«СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ВИБРАЦИЕЙ, ПЕРЕДАВАЕМОЙ ОТ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ТОННЕЛЬ МЕТРОПОЛИТЕНА Специальность 05.22.06 – Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог Диссертация на ...»

укладывали путь, принципиально не отличающийся от наземных железных дорог. Усиление его сводилось к укладке рельсов типа 1а, сваренных в 75 м плети, шпал прямоугольного сечения лучшего качества и щебеночного балласта (диабаз, базальт). Увеличенные по площади в 1,5 раза двухребордные подкладки прикреплялись шурупами по схеме нераздельных скреплений [37].

Для сбора и отвода воды по оси тоннеля шел лоток, накрытый железобетонными плитами. Сверху укладывался щебень, толщиной под шпалой не менее 30 см.

Шпалы укладывались по эпюре 1600 шт./км на прямых и 1760 шт./км на кривых участках. От угона путь закрепляется противоугонами Шестопалова.

В кривых радиусом 300 м и менее у внутренней рельсовой нити устанавливали контррельсы.

Недостатки: путь требует частой выправки по уровню и в плане, что значительно удорожает его содержание. От разрушения щебня, от попадания в него смазки с подвижного состава и пыли балласт быстро загрязняется.

Очистка его в тоннеле является сложной, трудоемкой и дорогостоящей работой. Это подтверждает и опыт некоторых зарубежных метрополитенов.

В настоящее время путь на балласте применяют на наземных участках, в пределах стрелочных переводов, в тупиках безопасности. На открытых участках метрополитенов применяется путь на щебеночной призме с деревянными или железобетонными шпалами. При прикреплении контактного рельса в железобетонных шпалах устанавливаются дополнительные вкладыши.

На надземных эстакадных участках в качестве опытной конструкции скреплениями для ходового охранного и кронштейна контактного рельса.

Путь на балласте мало распространен в тоннелях мелкого заложения, исключение составляют только стрелочные переводы, укладываемые на метрополитене виброзащитных конструкций с таким путем крайне ограничена.

Путь на щебне уложенном на подбалластные маты (рис. 1.3.) достаточно широко применяемый на магистральных дорогах в Европе, апробирован в изготавливаются, в основном, из пористого полиуретана, которому придаются те или иные упругодемпфирующие свойства. По данным производителей это осуществляется регулируемым при изготовлении мата количеством открытых и закрытых пор в материале. Толщина мата на основных участках составляет 50 – 70 мм, а на переходных участках к жесткому пути постепенно снижается. Для защиты матов от разрушения щебнем, поверх матов размещается распределяющий слой геотекстиля или его аналогов.

Рис. 1.2. Опытная конструкция пути для открытых участков с двухблочными Рис. 1.3. Путь на щебне, уложенном на подбалластные маты По данным производителя собственная частота ВСП с подбалластными матами находится в районе 20 Гц и, следовательно, расчетная эффективность виброизоляции составляет около 6 дБ в частоте 31,5 Гц и 12 дБ в частоте Гц. Практические измерения согласно [73] подтвердили эффективность подобной системы 10 – 12 дБ на частоте 31,5, 63 Гц.

Повышение эффективности подобных конструкций связано с улучшением упругодемпфирующих свойств матов, а именно - со снижением динамической жесткости ковров и снижением демпфирования. На это направлены усилия основных производителей.

В пути на щебне, уложенном на плитном основании (рис. 1.4.) балласт располагается в балластном корыте или на плоском плитном основании, которые, в свою очередь, установлены на упругих элементах, динамически отделяющих их от конструкций сооружений.

Рис. 1.4. Путь на щебне, уложенный на плитное основание конструкций на плитном основании с путевым бетонным слоем. Это связано, в основном, с меньшей массой конструкции на балласте при равных габаритах. В остальном же - эффективность рассчитывается, как и для других плитных оснований, установленных на упругие элементы, и может составлять до 35 дБ. Как и в других подобных конструкциях, эффективность может быть повышена за счет уменьшения динамической жесткости упругих элементов.

1.2.2. Безбалластные конструкции Впервые деревянные шпалы, втопленные в бетонное основание, в Москве уложены в связи с допущенными ошибками при проходке тоннеля на невозможностью обеспечения вертикального габарита. Пришлось уменьшать толщину балласта, заменив его бетоном.

В дальнейшем (с 1937 г.) эта конструкция «путь на бетоне» стала применяться как типовая (рис. 1.5.).

Рис 1.5. Поперечный профиль пути с рельсами типа Р50 (Р65) на бетонном слое на прямом и кривом участках без возвышения наружного рельса В нижнюю часть непосредственно на обделку укладывается слой тощего бетона марки 100, а на него — путевой бетон, марки не ниже 150, в который втоплены деревянные шпалы. Верхний слой должен быть толщиной не менее 18 см (на кривых 12 см).

Посередине пути расположен водоотводный лоток шириной 900 мм.

Поверхности бетона придают уклон 0,03 в сторону водоотводного лотка.

метрополитенов (ГОСТ 22830-77). При укладке шпалы располагают широкой постелью вверх с целью использования ее поверхности для перемещения подкладок вдоль рельсов в местах разработки отверстий для шурупов.

По концам шпал устанавливают кронштейны для контактного рельса.

Проблемы, связанные с эксплуатацией пути на деревянных шпалах, многочисленны и многократно описаны, однако доступность шпал и отработанность технологий их содержания и замены по прежнему делает их самым распространенным типом пути.

Еще при строительстве первой очереди Московского метрополитена в пределах специальных платформ по санитарно-гигиеническим условиям путь укладывали на бетонном основании на шпалы-коротыши (90 см) с водоотводным лотком шириной 68 см и глубиной 45 см (рис. 1.6.).

Водоотвод с поверхности конструкции осуществляется приданием уклона ее в сторону лотка.

На трассе Фрунзенского радиуса в Москве в 1963 г. [40] был уложен опытный участок пути длиной 200 м, на котором вместо шпал применены специальные железобетонные блоки (рис. 1.7.).

Электроизоляция обеспечивалась за счет укладки двух пластмассовых прокладок (одна перфорирована отверстиями диаметром 2 мм) и пластмассовыми втулками. В дюбелях предварительно просверливались отверстия для шурупов.

Рис. 1.6. Типовая конструкция пути с рельсами типа Р50 (Р65) на бетонном слое в границах пассажирской платформы станции Рис. 1.7. Конструкция опытного участка пути со специальными В Будапеште уложен путь на железобетонных блоках размером 75 20 25 см и 100 30 25 см (рис. 1.8.). Через три коротких укладывают один длинный для крепления контактного рельса.

При изготовлении подрельсовых блоков в местах установки шурупов и шпилек устанавливают резиновые шаблоны цилиндрической формы спиральной резьбой. Их легко извлечь до схватывания бетона. Шаблоны можно использовать 100-150 раз.

