СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ С ИЗОЛИРУЮЩИМ СТЫКОМ

Изобретение относится к ж/д транспорту, к конструкции верхнего строения пути (ВСП) и применению вычислительных средств при проектировании и отработке элементов ВСП, в частности для определения перемещения рельсовых путей, в том числе изолирующих стыков, при воздействии на них подвижной нагрузки.

Из патента СССР №618476, опубл. 05.08.1978 г., принятого за прототип, известен способ оценки состояния железнодорожного пути с использованием электронной вычислительной машины (ЭВМ) и измерительных устройств, смонтированных в путеизмерительном вагоне, заключающийся в том, что в процессе движения вагона при определенной скорости измеряют положение рельсовой колеи: посадки рельсовых нитей, положение пути по уровню и в плане, ширину рельсовой колеи, электрические сигналы, пропорциональные величинам измеряемых параметров, подают на ЭВМ, предварительно в ЭВМ вводят допуски по каждому параметру, посредством ЭВМ сравнивают величины каждого измеряемого параметра с допустимыми, определяют отступления измеренных величин от допусков и затем для заданной длины контролируемого участка пути подсчитывают их количество, перед поездкой закладывают в ЭВМ математическую модель взаимодействия оцениваемого пути и экипажа при требуемой скорости его движения, одновременно с параметрами положения рельсовой колеи измеряют неровности на рабочей поверхности рельса и модуль упругости подрельсового основания, по введенным в ЭВМ величинам положения рельсовой колеи, неровностей на рабочей поверхности рельсов, модуля упругости подрельсового основания, а также фактической скорости путеизмерителя в процессе его движения решают системы алгебраических и дифференциальных уравнений упомянутой математической модели, определяют перемещения элементов системы экипаж-путь, напряжения в элементах пути и их изменения во времени, действующие силы, по полученным данным вычисляют коэффициенты и напряжения, силы и т.п., по каждому из параметров вычисляют величины отступлений от допусков, определяют предельную скорость для участков с отступлениями параметров, выводят полученные данные на регистрацию и печать с привязкой к местоположению.

Общими существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого способа, являются следующие - способ оценки состояния участка ВСП заключается в том, что этот участок и вагонную тележку представляют посредством реализованных в ЭВМ моделей, описывающих их взаимодействие, определяют перемещения элементов системы экипаж-путь, силы взаимодействия между этими элементами, напряжения в них, а также их изменения во времени, используют полученные в результате данные для формирования заключения относительно технического состояния пути.

Главный недостаток существующего способа оценки состояния ВСП состоит в том, что он не позволяет оценивать техническое состояние изостыков, являющихся неотъемлемым компонентом пути и источником повышенных динамических нагрузок, увеличивающих риск нарушения изолирующих свойств изостыка и разрушения его металлокомпозитных накладок. Изостык - специфическое место ж/д пути, что требует к нему особого отношения. В то же время, принятый в качестве прототипа способ подразумевает измерения на ходу - с помощью вагона-лаборатории, что эффективно при относительно однородном пути. Изостык, предназначенный для получения электрического сигнала при замыкании колесами цепи «рельс-рельс», отличается от обычного стыка тем, что его накладки электрически изолированы от рельсов. Местный прогиб участка пути со стыком заведомо больше, чем в остальных местах рельсового пути, что приводит к повышенным нагрузкам на стык. А наличие зазора между концами стыкуемых рельсов, тем более, когда на рабочей поверхности этих концов имеется смятие, провоцирует удары при взаимодействии стыка с колесами вагонной тележки. Это ускоряет износ композитного слоя накладки, особенно на верхних контактных поверхностях вблизи срединного сечения стыка. В свою очередь, этот износ приводит к появлению люфта между рельсами и накладками, который еще больше снижает жесткость стыка и увеличивает динамическую составляющую сил взаимодействия между колесом и рельсами в зоне стыка. Конструкция накладок изостыка и технология их изготовления должны отвечать требованиям прочности и ресурса, что, в свою очередь, требует тщательной отработки - с учетом разных условий эксплуатации и отклонений в пределах допусков: размеров, жесткостных и демпфирующих свойств композита, его прочности и износостойкости. Без использования математического моделирования такая отработка требует значительно больших финансовых и временных затрат.

Предлагаемый способ оценки состояния железнодорожного пути с изолирующим стыком не предусматривает использования измерительного вагона-лаборатории, но также основан на математическом моделировании взаимодействия пути с экипажем. Предлагаемый способ оценки состояния пути с изостыком предусматривает для повышения достоверности такой оценки и повышения за счет этого надежности работы изостыков применение параллельно двух взаимосвязанных моделей - конечно-элементной (КЭ) модели, позволяющей решать статическую задачу определения напряженно-деформированного состояния (НДС) в элементах стыка, и динамической модели - для моделирования процесса взаимодействия вагонной тележки со стыком в динамике.

Преимущество КЭ модели - в детальном представлении конструкции, поскольку рельсы и накладки разбивают на достаточно мелкие элементы, чтобы получить подробную картину НДС деталей стыка. Недостаток КЭ моделирования - в невозможности решения задачи динамики взаимодействия изостыка с колесами экипажа. Это реализуется в динамической модели, созданной средствами вычислительного комплекса EULER, предназначенного для решения такого рода задач.

