Улучшение динамических характеристик системы "путь - подвижной состав" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.06, кандидат технических наук Шуб, Михаил Борисович

• Шуб, Михаил Борисович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шуб, Михаил Борисович

1. Состояние вопроса взаимодействия подвижного состава и верхнего строения железнодорожного пути

1.1 Динамическое взаимодействие подвижного состава на путь.

1.2 Обзор мероприятий по улучшению динамических характеристик механической системы "путь - подвижной состав".

1.3 Способы уменьшения уровня шума и вибрации на железнодорожном транспорте.

1.3.1 Виброзащитные мероприятия для линий метрополитена.

1.4 Выводы.

1.5 Задачи исследования.^ттшътмь*.

2. Различные варианты верхнего строещррелезнодорожного пути

2.1 Верхнее строение пути на балластном основании.

2.2 Монолитное основание верхнего строения железнодорожного пути.83 2.2.1 Стыковые соединения и нижнее строение пути.

3. Математическое моделирование динамической системы "экипаж-путь"

3.1 Выбор структуры и параметров расчетной схемы.

3.2 Методика исследования динамической системы "экипаж-путь".

3.3 Формирование показателей динамических качеств системы и задание исходных параметров для расчета.

3.4 Анализ собственных частот и форм модели.

3.5 Расчет амплитудно-частотных характеристик модели.

3.6 Расчет статистических характеристик динамических показателей системы "экипаж - путь" и анализ результатов расчета.

3.7 Определение величины оптимального демпфирования пути.

3.8 Выводы.

4. Физическое моделирование системы "путь - подвижной состав"

4.1 Методика физического моделирования системы "путь - подвижной состав".

4.2 Динамическое подобие механических систем.

4.3 Физическое моделирование колебаний подвижного состава.

4.4 Физическое моделирование верхнего строения пути.

4.5 Лабораторные испытания.

5. Инженерная реализация работы

5.1 Эксплуатационные испытания шпал-демпферов.

5.2 Промышленная технология изготовления конструкции широкополосной шпалы-демпфера.

5.3 Экономическая эффективность применения шпал-демпферов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение динамических характеристик системы "путь - подвижной состав"»

Актуальность проблемы

При взаимодействии подвижного состава и верхнего строения железнодорожного пути возникают интенсивные динамические нагрузки. Они оказывают разрушающее воздействие как на детали подвижного состава, так и на элементы верхнего строения пути. Повышение массы и скоростей движения поездов является причиной роста уровня шума и вибрации. Поездной шум остается одним из факторов негативного воздействия рельсового транспорта на окружающую среду и пассажиров. Проблема шума и вибрации на железнодорожном транспорте имеет большое значение для железнодорожных путей, укладываемых в черте населенных пунктов, высокоскоростных линий, для участков метрополитена, проходящих близко к жилым районам, а также для железных дорог, укладываемых в искусственных сооружениях, например, тоннелях и на мостах. Вопросам динамического взаимодействия системы "путь -подвижной состав" уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом. Рассматриваемая проблема является весьма актуальной для развития железнодорожного транспорта.

Целью работы является разработка научно обоснованных конструктивных и технологических методов улучшения динамического взаимодействия подвижного состава и пути, а именно - конструкции многофункциональной шпалы-демпфера.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Обзор существующих мероприятий по улучшению динамических характеристик системы "путь - подвижной состав", а также способов уменьшения уровня шума и вибрации на железнодорожном транспорте.

2. Определение конструктивных особенностей различных вариантов верхнего строения пути и его основных элементов.

3. Построение математической модели системы "экипаж - путь" и с ее помощью оценка возможности снижения коэффициентов динамики элементов модели, за счет введения нового элемента в конструкцию верхнего строения пути — шпалы-демпфера.

4. Построение физической модели системы "путь - подвижной состав".

5. Проведение эксплуатационных испытаний опытной партии шпал-демпферов и внедрение разработанных мероприятий по сети дорог СКЖД. Подтверждение расчетным путем экономической эффективности разработанной конструкции и предлагаемых мероприятий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые научно обоснован способ снижения динамических нагрузок контакта колеса с рельсом за счет применения демпфирующей шпалы.