Под рельсы укладывают диэлектрические прокладки (рис. 1.9. поз. слева) из полиэтилена. На резьбу шурупа напыляют диэлектрик (полимер).

Укладывается прокладка из полиэтилена, металлическая клемма, которая заплечиками упирается в подошву рельса, и шайба 3. Затяжка гайки прижимает клемму к подошве рельса.

Контактный рельс крепят к фарфоровому изолятору (рис. 1.9. поз. справа) болтами. К средней части его болтом крепится пластмассовый кронштейн 3, а к нему металлический короб 1 из листовой стали.

На Московском метрополитене на новых участках применен путь с замоноличенными в бетон обычными и удлиненными шпалами-коротышами из композиционного материала [48]. Удлиненные имеют устройство для крепления кронштейнов, контактного рельса и устанавливаются с чередованием через три обычных (рис. 1.9.).

Рис. 1.8. Элементы конструкции пути на железобетонных блоках 1.- Шпала коротыш КРД 50 с креплением кронштейна контактного рельса, 2шпала коротыш КР-50, 3- путевой бетон 4. - Рельс ходовой, 5- клеммы рельсового скрепления, 6- двузубая прокладка, 7- упругая прокладка, 8,9-регуляторы ширины колеи, 10 – клеммный болт, 11- узел крепления кронштейна контактного рельса,12 –кронштейн контактного рельса,13 – контактный рельс Рис. 1.9. Конструкция пути на шпалах-коротышах из композиционного Длина и поперечное сечение шпал-коротышей выбраны с учетом возможности их размещения в гнездах путевого бетона после изъятия деревянных шпал при ремонте пути на эксплуатируемых линиях.

Для установки коротышей перед заливкой путевого бетона используется специальная оснастка, которая обеспечивает возможность плавной регулировки положения рельсовых нитей в плане и профиле.

Конструкция обладает очень высокой проектной долговечностью и существенно снижает электрокоррозию за счет диэлектрических свойств композиционного материала.

подрельсовыми опорами:

подрельсовых блоков невозможна без разрушения основания, а для омоноличивания вновь монтируемых после ремонта блоков необходим «мокрый процесс», требующий длительных перерывов в движении поездов. В случае со шпалами из проведения этих операций;

высокие требования к качеству выполнения работ при монтаже и возможность нарушения связи опоры с путевым бетоном.

Достоинства:

простота конструкции и надежность;

отработанная технология ремонта и обслуживания;

возможность поэлементной замены в ночные «окна».

В Берлинском метрополитене рельсы укладываются прямо на бетонное армированное основание. Заанкеривают болт (4 шт.) для подкладки марки «К». Электроизоляцию осуществляют эпоксидным бетоном (кварцевый песок 0-3 мм, 1:4, 10% кварцевой муки).

Развитием этой идеи является ряд современных конструкций с подкладками, закрепленными непосредственно на бетонном основании - в частности конструкция австрийской фирмы Гетцнер (рис. 1.10.) совместно с, немецкой Фосслах и ряд других.

Недостатки – высокие горизонтальные нагрузки на замоноличенные детали, особенно в кривых, приводят к срезу закладываемых в бетон деталей или требуют использования высокопрочных элементов. Высокая жесткость пути. Достоинства – низкая стоимость изделий и их укладки в путь, простота ремонта путем создания новой опоры рядом.

Для целей шумо- и виброзащиты в безбалластных конструкциях с дискретными подрельсовыми опорами применяют упругие прокладки, располагаемые между соседствующими элементами конструкции – нашпальные (аналогичные показанным на рис. 1.10.) подрельсовые, и подшпальные (рис. 1.11.).

Рис. 1.10. Конструкция пути с подкладками, закрепленными непосредственно на бетонном основании Рис. 1.11. Конструкции пути с упругими подрельсовой и подшпальной На сегодня разработан и предложен широкий ассортимент конструкций реализующих в разные варианты размещения подрельсовых, нашпальных, или подшпальных упругих элементов. Большинство компаний, занятых их производством, выпускают полную гамму изделий и предоставляют своим клиентам возможность выбора и даже предварительного расчета эффективности, как, например, в работе [124].

Подшпальные прокладки чаще всего выглядят как упругие оболочки вокруг подрельсовых элементов (шпал или полушпалков) (рис. 1.12.), которые обеспечивают возможность демонтажа полушпалков из бетона при ремонте, ликвидируя один из присущих конструкции пути на бетоне недостатков и одновременно снижая вибрации.

В России в семидесятые-восьмидесятые годы был реализован ряд конструкций на базе деревянных шпал. Для снижения вибраций тоннельной обделки к шпалам перед бетонировкой прикреплялись снизу и с боков резиновые упругие элементы. По месту первого внедрения конструкция получила название «минская».

Однако в случае с полушпалками отсутствие непосредственных связей между двумя рельсовыми нитями ставит под вопрос неизменность ширины рельсовой колеи (важнейшее требование обеспечения безопасности движения поездов).

Рис. 1.12. Подшпальная прокладка в виде упругой оболочки для полушпалы В этом отношении надежнее и проще в эксплуататции конструкции безбалластного пути, в которых применены шпалы - двухблочные с металлической трубчатой поперечиной между бетонными полушпалами.

Последние расположены в углублениях - гнездах в бетонном основании и так же как полушпалки уложены на прокладки или одеты в резиновые галоши.

Одна из таких конструкций разработана группой специалистов при участии автора и установлена на одном из участков Московского метрополитена. Конструкция включает в себя двухблочные шпалы из композиционного материала, которые перед установкой в путь и заливкой бетоном помещают в чехол, закрывающий их с нижней, боковых и частично верхней стороны, собранный из оребренных резиновых элементов, которые призваны обеспечить виброзащитные свойства конструкции. После монтажа в путь шпала вместе с чехлом заливается путевым бетоном.

Подрельсовые и нашпальные упругие элементы ничем, кроме сниженной жесткости, не отличаются от стандартных резиновых прокладок, применяемых в типовых конструкциях верхнего строения пути. Заметным исключением стало только так называемое Кельнское яйцо – оригинальная конструкция, в которой нашпальная прокладка представляет собой эластомерный слой, залитый между двумя частями несколько развитой подкладки рельсового скрепления (рис. 1.13.).

Эффективность конструкций с подрельсовыми и подшпальными прокладками по-разному оценивается различными учеными, однако, чаще всего подобные конструкции считают эффективными в диапазоне частот выше 125 Гц. Это связано с тем, что при небольших «подрессоренных»

массах подрельсового основания, все они, по ряду причин, имеют достаточно высокую жесткость упругих элементов.

В работе [83] приведены данные измерений, проведенных на «минской» конструкции. Эффективность виброзащиты на частоте 63 Гц составила 6,5 – 7 дБ.

