми скреплениями на железобетонных шпалах составляет порядка 35 % от общей протяженности, при этом при реконструкции пути и капитальных ремонтах 1 уровня (с использованием новых материалов) укладывается рельсошпальная решетка только с упругими скреплениями.

Снижение влияния конструкции пути на интенсивность развития дефектов на рабочей поверхности головки рельсов, уменьшение количества дефектных и остродефектных рельсов возможно за счет рационального применения промежуточных рельсовых скреплений.

Степень разработанности темы исследования

На безотказную работу рельсов, помимо собственно их характеристик, оказывают влияние климатические условия, радиусы пути в плане и длина кривых, подвижной состав и режимы вождения, в том числе вертикальная и горизонтальная поперечная жесткость конструкции пути, а также ряд прочих эксплуатационных факторов

Научные положения диссертации формировались на основе исследований российских и зарубежных ученых ведущих научноисследовательских институтов и высших учебных заведений: ВНИИЖТ, НИИАС, РУТ (МИИТ), ПГУПС, СГУПС, РГУПС, ДВГУПС. Вопросам оценки надежности, экономической эффективности, стоимости жизненного цикла железнодорожного пути посвящены работы А.Ю. Абдурашитова, В.Г. Альбрехта, Е. С. Ашпиза, Л. С. Блажко, М. Ф. Вериго, Э. В. Воробьева, Б. Э. Глюзберга, В. М. Ермакова, А. В. Замуховского, А. М. Замышляева, В.Б. Каменского, Н.И. Карпущенко, Н.И. Коваленко, Н.П. Кондакова, А.А. Локтева, В.С. Лысюка, В.И. Новаковича, В.О. Певзнера, Е.Н. Розенберга, А.В. Савина, В.П. Сычева, О.А. Суслова, В.И. Тихомирова, М.Ю. Хвостика, Г.М. Шахунянца, В.Я.Шульги, Г.К. Щепотина, В.Ф. Яковлева. В работах указанных авторов решались задачи оценки надежности ВСП с целью совершенствования конструкции, обеспечения ее эффективной работы под поездной нагрузкой.

В настоящее время при расширении модельного ряда промежуточных рельсовых скреплений, применяемых на сети железных дорог ОАО «РЖД», возникла необходимость актуализировать результаты этих исследований обоснованием влияния типа и состояния рельсовых скреплений на повышение долговечности рельсов.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является обоснование применения промежуточных рельсовых скреплений для различных условий эксплуатации на основе оценки влияния типа и состояния скреплений на интенсивность развития контактно — усталостных дефектов в головке рельсов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • выполнить сравнительный анализ эксплуатационной стойкости промежуточных рельсовых скреплений различных типов;
  • провести оценку напряженно-деформируемого состояния взаимодействующих элементов конструкции пути с использованием имеющихся моделей силового воздействия подвижного состава на путь;
  • на основании полученных результатов сформировать и обосновать аналитические зависимости влияния типа и состояния рельсовых скреплений на развитие дефектов контактно-усталостного происхождения в рельсах;
  • определить эффективность применения скреплений различных типов в зависимости от эксплуатационных условий;
  • разработать практические рекомендации для уточнения существующих сфер применения промежуточных рельсовых скреплений.

Объектами исследования являются: промежуточные рельсовые скрепления, рельсы железнодорожные, конструкция верхнего строения железнодорожного пути, долговечность рельсов, математические модели.

Предмет исследования. Влияние типа и состояния промежуточных скреплений на эксплуатационную стойкость рельсов. Повышение долговечности рельсов.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

  1. Рассчитано влияние пространственной жесткости промежуточных рельсовых скреплений на интенсивность накопления контактно — усталостных поверхностных повреждений головки рельсов на базе программного комплекса «Универсальный Механизм» с применением имеющихся моделей силового воздействия подвижного состава на путь и использованием фактических (по результатам стендовых испытаний) значений вертикальной и горизонтальной поперечной жесткости с учетом влияния крутильной жесткости и демпфирования скреплений различных типов.
  2. разработаны аналитические зависимости для определения интенсивности развития контактно-усталостных дефектов в рельсах в зависимости от типа и состояния промежуточных рельсовых скреплений;
  3. разработана и реализована методика технико-экономической