2. Разработана методика и выполнен расчет, позволяющий оценить снижение динамических нагрузок при различных упруго-диссипативных характеристиках шпалы-демпфера.

3. Определены оптимальные параметры шпалы-демпфера.

4. Сформулированы технические требования для практической реализации предлагаемого решения.

Практическая ценность работы

Внедрение результатов работы позволит снизить уровень динамического воздействия подвижного состава на путь, увеличить долговечность подвижного состава и пути, уменьшить износ пути, повысить тяговые свойства локомотива, повысить коэффициент сцепления колеса с рельсом, значительно уменьшить уровень структурного шума и вибрации при движении подвижного состава.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическое моделирование системы.

2. Физическое моделирование системы.

3. Результаты лабораторных испытаний.

4. Результаты эксплуатационных испытаний.

Реализация работы: изготовлена опытная партия шпал-демпферов и уложена на действующем участке Ростовской дистанции пути. Эксплуатационные испытания показали надежность работы опытных образцов в условиях ударно-усталостного нагружения.

Апробация работы: основные результаты исследований были доложены на следующих научно-технических конференциях: Материалы 58-й научной конференции профессорско-преподавательского состава РГУПС, 20 - 22 апреля 1999 г.; Материалы отраслевой научной конференции "Актуальные проблемы железнодорожного транспорта и роль молодых учёных в их решении", 24 -25 ноября 1998 г.; Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава РГУПС (Ростов - на - Дону 1998 г.); Труды 59-ой вузовской научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава «ТРАНСПОРТ - 2000», Ростов -на - Дону, апрель 2000 г.

Публикации: По результатам проведенных исследований опубликовано 9 научных работ. Список указанных работ приведен в приложении П1.

Объем и содержание:

Диссертация состоит из 5 глав, изложенных на 209 страницах, содержит 15 таблиц, 68 рисунков, библиографии в количестве 80 наименований, общих выводов и 8 приложений.

Автор выражает благодарность научным руководителям: Шаповалову В. В., Шевченко А. И., а также Новаковичу В. И., Щербаку П. Н. и Коропцу П. А.

Заключение диссертации по теме «Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог», Шуб, Михаил Борисович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. Анализ состояния вопроса показал, что рассматриваемая проблема улучшения динамических характеристик системы "ПС - ВОТ" является актуальной. Возникающие при взаимодействии подвижного состава и пути вредное воздействие уровня шума и вибраций, ужесточение норм по снижению уровня структурного шума на железнодорожном транспорте придают рассматриваемой проблеме все большую остроту. В связи с этим, необходимо более глубокое изучение колебательных процессов системы "ПС - ВСП";

2. Изучив существующие методы улучшения динамических характеристик данной системы, надо отметить, что наибольший экономический эффект достигается с помощью мероприятий, направленных в отношении верхнего строения железнодорожного пути;

3. Получена математическая модель системы "ПС - ВСП". Разработана методика расчета статистических характеристик динамических качеств системы "экипаж-путь". Выполнены расчеты собственных частот и форм колебаний, построены АЧХ и спектральные плотности динамических показателей, рассчитаны среднеквадратические значения динамических показателей для диапазона скоростей движения экипажа 20^120 км/ч. Проведен анализ результатов расчетов и с помощью дополнительной математической модели определены оптимальные значения демпфирования пути, обеспечивающие минимум динамических нагрузок в контакте колеса и рельса. Наиболее чувствительны к изменению параметров шпалы вертикальные ускорения колесной пары и шпалы ), при этом, чем меньше жесткость Сш и выше демпфирование Ьт, тем уровень вертикальных ускорений гк меньше. Это справедливо и для коэффициентов динамики колесной пары и рельса. Увеличение жесткости Сш от 22000 до 76000 увеличивает Кдк и гк на 15%. Наиболее чувствительны к изменению Ьш показатели Кдк и '¿к при минимальной жесткости: увеличение демпфирования от Ьш = 27,5 до Ът = 78,5 при С.ш = 22000 снижает эти показатели на 20-=-25%. При жесткости Ст = 76000 увеличение Ът от 51,1 до 114,3 кНс/м снижает/^ и г к на 10+16%;