Рис. 1.13. Виброзащитная конструкция пути «Кельнское яйцо»

Анализ эффективности подобных зарубежных конструкций приведен в работе [124]. Согласно ей, статическая жесткость современных подрельсовых и подшпальных прокладок колеблется в диапазоне от 15 до 100 кН/мм, при этом статический прогиб рельса колеблется от 1 до 3 мм. Динамическая жесткость во всех указанных конструкциях составляет не менее 30 кН/мм и динамический прогиб значительно меньше статического. По данным фирм Гецнер и СДМ, производящих прокладки из синтетических материалов, отношение жесткости динамической к статической для выпускаемых ныне прокладок, способных нести нагрузку метрополитена, составляет около 2.

Большинство зарубежных исследователей так же сходятся в оценке эффективности этой группы виброзащитных конструкций как 5-6 дБ для низкочастотных вибраций.

В качестве путей развития большинство специалистов рассматривают снижение динамической жесткости прокладок.

В работах [8, 13, 29, 30] показано, как снижение жесткости нашпальной подкладки приводит к существенному улучшению динамики пути и снижению уровня колебаний всех элементов подрельсового основания.

Изменение статической жесткости прокладки с 42 до 34 кН/мм приводит к изменению динамической жесткости 74 до 49 кН/мм и обеспечивает снижение вибраций, регистрируемых на путевом бетоне на 5-6 Дб, а также оказывает благоприятное влияние на динамическое воздействие от рельсов на подрельсовое основание в зонах стыков.

Современные материалы дают возможность получить существенно менее жесткие прокладки, однако их внедрению мешает значительная разница между динамической и статической жесткостью и взаимовлияние горизонтальной и вертикальной жесткостей прокладок.

увеличивается затяжка клемм, прижимающих рельс, и тем самым снижается, как показано в работах [8, 13], эффективная упругость подрельсовой прокладки, поскольку она оказывается преднатянута. Кроме того, мягкая подрельсовая прокладка быстро истирается.

В случае с нашпальной прокладкой, снижение ее жесткости, как показано [29, 30], существенно ухудшает работу шурупов, в других случаях болтов. Усиление затяжки шурупов и болтов приводит к вышеописанному эффекту преднатяга с аналогичными последствиями.

В случае с подшпальной подкладкой требуется не только нижняя поддержка шпалы, но и поддержка по сторонам, обеспечивающая стабильность пути в горизонтальных направлениях, которая также повышает жесткость системы и ее демпфирование. Кроме того, значительные вертикальные перемещения шпалы вызывают существенный износ боковых поверхностей упругого чехла.

Лежневые подрельсовые опоры различных конструкций испытывались в ряде стран (Франция, ЧССР, СССР и др.).

подрельсовым основанием в виде железобетонных лежней, исключающая необходимость устройства поперечной связи между лежнями [52] (рис. 1.14.).

Смещению лежней от действия нагрузки в поперечном горизонтальном направлении оказывает сопротивление боковой упор из монолитного бетона, устраиваемый после придания рельсовой нити вместе с прикрепленными лежнями проектного положения в вертикальном и поперечном горизонтальных направлениях.

На расстоянии между осями 2500 мм расположены продольные упоры.

Для снижения динамического воздействия на упор, передний (по направлению движения поездов) торец лежня контактирует с ним через Рис. 1.14. Виброзащитный путь с лежневым железобетонным подрельсовым резиновую прокладку; задний не доходит до наклонной стенки соседнего упора на 40 мм. Это призвано создать условия для сплошной и одиночной замены лежней.

Теоретическое обоснование применения лежневой конструкции для виброзащиты дано в работе [52].

Для виброзащиты лежни, как и шпалы, снабжаются упругими прокладками, располагающимися между лежнем и лотковой частью тоннельной обделки, а также боковыми упругими элементами для снижения динамического взаимодействия лежня с упорами в горизонтальных направлениях.

Недостатком конструкции с применением упругих элементов в виде резиновых подлежневых прокладок является:

Монтаж лежней в действующем тоннеле в режиме замены пути на дискретных опорах на лежневый путь практически не возможен. Тем самым отсутствует возможность применения лежней на уже действующих линиях;

Монтаж и замена лежней требуют применения нескольких единиц техники;

Выход из строя одной подрельсовой опоры приводит к необходимости заменять весь лежень;

Упругие элементы располагаются в обводненном и недоступном для контроля месте. Замена их трудоемка;

Отсутствие поперечных связей приводит к нестабильности пути.

Достоинствами являются:

Максимальная из всех рассматриваемых конструкций заводская готовность;

Отсутствие при монтаже и замене лежней «мокрых процессов».

С точки зрения классического метода расчета эффективности виброзащиты - повышенная эффективность лежневой конструкции, по сравнению с конструкциями с одиночными подрельсовыми опорами, определяется большей массой, опирающейся на упругие элементы части ВСП.

По данным создателей лежневой конструкции, ее эффективность составляет в частоте 16 Гц и 31 Гц около 10 дБ в частоте 63 Гц 16дБ.

Однако проведенные независимые измерения вибраций на путевом бетоне показали, что эффективность лежневого пути колеблется в районе дБ для частот от 16 до 63Гц [88].

Основным путем повышения эффективности лежней является, как и в случае с одиночными рельсовыми опорами, снижение динамической жесткости подлежневых упругих элементов с одновременным решением задачи минимизации трения в боковых упругих элементах для снижения их износа и демпфирования ими колебаний лежня.

Плитные подрельсовые основания имеют большое разнообразие конструкций и применяются во многих странах. Различаются конструкции:

с монолитной армированной плитой основания со сборными железобетонными плитами основания, соединяемыми на Оба типа плит могут устанавливаться на сплошном упругом основании или дискретных упругих опорах, а также непосредственно на жесткое основание.

В случае установки на жесткое основание они мало отличаются по своим конструктивным особенностям от пути на бетонном основании с дискретными опорами, и могут лишь дополнить их и без того значительный перечень.

В конструкциях первого типа несущим элементом основания является сквозная железобетонная плита, на которую опираются отдельные подрельсовые блоки или поперечины (шпалы) с упругими подшпальными или подрельсовыми элементами. В таких конструкциях необходимо применять независимую от основной плиты регулировку положения рельсов в плане и профиле, как и в пути на бетоне. Эти конструкции могут применяться в тоннельных и наземных участках метрополитенов.

Конструкции второго типа имеют отдельные секции монолитных плит длиной 4-5 м, которые стыкуются с помощью специальных устройств, обеспечивающих стабильное относительное расположение плит в плане.

В различных странах применяют разные конструкции. В Германии, в основном, уложены конструкции системы Реда. В Японии в тоннелях и на мостах укладываются железобетонные плиты, которые после укладки скрепляются цементобетонным раствором.

Недостатки:

Высокая трудоемкость и сложность монтажа и ремонта Невозможность ремонта в ночные окна Достоинства Высокая стабильность пути Большая несущая способность Хорошее распределение нагрузок, приходящих от подвижного состава на тоннельную или мостовую конструкцию В Москве в 1978г установлены две конструкции с плитным основанием и замоноличенными в путевой бетон деревянными шпалами (рис. 1.15.).