оценки конструкции ВСП;

  1. предложены научно-обоснованные рекомендации оптимизации

существующих сфер применения скреплений различных типов с целью снижения интенсивности развития контактно усталостных дефектов рельсов.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в формировании научно-обоснованных расчетно-аналитических зависимостей влияния жесткости промежуточных рельсовых скреплений различных типов на интенсивность развития дефектов контактно-усталостного происхождения на рабочей поверхности головки рельсов в процессе эксплуатации.

Разработаны методика эффективности функционирования

альтернативных конструкций верхнего строения железнодорожного пути, содержащая математическую модель расчета стоимости жизненного цикла по расширенному перечню критериев (с учетом производительности труда и фондоотдачи) в зависимости от условий эксплуатации.

Полученные результаты были использованы:

  • при разработке методики оценки эффективности функционирования альтернативных конструкций верхнего строения железнодорожного пути.
  • даны предложения по корректировке ГОСТ Р 59482-2021 «Скрепление рельсовое промежуточное железнодорожного пути. Общие технические условия»;

позволяют:

  • снизить интенсивность развития дефектов рельсов в эксплуатации за счет рационального применения промежуточных рельсовых скреплений различных типов и обеспечения их работоспособного состояния.

могут быть использованы:

  • при сравнении альтернативных вариантов конструкций верхнего строения пути;
  • при разработке проектов участков пути, решении вопросов закупки скреплений при планировании реконструкции и капитальных ремонтов железнодорожного пути.

Методология и методы исследования, примененные в диссертационной работе следующие: систематизация, методы математической статистики, анализ, оценка применимости статистических и вероятностных методов, математическое моделирование, адаптивное прогнозирование, классификация сложных объектов; оценивание статистических величин с неопределенной функцией распределения по цензурированным (структурированным) выборкам.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Результаты расчетов влияния пространственной жесткости промежуточных рельсовых скреплений на интенсивность накопления контактно — усталостных поверхностных повреждений головки рельсов на основе фактических, по результатам стендовых испытаний, значений вертикальной и горизонтальной поперечной жесткости с учетом влияния крутильной жесткости и демпфирования скреплений различных типов;
  2. аналитические зависимости интенсивности развития контактноусталостных дефектов в рельсах от типа и состояния промежуточных рельсовых скреплений;
  3. результаты расчетов по оценке эффективности функционирования в заданных эксплуатационных условиях участков пути, сформированных с использованием различных промежуточных рельсовых скреплений.
  4. научно-обоснованные рекомендации по расширению сфер рационального применения скреплений различных типов.

Степень достоверности и апробация результатов:

Степень достоверности результатов подтверждена сопоставлением результатов многофакторного расчета на базе программного комплекса «Универсальный Механизм» с результатами статистических исследований влияния жесткости промежуточных рельсовых скреплений на интенсивность накопления контактно — усталостных поверхностных повреждений головки рельсов.

Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на ежегодных научно практических конференциях с международным участием «Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство» в 2017-2021 гг. РУТ (МИИТ), на ежегодных всероссийских научно-технических конференциях «Транспортное строительство» в 2020-2021 гг.

Результаты проведенных исследований были использованы в предложениях по корректировке ГОСТ Р 59482-2021, а также при выполнении хоздоговорных тем с АО «ВНИИЖТ»: договор № о.п.10.03.250/17 от 30 мая 2017 г.; договор 2857545 (1.РСТМ.10.04391/18) от 30.03.2018 г. (шифр 5.364); договор № 0.РСТМ.10.04725/18 от 12 июля 2018 г. В рамках работ АО «ВНИИЖТ» для АО «РЖД» выполнен сравнительный анализ эксплуатационной стойкости рельсов, подготовлены рекомендации о мероприятиях по повышению долговечности рельсов в различных эксплуатационных условиях.