4. Получена физическая модель механической системы "ПС - ВСП", в которой обеспечена идентичность динамических процессов натуры и модели. С целью устранения противоречий при моделировании системы в точке приложения динамической силы на модель шпалы помещается добавочная масса;

5. Разработана принципиально новая конструкция составной деревянной шпалы-демпфера с рациональными жесткостными и демпфирующими характеристиками, которая позволит увеличить общую долговечность системы, увеличить межремонтные сроки, снизить общие эксплуатационные затраты, снизить на 25. 30 % уровень структурного шума на железнодорожном транспорте. Конструкция может эффективно использоваться в монолитном ВСП. Шпалу-демпфер следует рекомендовать как стыковую на звеньевом пути с деревянными шпалами, а также на открытых и закрытых участках метрополитена (особенно в местах сопряжения) и на железнодорожных мостах;

6. Опытная партия шпал-демпферов уложена на Ростовской дистанции пути в июле 1999 г. в количестве пяти штук. Применена технология стабилизации жесткости разъемных соединений рельсовых скреплений деревянных шпал;

7. Разработана технология изготовления широкополосной шпалы-демпфера с целью внедрения данной конструкции в путевом хозяйстве железнодорожного транспорта;

8. Экономический эффект применения шпал-демпферов достигается за счет увеличения сроков службы элементов верхнего строения железнодорожного пути и подвижного состава. Увеличение межремонтных сроков в системе "путь - подвижной состав" достигается путем уменьшения

189 коэффициентов динамики рассматриваемой системы и определения оптимальных жесткостных и демпфирующих свойств пути;

9. Годовой экономический эффект от внедрения шпал-демпферов на километр пути составил 1639 рублей;

10. Нынешняя политика МПС - ликвидация всех стыковых соединений железнодорожного пути, в том числе и на стрелочных переводах. Монолитное основание верхнего строения пути на дорогах России пока не применяется. Поэтому шпалу-демпфер следует рекомендовать как стыковую на звеньевом пути с деревянными шпалами, а также на открытых и закрытых участках метрополитена (особенно в местах сопряжения) и на железнодорожных мостах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шуб, Михаил Борисович, 2000 год

1. Шахунянц Г.М. Расчеты верхнего строения пути. М.: Трансжелдориздат, 1961.68 с.

2. Тартаковский Р.Н. Расчет рельса на изгиб в вертикальной плоскости с учетом динамической эластичности пути. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., МИИТ: М.: 1954. 21 с.

3. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М.: Трансжелдориздат, 1961. 479 с.

4. Ржаницын А. Р. Некоторые вопросы механики систем, деформирующихся во времени. М.: Гостехиздат, 1949. 210 с.

5. Коренев Б.Г., Ручимекий М.Н. Некоторые задачи динамики балок на упругом основании. Научное сообщение №120 центрального научно-исследовательского института промышленных сооружений: М., Стройиздат, 1955. 26 с.

6. Филипов А.П., Кохманюк С.С. Динамическое воздействие подвижных нагрузок на стержни. Киев: Наукова думка, 1967. 245 с.

7. Коган А.Я. Вертикальные динамические силы, действующие на путь. / Труды ЦНИИ МПС, М.: Транспорт, 1969, вып. 402, 205 с.

8. Коган А.Я. Расчеты железнодорожного пути на вертикальную динамическую нагрузку. / Труды ЦНИИ МПС, М.: Транспорт, 1973, вып. 502, 169 с.

9. Коган А.Я., Исаенко Э.П., Кузеваков В.А., Омаров Б.А. Оценка состояния железнодорожного пути с учетом силового воздействия на путь подвижного состава. / Вестник ВНИИЖТа, 1994, №3 с. 3-9.