Их параметры и результаты испытаний подробно описаны в работах [32, 33]. Секционные плиты длиною 3 м уложены на резиновые виброизоляторы. При этом одна плита имеет V образную форму и изоляторы установлены под наклонными поверхностями, вторая же имеет горизонтальное основание и удерживается в горизонтальных направлениях специальными упорами, закрепленными на лотковой части тоннеля.

виброизоляции методом введения в конструкцию упругих элементов, примененные к пути на плитном основании.

Рис. 1.15. Конструкции пути с плитным основанием на упругих опорах в Для защиты от вибраций в конструкциях с плитным основанием применяют прокладки из резины или высокоэластичного полиуретана, а также стальные пружины в конструкциях фирмы Герб (рис. 1.16.), которые располагаются в виде блоков под плитой или в колодцах, встроенных в плиту.

проиллюстрированы на рисунках фирмы Гетцнер (рис.1.4. и 1.17.).

Виброзащитный эффект плит считается наиболее значительным из всех рассмотренных, поскольку они обладают наибольшей подрессоренной массой. Кроме того, расположение упругих элементов под жесткой плитой позволяет не беспокоиться об уширении колеи и снижать жесткость вплоть до ограничений. Значительные размеры виброизоляторов позволяют делать их достаточно жесткими в горизонтальной плоскости, чтобы избежать в некоторых случаях боковых упоров с присущим им износом и демпфированием.

Рис. 1.16. Виброзащитная конструкция фирмы Герб с пружинными виброизоляторами установленными в колодцах Рис. 1.17. Варианты установки плит на упругие основания Эффективность плит весьма высока, поскольку их собственная частота колеблется от 4 Гц (в случае плит завешенных на стальных пружинах в конструкции фирмы Герб) примерно до 12 – 15Гц в случае с эластомерными эффективности возникает как раз из-за разницы в статической и динамической жесткости у эластомерных амортизаторов.

Сравнительный анализ этих конструкций, проведенный лабораторией Мюнхенского технического университета ([126] –, показал, что наиболее эффективными являются системы с винтовыми стальными пружинами.

Причем, разница в эффективности составляет от 5 до 15 дБ во всем значимом для нас диапазоне частот.

Эффективность же конструкции с винтовыми пружинами фирмы Герб оценивается производителем как 40 ДБ по сравнению с типовым путем на бетоне.

По оценке фирмы Гетцнер эффективность созданной ими плиты на дискретных опорах в виде ковров составила 10 – 20 дБ.

проектировании строительстве и эксплуатации метрополитена СП23-105признает плитные конструкции единственно эффективными из сооружений внутри тоннельной обделки и оценивает их эффективность как 20 -40 дБ в диапазоне частот 16 – 63 Гц.

пружинных опорах по методикам, заложенным в ВСН 211 – 91 [23], составляет 20 – 30 дБ при допустимом прогибе рельса в 5 мм.

Рассчитанный по любой из этих методик эффект в диапазоне частоты Гц является отрицательным примерно на 2-6 дБ. Однако в практическом измерении этого не наблюдается. Это явление не находит объяснения, что, скорее всего, означает неполную адекватность - как и в случае с увеличенной происходящим процессам.

Виброзащитный эффект плитных конструкций является наиболее значительным из достигнутых на сегодня, однако, и затраты на сооружение и обслуживание этого пути существенно выше, чем для всех остальных вариантов. По данным различных источников – отечественных [33] и [125] увеличивается в 2 – 5 раз. Плюс стоимость текущего содержания, также увеличивающаяся не менее чем в 2 раза.

Широкое распространение на зарубежных железных дорогах получили конструкции безбалластного пути из монолитного железобетона с непрерывно опертым рельсом. Это так называемый путь типа РАСТ, представляющий собой сварные рельсовые плети с безподкладочным скреплением «Пэндрол», уложенные на непрерывную железобетонную плиту. В подрельсовых зонах размещены непрерывные эластичные ленты (толщиной 10 мм), снижающие жесткость пути. Поверхность плиты спрофилирована для обеспечения водоотвода. Ее размеры (ширина 2,2-2,5 м, толщина 0,15-0,25 м) и процент армирования (от 0,5 до 1%) назначаются в зависимости от осевых нагрузок (20-30 тонн/ось), скоростей движения (100км/ч), а также от прочности подплитного основания, плана пути и климатических условий.

Подробное описание подобных конструкций и их свойств приводится в работе [123].

На рис. 1.18. изображена одна из последних технических идей подобного типа со специальным рельсом.

Недостатки:

Серьезным затруднением при сооружении таких конструкций является обеспечение необходимой точности установки рельсов при их монтаже и ремонтах. Кроме того, демонтаж рельса вызывает большие затруднения и требует специального оборудования.

Преимущества:

равная жесткость рельса по всей протяженности, позволяющая Виброзащитный путь с непрерывно опертым рельсом известен достаточно давно, но последнее время получил широкое развитие, в основном, в связи с созданием новых конструкций пути для трамваев.

Эффективность.

Виброзащитный эффект такой конструкции пути является предметом отдельного анализа, проведенного в статье [123]. Собственная частота этой системы достаточно высока и в интересующем нас диапазоне частот эффект не значителен. Однако, возможности существенного улучшения динамики пути за счет повышения равномерности его жесткости делают этот путь достаточно перспективным с точки зрения уменьшения генерируемых составом вибраций.

1.3. Выводы. Постановка задачи исследования метрополитена и в большинстве своем соответствуют его требованиям для типовых участков пути. Однако эффективность виброзащитных конструкций и их эксплуатационные характеристики не удовлетворяют сегодня потребности метрополитена.

Многочисленные измерения, произведенные специалистами в различных странах, позволили точно определить те превышения вибраций, которые существуют на метрополитенах и ликвидация которых и является главной задачей данной работы.

Среди других задач диссертационной работы:

1. Систематизировать особые условия эксплуатации характерные для метрополитена.

2. Классифицировать возможные теоретически варианты виброзащиты.

3. Обосновать технические требования к конструкции ВСП с точки метрополитена.

4. Разработать методологию проектирования рельсового пути малой жесткости на основе теории базирования.

5. Разработать методы расчета эффективности виброзащиты обеспечиваемой конструкцией ВСП нового типа.

6. Экспериментально подтвердить справедливость разработанных виброзащитной конструкции пути метрополитена.