Для достижения названного технического результата предлагается способ оценки состояния участка железнодорожного пути, заключающийся в том, что этот участок и вагонную тележку представляют посредством реализованных в электронно-вычислительной машине моделей, описывающих их взаимодействие, определяют перемещения элементов системы экипаж-путь, силы взаимодействия между этими элементами и напряжения в них, их изменения во времени, используют полученные в результате данные для формирования заключения относительно технического состояния пути, причем, в отличие от прототипа, используют параллельно две математические модели - статическую КЭ модель участка пути с изостыком и динамическую, включающую в себя кроме участка пути с изостыком также вагонную тележку, при этом КЭ моделирование проводят в два этапа, так что формирование облика динамической модели и определение ее параметров производят на основе результатов первого этапа конечно-элементного моделирования, а результаты моделирования динамического взаимодействия вагонной тележки с изостыком используют затем в качестве исходных данных для проведения второго этапа конечно-элементного моделирования; получают в результате картину напряженно-деформированного состояния в элементах изостыка и на основе полученных данных вырабатывают рекомендации по изменению или доработке конструкции изостыка, его элементов, жесткостных и других характеристик для обеспечения требуемого уровня надежности по запасу прочности и ресурсу.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения являются следующие - используют параллельно две математические модели - статическую КЭ модель участка пути с изостыком и динамическую, включающую в себя кроме участка пути с изостыком также вагонную тележку, причем конечно-элементное моделирование проводят в два этапа, так что формирование облика динамической модели и определение ее параметров производят на основе результатов первого этапа конечно-элементного моделирования, а результаты моделирования динамического взаимодействия вагонной тележки с изостыком используют затем в качестве исходных данных для проведения второго этапа конечно-элементного моделирования; получают в результате картину НДС в элементах изостыка и на основе полученных данных вырабатывают рекомендации по изменению или доработке конструкции изостыка, его элементов, жесткостных и других характеристик для обеспечения требуемого уровня надежности по запасу прочности и ресурсу.

Благодаря наличию данных отличительных признаков достигается следующий технический результат - повышение надежности работы изостыков ж/д пути за счет использования при отработке их конструкции математического моделирования взаимодействия изостыка с колесами вагонной тележки и получения исчерпывающих данных относительно состояния участка железнодорожного пути с изостыком, данных о статических и динамических нагрузках на него, зависимости этих нагрузок от всех значимых параметров - геометрии и жесткостных свойств накладок и подрельсового основания, температурных напряжений в рельсах, скорости экипажа, геометрических и инерционных свойств вагонных тележек, степени износа композитного изолирующего слоя накладок и смятия на концах стыкуемых рельсов; на основании этих данных выносят заключение относительно запаса прочности стального сердечника накладки и прогнозируемого ресурса изостыка в целом с учетом всего многообразия возможных вариантов сочетания размеров, механических свойств элементов изостыка и условий его эксплуатации.

Предлагаемый способ может быть использован на железнодорожном транспорте.

Суть способа поясняется структурной блок-схемой взаимодействия динамической и КЭ моделей (см. чертеж).

Способ реализуется следующим образом:

- создают КЭ модель на основе априорных исходных данных - геометрии пути и деталей изостыка, данных о жесткостных свойствах материалов, из которых изготовлены детали изостыка, жесткостных свойств подрельсового основания;

- проводят КЭ моделирование (первый этап), решая статическую задачу при разных положениях колес вагонной тележки и при вариации условий внешней среды (жесткостных свойств подрельсового основания), а также при вариации степени износа композита, что достигается в модели изменением геометрии и жесткостных свойств композитного слоя накладки; при этом определяют перемещения в разных точках изостыка и исследуемого участка пути;

- проводят анализ полученных данных и формируют облик динамической модели - определяют конфигурацию и размеры ее недеформируемых частей и определяют жесткости и пространственное положение условных пружин, соединяющих эти недеформируемые части модели;

- уточняют конфигурацию и все параметры динамической модели в ходе моделирования с ее помощью той же статической задачи, сравнивая перемещения, полученные в динамической и КЭ моделях;

- решают динамическую задачу взаимодействия вагонной тележки и участка пути с изостыком при варьировании всех значимых параметров (скорости экипажа, геометрии элементов в пределах допусков, жесткостных и диссипативных свойств этих элементов) и определяют изменение во времени перемещений и силовых факторов взаимодействия между элементами динамической модели;

- проводят повторное КЭ моделирование (второй этап), корректируя нагружение с учетом влияния динамики по данным динамического моделирования; определяют НДС элементов изостыка и делают заключение о техническом состоянии участка пути с изостыком при вариациях всех значимых параметров:

- скорости вагонной тележки;

- температурных напряжений в рельсах;

- упругих свойств подрельсового основания с имитацией выплеска балласта, сезонных изменений жесткости подрельсового основания;

- высоты ступеньки и степени смятия на концах рельсов в зоне межрельсового зазора;

- жесткостных свойств композитного слоя и степени его износа;

- делают заключение на основе обобщения полученных данных - относительно влияния на нагрузки и на запас прочности элементов изостыка всех значимых параметров;

- делают оценку прогнозируемого ресурса изостыка - для разных вариантов конструкции и с учетом разброса значений геометрических и жесткостных параметров в допусках и при разных условиях эксплуатации.