10. Взаимодействие подвижного состава и пути при пространственных колебаниях подвижного состава. / Информационный бюллетень ВНТИЦентра ГОСФАП, 1985, №4(67), 24 с.

11. Коган А.Я., Певзнер В.О., Козеренко Е.В. Оценка расстройств пути в различных условиях эксплуатации. / ВНИИЖТ, М.: Транспорт, 1983, вып. 660, с. 47-53.

12. Вериго М.Ф., Лысюк В.С. Динамические исследования пути и корректировка правил расчетов железнодорожного пути на прочность. / Труды ЦНИИ МПС, М.: Транспорт, 1972, вып. 466, с. 51-67.

13. Желнин Г.Г., Певзнев В.О., Шинкарев Б.С. Исследование зависимости боковых и рамных сил покоя. / Труды Всесоюзного научно-исследоватеского института железнодорожного транспорта, 1975, вып. 542, с. 84-92.

14. Певзнер В.О., Грачева Л.О. Влияние неровностей пути на напряженное состояние его элементов при воздействии грузовых вагонов. Сборник научтр. ВНИИЖТ вып. 549, М.: Транспорт, 1976, с. 47-55.

15. Ромен Ю. С. О нелинейных колебаниях железнодорожного экипажа в кривых произвольного очертания. / Труды ЦНИИ МПС, М.: Транспорт, 1967, вып. 347, с. 5-26.

16. Ромен Ю. С. Моделирование взаимодействия подвижного состава и пути с учетом накопления остаточных деформаций рельсовой колеи. / Вестник ВНИИЖТ 1978 №2, с. 42-45.

17. Ромен Ю. С. Расчеты поперечной устойчивости рельсо-шпальной решетки под воздействием поездной нагрузки. В кн.: Исследования возможностей повышения скоростей движения поездов. / Сб. научных трудов, М.: Транспорт, 1984, с. 42-54.

18. Ромен Ю. С. Методы идентификации внешних возмущений для моделирования взаимодействия подвижного состава в пути. В кн.: Вопросы транспортного машиностроения. / Тула, 1980, с. 23-33.

19. Ромен Ю. С. Динамические деформации рельсо-шпальной решетки. / Вестник ВНИИЖТ 1981, №8, с. 47-50.

20. Волошко Ю. Д. Метод исследования вертикальной динамики пути с железобетонным подрельсовым основанием. / Тр. ДИИТ, 1969, вып. 99, с. 39-48.

21. Волошко Ю. Д. Взаимодействие подвижного состава и пути с блочными опорами. В кн.: Проблемы механики железнодорожного транспорта. / Киев: Наукова Думка, 1980, с. 35-36.

22. Новакович В. И., Ершков В. В. Определение сопротивления рельсо-шпальной решетки перемещениям поперек оси пути. / Вестник ВНИИЖТ 1982, №8, с. 48-50.

23. Новакович В. И. Исследование напряженно-деформированного состояния бесстыкового пути в процессе длительной эксплуатации. / Межвузовский сборник. Бесстыковой путь с рельсовыми плетями сверхнормативной длины. МИИТ, 1982, вып. 708, с. 29-36.

24. Новакович В. И. Бесстыковой железнодорожный путь с рельсовыми плетями неограниченной длины. Львов: Высшая школа, 1984, с. 1-99.

25. Новакович В. И., Д. Г. Эрадзе, Я. Я. Клим. Расчеты бесстыкового пути. / Учебное пособие. Ростов на - Дону, РГУПС, 1996 , 43 с.

26. Новакович В. И., Я. Я. Клим. Бесстыковой путь со сверхдлинными рельсовыми плетями. / Учебное пособие. Ростов на - Дону, РГУПС, 1998, 96 с.

27. Бондаренко И. Я. Улучшение условий реализации силы тяги подвижного состава за счет изменения динамических характеристик верхнего строения пути. / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Ростов-на-Дону, РГУПС, 1998, 220 с.

28. Уваров В. Н. Устойчивость элементов пути в зоне стыков. / Путь и путевое хозяйство, М.: Транспорт, 1975, № 12, с. 18-23.