2. Классификация виброзащитных конструкций ВСП и определение оптимальных параметров виброзащитной конструкции виброзащитных конструкций пути метрополитена показывает, что их можно свести к двум основным способам:

1. Виброгашения: снижения вибраций возникающих при взаимодействии пути и подвижного состава за счет снижения жесткости подрельсовых опор;

2. Виброизоляции: уменьшения вибраций передаваемых от рельса на лотковую часть тоннеля путем снижения передаточной функции подрельсового основания за счет антирезонанса, то есть использования эффекта того, что генерируемые поездом возбуждающие колебания, частоты которых больше чем собственная частота верхнего строения пути, располагающегося между источником – линией взаимодействия колесо-рельс и лотковой частью тоннеля, не способны вынудить верхнее строение пути к значительным колебаниям, и оно не раскачавшись, само не раскачает и лотковую часть тоннеля и тоннельную обделку.

Поскольку на величину собственной частоты колебательной системы с одной степенью свободы, в виде которой чаще всего моделируют верхнее строение пути, влияют всего два параметра - масса подрельсового основания и жесткость упругих элементов (УЭ) которые отделяют его от тоннеля - то на их рациональное изменение как видно из Главы 1 и были направлены все усилия ученых и конструкторов. Эти условия очевидно вытекают из формулы определения эффективности системы виброзащиты, как системы с одной степенью свободы:

где N – Коэффициент виброизоляции;

F – Частота вынужденных колебаний рельса;

где С - динамическая жесткость УЭ, на которых подвешено ВСП.

М - масса частей ВСП расположенных над УЭ.

При такой модели наиболее эффективными должны быть массивные плитные конструкции, что, в принципе, подтверждается и практическими измерениями. Однако эффективность виброзащитных конструкций на практике существенно расходится с рассчитанной таким образом. Например, описанное выше скрепление PANDROL VANGUARD, удерживает рельс за шейку и исключает из колебаний даже массу подкладок, а не то, что шпал, допускает перемещение рельса не более 4,5 мм и обеспечивает при этом большее снижение вибрации, чем лежни, и даже некоторые плиты, которые и тяжелее VANGUARD, и перемещение допускают большее.

Это один из примеров показывающих, что увеличение массы подрессоренной части подрельсового основания является не единственным путем совершенствования виброзащитных конструкций ВСП, и на сегодня активно развиваются альтернативные ему направления. Обозначилась и потребность в более точном моделировании ВСП для обеспечения соответствия расчетной эффективности виброзащиты с реально получаемой, долгосрочными проектами. Если же в результате не достигается расчетный эффект, то зачастую это не только не улучшает, но и усугубляет положение защищаемого от вибраций объекта. Неточности расчетов по отношению к реально получаемым результатам скорее всего, являются следствием того, что в расчетах системы рассматриваются как линейные и упругие. Между тем, движение элементов ВСП лишено определенных направляющих, а эластомерные упругие элементы в большинстве своем не линейны.

метрополитена показывает, так же, что оптимального разрешения противоречия - или высокая эффективность или удобство в сооружении и эксплуатации - на сегодня не существует. Всякий раз происходит поиск компромисса. Например, плитные конструкции, обладая высокой эффективностью виброзащиты, представляют значительные сложности в эксплуатации: замена упругих элементов во многих из них и вовсе не предусмотрена, а в других - требует долговременной остановки движения. В подрельсовые же или нашпальные прокладки заменяются легко и удобно, но вот эффективность их существенно ниже, особенно в расчетах.

Обозначенные выше два способа виброзащиты являются альтернативными, и реализация в конструкции одного из них является требованием к ВСП с точки зрения виброзащиты. Для высокой эффективности виброзащиты необходимо максимальное выполнение как минимум одного из двух условий:

1. Снижение динамической жесткости пути для виброгашения;

2. Увеличение массы подрельсового основания и снижение динамической жесткости подвешивания подрельсового основания для создания виброизолирующего эффекта.

В дальнейшем они будут обозначаться как Требования виброзащиты.

метрополитене диктуют ряд требований, противоречащих вышеизложенным требованиям виброзащиты, или затрудняющих их выполнение.

Перечислим эти эксплуатационные особенности с прямым указанием возникающих противоречий:

1. Обводненность тоннеля, загрязненность лотковой части тоннельной обделки и низкая освещенность тоннеля требуют расположения обслуживаемых узлов в верхней, освещенной части конструкции ВСП;

2. Необходимость быстрого восстановления движения при возникновении неисправностей требует легкодоступности всех элементов конструкции;

3. Условия безопасности требуют сооружения на станционных путях широкого водоотводного лотка 900 мм;

4. Применение безбалластного пути увеличивает эффект обратной волны рельса, которая стремится поднять рельс вверх и противодействие которой требует учета при проектировании ВСП;

5. Ограничение прогиба рельса пятью миллиметрами лимитирует вертикальную жесткость подрельсового основания;

6. Высокие тяговые напряжения и токи, в случае их утечек на тоннельную обделку, вызывают электрокоррозию металлических элементов пути и тоннельной обделки и требуют эффективной электроизоляции рельсов;

7. Высокая интенсивность движения обуславливает ускоренный износ всех элементов ВСП и повышает требования к их долговечности;

8. Осуществление текущего содержания и ремонтов в короткие ночные «окна» существенно повышают стоимость эксплуатации, что, в свою очередь, требует максимальной надежности и долговечности конструкций;

9. Короткие ночные «окна» в движении поездов:

Требуют поэтапной и высокопроизводительной технологии при монтаже и эксплуатации конструкций ВСП;

Затрудняют переброску на ремонтируемый участок средств механизации и тяжелого инструмента, что требует конструкций пути, эксплуатируемых и ремонтируемых вручную с минимальным набором инструмента.

Продиктованные особенностями эксплуатации требования в дальнейшем называются эксплуатационными требованиями.

Возникающие технические противоречия между требованиями виброзащиты и эксплуатационными требованиями могут быть кратко сформулированы следующим образом.

Конструкция, или часть конструкции ВСП подвешенная в тоннеле на УЭ должна быть массивной, но при этом:

массивность конструкции, достигаемая наращиванием объема упруго подвешенной части (поскольку сверхтяжелые материалы дороги и подвержены высокой коррозии), не должна мешать устройству на станции широкого лотка безопасности;

конструкции не смотря на свой объем не должна закрывать собой упругие элементы, которые должны быть доступны для замены и контроля;

будучи массивной, конструкция должна при этом монтироваться и демонтироваться без малой механизации.

Динамическая жесткость ВСП по вертикали должна быть минимальной с учетом ограничения в 5 мм, но при этом:

упруго подвешенные элементы ВСП, свободно перемещаясь по вертикали должны быть ограничены в перемещениях вдоль горизонтальных осей, то есть - перемещаться по каким-то направляющим, обеспечивающим ширину колеи и ее расположение относительно тоннеля;

эти большие перемещения, к тому же осуществляемые с высокой интенсивностью (до 4 000 000 раз в год), не должны приводить к износу направляющих, по которым перемещаются подвешенные элементы ВСП.

Таким образом, сформулированы противоречия, разрешение которых позволит создать конструкцию ВСП - максимально эффективную и с точки зрения виброзащиты, и с точки зрения эксплуатации.

Требования виброзащиты и эксплуатационные требования в большинстве являются противоречивыми - улучшение одного ухудшает другое. Для точной постановки научной задачи и выявления основных технических противоречий в работе проведена полная классификация вариантов виброзащитных конструкций пути (рис. 2.1.).

Выбор в работе проведен по каждому классификационному параметру:

Выбор расположения упругого элемента (УЭ). В первую очередь, расположение виброизоляторов определяется п. 1, 2 эксплуатационных требований. Исходя из них, упругий элемент или часть конструкции, обеспечивающая доступ к нему, должны располагаться над шпалой рядом с рельсом, с наружной стороны колеи, чтобы обеспечить удобство наблюдения и замены.

Рис. 2.1. Классификация виброзащитных конструкций верхнего строения Выбор типа УЭ. Выбранное расположение УЭ, а также требования п. и 9, диктуют и его тип. С точки зрения удобства расположения и замены без механизации наиболее приемлемым является дискретный упругий элемент.

Такие элементы разрабатывались для различных областей техники достаточно давно и потому обладают наиболее прогнозируемыми свойствами в области соотношения статической жесткости к динамической, упругости и демпфирования, линейности и нелинейности характеристик.

Выбор материала УЭ. Противоречие между лимитом вертикального перемещения рельса 5 мм и необходимостью снижать динамическую жесткость приводит к необходимости выбирать материал, у которого динамическая жесткость меньше или равна статической. Такими УЭ с равными динамическими и статическими жесткостями являются металлические и пневматические пружины (в диапазоне частот от 5 до Гц). Эластомерные пружины имеют динамическую жесткость в 1,1….1,2 раза выше статической. Отечественные эластомерные (резиновые) листовые УЭ имеют это соотношение равным 2,5…3. Эластомерные зарубежные листовые материалы позволяют снизить это соотношение, но лишь до 1,5…1,6.

Бескомпромиссным выбором являются стальные или пневматические пружины, однако с учетом требований п. 6, 7 и 8, не следует исключать из рассмотрения эластомерные пружины как более надежные, хотя и несколько менее эффективные.

Выбор линейности. Нелинейные упругие элементы, выполняемые из металла - путем навивки конических пружин или создания многопружинных схем; или полимеров - путем придания им различных форм и сочетанием сталь-полимер позволяют виброизоляторам одинаково эффективно работать при различных подрессоренных массах, и в условиях жестких ограничений по смещениям изолируемых элементов по одной из координат или перекосам. Для метрополитена, где заполнение вагона меняет нагрузку на рельс в два раза, а прогиб рельса лимитирован п. 5, такие УЭ являются перспективными, однако сегодня их высокая цена и низкая надежность заставляют отдавать предпочтение линейным УЭ.

Выбор деформации массива УЭ или отдельных его элементов.

Освещен в разделе «Выбор материала», с которым он тесно связан.

Выбор соотношения упругих и демпфирующих свойств. Зависимости эффективности виброизоляции от величины демпфирования, приводимые в различных работах, показывают, что, не изменяя части спектра частот, где виброзащитная конструкция эффективна, демпфирование снижает эту эффективность. С этой точки зрения выбор следует делать в пользу демпфирование играет не столь однозначную роль, оберегая систему от резонансных явлений, и возможность его увеличения в упругом элементе целесообразно предусмотреть.

Выбор массы основания. Требование увеличения массы подрельсового основания, располагающейся над УЭ, основано на рассмотрении виброизолирующего подрельсового основания как системы с одной степенью свободы, подвергающейся воздействию генерируемой вовне вибрации широкого спектра частот. В этом взгляде есть два допущения, которые необходимо уточнить.

Во-первых, вибрация генерируется, в основном, в контакте рельсколесо и ВСП играет в ее генерации важнейшую роль. Снижая жесткость ВСП только за счет упругих элементов, располагаемых под массивным подрельсовым основанием, необходимо делать жесткими все другие стыки элементов ВСП, где традиционно располагались упругие элементы. Это приводит к ухудшению динамики взаимодействия рельс-колесо и к усилению генерации вибраций.

Во-вторых, при выделении ВСП в отдельный узел, подверженный внешним воздействиям, не учитывается масса неподрессоренных частей вагона, которая также присоединена к рельсу и участвует в колебаниях вместе с ВСП, составляя примерно 1/3 от массы подвижного состава. Таким образом, вместе с рельсом колеблется масса, составляющая около 1 т/м пути.

В зоне, где генерируются основные колебания - близкорасположенные тележки соседних вагонов, эта цифра увеличивается до 1,33 т/м пути. С учетом этого менее значительными выглядят добавляемые, например, лежнем 0, 5 т/ на метр пути.

Масса плитных оснований колеблется от 1 до 3 т/метр пути. Это влияние значительно даже при учете вышеприведенных уточнений.

Плитные основания не соответствуют многим эксплуатационным требованиям и их применение конструктивно сложно увязать с выбранным ранее оптимальным расположением УЭ в зоне рельса.

Предпочтение массивному основанию следует отдавать только в случаях, когда эффективности, достигаемой другими средствами, недостаточно. В остальных случаях легкие подрельсовые основания предпочтительней по эксплуатационным критериям.

Выбор количества ступеней виброзащиты. В случае разделения допустимого перемещения 5 мм на несколько стыков взаимные перемещения частей ВСП будут происходить в нескольких слоях и в каждом из них будут изнашиваться трущиеся детали что противоречит требованиям по надежности и долговечности. Потому одноступенчатая система выглядит предпочтительной.

Выбранные конструктивные параметры, носят качественный характер, виброзащитной конструкции ВСП.

Для определения оптимальных жесткостных параметров конструкции ВСП в работе анализируются положительные и отрицательные последствия их изменений.

При снижении вертикальной жесткости пути отмечается снижение собственной частоты ВСП и, как следствие, повышение эффективности виброизоляции; снижение ударного воздействия рельса на шпалу и, как следствие, на остальные части пути и тоннеля; снижение разницы в жесткости пути на шпалах и между ними и, как следствие, рост эффекта виброгашения; снижения напряжений в рельсе и нагрузки на каждую шпалу.

Последствия отрицательного характера зафиксированы только в конструкциях ВСП, где вертикальная жесткость напрямую связана с горизонтальной. Именно этим, а не снижением вертикальной жесткости определяется отрицательный эффект.

Таким образом, вертикальная жесткость является не оптимизируемым параметром, поскольку с ее уменьшением все показатели улучшаются, а параметром, регламентируемым эксплуатационными требованиями.

Определение нагрузок, действующих на опору, и величины требуемой вертикальной жесткости опоры для обеспечения прогиба рельса 5 мм проведено по созданной расчетной схеме верхнего строения пути с подрельсовыми опорами низкой жесткости методом конечных элементов.

Рельс рассмотрен как балка на линейно упругих дискретных опорах.