29. Вульферт Д. Гашение вибраций, вызываемых поездами метрополитена. / Железнодорожный транспорт за рубежом, 1987, серия 4, выпуск 7, с. 1218.

30. Коен Н. Снижение шума и износа металла при применении твердых смазок. / Железнодорожный транспорт за рубежом, 1992, выпуск 5, с. 712.

31. Лысюк В. С. Управлять надежностью бесстыкового пути. / Путь и путевое хозяйство 1998, № 9, с. 16-19.

32. Ятсшими Y. Применение материалов с использованием эластомеров на железных дорогах Японии. / Железнодорожный транспорт за рубежом, 1989, серия 4, выпуск 6, с. 43-45.

33. Реферативный журнал ВИНИТИ. / Железнодорожный транспорт, 1972; Реф. 2Г88.

34. Применение составных шпал в США. / Бюл. техн.- экон. информации (УНИИТЭИ МПС) №1, 1968 г., с. 68.

35. Крамер Ж. Пластмассовые шпалы США. / Путь и путевое хозяйство, 1968, №10, с. 47.

36. Стальные шпалы в Японии. / Реферативный журнал ВИНИТИ; Железнодорожный транспорт, 1972; Реф. 4Г76.

37. Вауэр Г. Стальные шпалы на железных дорогах Северной Америки. / Железные дороги мира, 1998, №3, с. 58-62.

38. Потовски А. Шпалы из армополимер-бетона (Югославия). / Pragovi od ermopolimer-betona. " Zeleznice", 1973, № 2, с. 56-58.

39. Шпала из синтетического материала./ Реферативный журнал ВИНИТИ; Железнодорожный транспорт, 1973; Реф. 12Г52П.

40. Брэнэн X., Крамер Ж. Оценка эффективности различного типа шпал. / Железнодорожный транспорт за рубежом, 1998, серия 4, вып. 3-4, с. 26-29.

41. Мюллер Г. Современный уровень развития верхнего строения пути на безбалластном основании. / Железнодорожный транспорт за рубежом, 1987, серия 3, вып. 3, с. 15-17.

42. Роз Г. Применение асфальта в конструкциях пути. / Железные дороги мира, 1999, №1, с. 65-67.

43. Сато Н., Хонсака М. Магнитные амортизаторы колебаний. / Железнодорожный транспорт за рубежом, 1998, серия 4, вып. 1, с. 12-14.

44. Хольц Г. Оптимизированное по шуму колесо. / Железные дороги мира, 1995, №10, с. 32-34.

45. Крюгер Ф. Шум в кривых и его снижение за счет демпфирующих элементов в рельсовых скреплениях. / Железные дороги мира, 1997, №10, с. 64-67.

46. Фитцджеральд В., Харрисон М. Барьеры для снижения шума железных дорог. / Железные дороги мира, 1998, №4, с. 48-50.

47. Ландвер Е. Шумозащитные стенки на железнодорожных линиях. / Железные дороги мира 1997, №6, с. 60-64.

48. Хаук Й. Снижение шума, излучаемого путем на жестком основании. / Железные дороги мира, 1997, №9, с. 59-62.

49. Веггурек Р. Снижение уровня структурного шума на открытых участках железных дорог. / Железные дороги мира, 1998, №1, с. 52-56.

50. Хаук Й. Защита от шума и вибрации на линиях метрополитена. / Железнодорожный транспорт за рубежом, серия 3, вып. 2, с. 12-15.

51. Хаук Г. Снижение уровня транспортных шумов. / Железные дороги мира, 1995, №5, с. 33-37.

52. Под общ. ред. Вериго М.Ф., Альбрехта В.Г. Виброзащита железнодорожного пути. / Труды ЦНИИ МПС 1976 вып. 546,186 с.

53. Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Гостехиздат, 1963, 771с.

54. Барабошин В.Ф., Ананьев Н.И. Вредные вибрации пути и борьба с ними. М.: Транспорт, 1972, 44 с.