Поездная нагрузка принята -15 т/ось по схеме нагрузки от вагона метрополитена.

Расчет дал следующие результаты для рельса Р50:

Статическая жесткость подрельсовой опоры 4000 кН/мм;

Статическая нагрузка, действующая на опору 20000 кН.

Характер распределения нагрузок и прогиба рельса показан на рис. 2.2.

Из графика видно, что при снижении жесткости подрельсовых опор увеличивается число опор, на которые распределяется нагрузка – если в типовом пути это чаще всего 3 опоры, то в этом случае нагрузка распределена на 6 шпал.

При снижении горизонтальной жесткости опоры в продольном и поперечном направлениях происходит уширение колеи и изменение подуклонки рельса; возникают дополнительные напряжения в рельсе;

происходит угон рельса. Все это ухудшает качество пути, однако в то же Рис. 2.2. Кривые прогиба рельса и распределения нагрузки время снижается нагрузка на каждую шпалу за счет ее распределения между большим количеством шпал, что повышает долговечность шпал.

В работах Н.Д. Кравченко приводится расчет оптимальной жесткости скрепления для метрополитена в горизонтальном направлении, которая рекомендована - 25 кН/мм при нагрузках в 20 – 40 кН.

Поскольку условия работы рельса в пути со скреплениями низкой вертикальной жесткости существенно отличаются от условий в типовом пути был осуществлен расчет напряжений в рельсе который проводился по созданной расчетной схеме методом конечных элементов и дал результат 65,6 МПа, что существенно ниже допустимого напряжения в подошве рельса.

Дополнительная серия оценочных расчетов показала, что напряжения несколько снижаются по мере снижения в расчете вертикальной жесткости подрельсовых опор.

На основании проведенных исследований и расчетов в работе создан одноступенчатая, с нелинейным УЭ, расположенным рядом с рельсом с наружной стороны колеи, выполненным в виде стальной или полимерной пружины с возможностью добавления демпфера.

Жесткость скрепления в вертикальном направлении 4 кН/мм при использовании рельса Р-50. В горизонтальном поперечном направлении жесткость скрепления - 25 кН/мм, с возможностью увеличения. В продольном направлении усилие сдвига рельса должно составлять 0,6 кН, как в типовых клем клеммных скреплениях.

3. Теоретические исследования возможностей реализации и прогнозируемой эффективности оптимальной виброзащитной конструкции В этой главе проведено научное обоснование возможности создания конструкции с оптимальными параметрами и проведен прогнозный расчет эффективности этой конструкции. Составлена математическая модель отражающая взаимодействие пути и подвижного состава с учетом новой конструкции ВСП и рассчитаны величины виброускорений возникающих при прохождении состава и передаваемых новым ВСП от рельса на основание тоннеля.

Технические противоречия мешающие реализации оптимальной конструкции ВСП могут быть сформулированы следующим образом.

Снижение вертикальной жесткости во всех конструкциях ВСП приводит к снижению горизонтальной жесткости, что является недопустимым. В оптимальной конструкции подвешенные элементы ВСП, должны свободно перемещаться на 5 мм по вертикали и при этом, должны быть ограничены в перемещениях вдоль горизонтальных осей, то есть перемещаться по каким- то направляющим, обеспечивающим ширину колеи и ее расположение относительно тоннеля. Эти большие перемещения, к тому же осуществляемые с высокой интенсивностью (до 4 000 000 раз в год), не должны приводить к износу направляющих, по которым перемещаются элементы ВСП.

С целью решения противоречий, в работе проведен структурный анализ ВСП для обеспечения возможности приложения к задаче теории базирования разработанной и широко применяемой в других областях техники.

противоречий необходимо отойти от конкретных конструктивных решений и рассмотреть ВСП в самом общем виде и с минимальным применением специальных терминов. Это позволит не оказаться в плену у известных конструкций и не копировать их недостатки.

В общем случае в состав конструкции пути входят следующие элементы:

1. рельс;

2. рельсовое скрепление обеспечивает прикрепление рельса к нагрузку на большую чем подошва рельса площадь;

3. распределяющий элемент (РЭ) (шпала, лежень, рама, и т.д.) обеспечивает установку скрепления и распределение нагрузки от рельсов на основание;

4. дополнительный распределяющий элемент (ДРЭ) (путевой бетон, или балласт) - обеспечивает установку шпал и дополнительное распределение нагрузки от шпалы на основание. Частично компенсирует неточности в изготовлении, сборке и установке элементов;

5. основание пути (лотковая часть тоннеля, мостовое полотно эстакады и т.д.) - воспринимает нагрузку от распределяющих элементов и передает ее на сооружения;

6. сооружения (тоннели, эстакады) - передают нагрузку от основания пути на грунты;

вышеперечисленных элементов и снижают ударные воздействия в их стыках, а также вибрации и шум. Частично компенсируют неточности в изготовлении, сборке и установке элементов.

Каждый элемент ВСП, как и любой предмет в нашем мире, изначально обладает шестью степенями свободы – он может вращаться вокруг трех взаимно перпендикулярных осей и перемещаться вдоль них. Если он не делает этого в момент, когда мы за ним наблюдаем, значит что -то в окружающей среде лишает его этой свободы – всех степеней или некоторых.

Процесс лишения тела степеней свободы называется базированием.

Соответственно, те поверхности, или сочетания поверхностей, которые используются для базирования, называют базами. Выделяют установочную базу – лишает тело 3х степеней свободы - одного перемещения и двух вращений, направляющую базу – лишает тело одного перемещения и одного вращения и опорную базу – лишает одного перемещения. Кроме того применяются двойная направляющая база – лишает тело двух перемещений и двух вращений и двойная опорная – лимитирующая два перемещения.

Комплект баз - это совокупность баз, однозначно определяющая положение тела в пространстве.

Рассматривая с этой точки зрения ВСП отметим, что все элементы имеют нижнюю поверхность в качестве установочной базы в частности:

Рельс забазирован, удерживаясь:

от вертикального перемещения и поворота вокруг горизонтальных осей опиранием подошвы на подкладку скрепления или непосредственно на подрельсовую площадку распределяющего элемента. Это его установочная база;

от смещения в горизонтальном направлении, перпендикулярном оси рельса, и от поворота вокруг вертикальной оси - упором в реборды скрепления или распределяющего элемента. Это направляющая база;

от перемещения вдоль своей оси - силой трения в скреплении или в специальных противоугонах, опирающихся на боковые поверхности распределяющего элемента. Это опорная база.

Подкладка, являющаяся базирующей частью скрепления, удерживается:

от вертикального перемещения и от поворотов вокруг горизонтальных осей - опиранием на шпалу или основание;

от сдвига в горизонтальных плоскостях двойной опорной базой реализованной отверстием в подкладке и одним из шурупов либо болтом.

Существует так же вариант направляющей базы реализованной одним отверстием и специальным выступом на РЭ или основании.