55. Кравченко Н. Д. Путь с лежневым железобетонным подрельсовым основанием. / Путь и путевое хозяйство, 1991, №9, с. 48-52.

56. Н. И. Ананьев, В. Ф. Барабошин, А. Н. Переелегин. Оценка виброзащитных свойств пути с лежневым железобетонным подрельсовым основанием. / Вестник ВНИИЖТ 1992, №2, с. 27-29.

57. В. Ф. Барабошин. Основные принципы конструирования виброзащитной конструкции пути метрополитенов. / Ускорение научно-технического прогресса на метрополитенах страны. Сб. научных трудов ВНИИЖТ, М.: Транспорт, 1990, с. 18-24.

58. П. А. Лившиц, А. Р. Пресс, А. Р. Сомин, В. Г. Эльнер. Защита жилых помещений от шума и вибрации метрополитена с помощью виброизолированных полов., М.: Транспорт, 1983 , с. 25-29.

59. Руководство по определению физико-механических свойств грунтов при расчетах вибрации в помещениях, жилых и общественных зданий от движения поездов метрополитена. / М.: МОО "Тоннельная ассоциация", 1996, 48 с.

60. Руководство по прогнозированию уровней вибрации от движения поездов метрополитена и расчету виброзащитных устройств. / М.: Международное общественное объединение " Тоннельная ассоциация ", 1996, 37 с.

61. Новые исследования в области подвижного состава и пути. / УНИИМПС Труды, 1977, вып.577, с. 90.

62. Хаук Г. Сборные плиты в пути на жестком основании. / Железные дороги мира 1999, №8, с. 62-64.

63. Борьба с оползнями, обвалами и разрывами на железных дорогах Кавказа./ Комитет по земельному полотну при НТС МПС и ТС Минтрансстроя, М.: Трансжелдориздат, 1964, с. 167.

64. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. / Под редакцией М.Ф.Вериго М.: Транспорт, 1986, 559 с.

65. Гарг В.К., Дуккипати Р.В. Динамика подвижного состава: Пер. с англ. / Под редакцией Н.АПанькина М.: Транспорт, 1988. 391с.

66. Ушкалов В.Ф., Резников Л.М., Редько С.Ф. Статистическая динамика рельсовых экипажей / Киев : Наук, думка, 1982, 360 с.

67. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. / Учебное пособие 2-е изд., перераб. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1980, 272 с.

68. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. / М.: 1969, 576 с.

69. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти томах / Ред. совет: В.Н.Челомей (пред.) М.: Машиностроение, 1987 / Под. ред. В.В.Болотина. 1978, 352 с.

70. Камаев В. А. Оптимизация параметров ходовых частей железнодорожного подвижного состава. М.: Машиностроение, 1980, 215 с.

71. Евстратов A.C. Экипажные части тепловозов. М.: Машиностоение, 1987,136 с.

72. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967, 475 с.

73. Кудинов В.А. Динамическая характеристика процесса сухого трения. В кн.: Сухое трение, Рига, Изд-во АН Латв. СССР, 1961, 374 с.

74. Лебедев А.Н. Моделирование в научно-технических исследованиях. М.: Радио и связь, 1989, 270 с.

75. Веников В.А. Теория подобия и моделирования. М.: "Высшая школа", 1976, 327 с.

76. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе A.B. Модели трения и изнашивания в машинах. М.: Машиностроение, 1982,316 с.

77. Чихос X. Системный анализ в триботехнике.М.: Мир, 1982. 351с.

78. Белый В.А., Свириденок А.И. Актуальные направления развития исследований в области трения и изнашивания. "Трение и износ". Минск: "наука и техника", 1987, т. 8, № 1,420 с.

79. Г.Г Кармен. Конструкции из дерева и пластмасс. / М.: Стройиздат, 1975,215 с.

80. Лысюк В. С. Влияние жесткости и неровности пути на деформации, вибрации и силы взаимодействующих элементов. / УНИИ МПС, М.: Транспорт, 1969, вып. 370, 168 с.