от поворота вокруг вертикальной оси опорной базой реализованной другими отверстием – шурупом. Это наиболее сложный случай: в настоящее время все чаще применяются бесподкладочные скрепления, в которых реборды и места установки крепежных деталей выполнены на распределяющем элементе или на основании;

Распределяющий элемент устанавливается на свою нижнюю плоскость и удерживается:

от вертикального перемещения и от поворотов вокруг горизонтальных осей - опиранием на дополнительный распределяющий элемент или на основание - установочная база;

от перемещения в горизонтальной плоскости по направлению вдоль оси пути и от проворота вокруг вертикальной оси - опиранием длинной боковой плоскости в дополнительный распределяющий элемент (балласт или путевой бетон). Для лежней и рам иногда выполняют специальные упоры на основании, но это не меняет сути дела. Это направляющая база;

от перемещения перпендикулярного оси пути - трением и (или) опиранием торцом в дополнительный распределяющий элемент, либо в основание.

Такое базирование схематично отражено на рис. 3. Рис 3.1. Схема базирования элементов конструкции ВСП конструкции верхнего строения пути.

Такое базирование является традиционным и все элементы ВСП имеют форму, приспособленную именно для такого базирования. Качество базирования определяет стабильность положения базируемого элемента в пространстве.

Разумеется, базы только в теории являются абсолютно жесткими.

Поскольку именно те поверхности элементов ВСП, которыми они стыкуются друг с другом, являются базовыми (а именно в стыках конструкции располагают УЭ), то для оценки качества базирования необходимо рассмотреть поведение элементов при снижении жесткости баз.

Наиболее значительного снижения жесткости баз, в основном в вертикальном направлении, требует функция защиты окружающей среды от вибраций, генерируемых подвижным составом. Именно вертикальное перемещение мы будем считать полезным эффектом и с этой позиции рассмотрим последствия снижения жесткости баз.

расположения упругих элементов в стыках между элементами. Вместо жестких опор появляются пружины. Это приводит к двум последствиям:

перемещении по вертикали и поворотах вокруг горизонтальных осей, при преобразовании базовых опор в упругие, предоставит ему свободу перемещения сразу по трем координатам. Полезным является вертикальное перемещение, а поворот вокруг горизонтальной оси, горизонтальной жесткости и приводит к нарушению геометрии и стабильности;

направляющая база выражена двумя точками. При снижении жесткости установочной базы элемента и начале перемещения элемента на 5 мм под нагрузкой, одновременно возникает скольжение этого элемента по направляющей базе, что приводит к износу элемента или базовых стабильности пути.

Особенно явно последствия первого типа проявляются при снижении жесткости баз рельса или малоразмерных РЭ (шпалы, полушалки), поскольку малые расстояния между базовыми опорами приводят к большим углам вредных поворотов.

Последствия второго типа более опасны в случаях введения упругих элементов под массивные части: такие, как крупноразмерные РЭ (лежни рамы) или основания (плиты), поскольку большая масса элементов создает высокие контактные напряжения на базовых поверхностях направляющей базы, тем самым увеличивая силу трения и, как следствие, износ.

Борьба конструкторов с первым из названных последствий ведется давно. В основном, она была сконцентрирована в зоне стыка рельса с РЭ и привела в конце 90-х годов к созданию упругих подрельсовых прокладок с несимметричными по направлениям свойствами, которые позволяют повысить горизонтальную жесткость, не увеличивая вертикальной.

Иллюстрация подобных решений на рис. 3.2.

Принцип их действия построен на том, что при сжатии подкладки от поворота рельса под воздействием боковой силы происходит ее деформация до того предела, где она становиться существенно жестче - и тем самым предотвращает дальнейший поворот рельса. Аналогичными работами занимались и в России [29, 30].

Однако, широкого распространения эти конструкции не получили ввиду дороговизны прокладок при малости эффекта. Как видно из схемы, жесткость прокладки существенно возрастает не только при дополнительной нагрузке, но и при затяжке клеммных болтов, затем плавно растет в рабочем диапазоне обеспечивая рабочий ход под нагрузкой – лишь 1 мм.

Рис. 3.2. Графики испытаний упругих подрельсовых прокладок с несимметричными по направлениям свойствами Принципиально новым решением той же задачи стало скрепление VANGUARD фирмы Pаndrol, специализирующейся на рельсовых скреплениях рис 3.3.

Это скрепление оригинальной конструкции, в котором рельс зажат за шейку, а не за подошву, под поездной нагрузкой метрополитена позволяет рельсу перемещаться по вертикали до 4.5 мм, а по горизонтали до 0,5 мм.

При этом снижение виброускорений на тоннельной обделке достигло по данным производителя 10 – 20 дБ в диапазоне частот от 8 до 63 дБ.

Столь высокие результаты обнадеживают, наглядно показывая, что снижение жесткости подрельсовых опор является эффективным средством уменьшения вибраций, не развивавшимся долгое время в силу сложности решения указанных выше технических противоречий.

Задавшись целью существенно снизить вертикальную жесткость скрепления, конструкторы были вынуждены отказаться от традиционной схемы базирования, которая, как мы показали выше, этого сделать не позволяет. Результатом стала новая схема базирования рельса, в которой:

установочной базой, удерживающей рельс от горизонтального перемещения поперек оси пути, поворота вокруг горизонтальной оси рельса и поворота вокруг вертикальной оси, является щека скрепления, к которой шейка рельса, являющаяся его опорной базой вместо традиционной подошвы, прижата другой аналогичной щекой с противоположной стороны. Обе щеки прилегают к шейке через упругие элементы;

направляющая база выражена в виде верхней поверхности щеки, на которую через упругий элемент (жесткость которого отлична от жесткости упругих элементов на установочной базе) опирается головка рельса. Эта база удерживает рельс от перемещения по вертикали и поворота вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной оси рельса. Именно ее жесткость и снижается для обеспечения виброзащитных свойств, при этом сопутствующее снижение жесткости, препятствующей повороту рельса, компенсируется тем, что этому же повороту препятствуют и два соседних скрепления. Таким образом, в этом скреплении снижен до минимума первый отрицательный эффект предыдущей схемы базирования.

В конструкции Pаndrol предпринята также попытка снизить влияние и второго отрицательного последствия. Поскольку щеки, вдоль которых рельс перемещается по вертикали, сжимают его через упругие элементы, то и перемещение рельса относительно щек сопровождается не трением, а деформацией упругого элемента. Однако для этого упругий элемент должен иметь невысокую жесткость в вертикальном направлении при высокой жесткости в горизонтальном направлении (ибо именно эта жесткость обеспечивает стабильность ширины колеи). При эластомерном упругом элементе, примененном в данной конструкции, такие требования реализуемы не проще, чем в нелинейных подрельсовых прокладках, о которых шла речь выше. Однако, даже с учетом того, что частично рельс все-таки трется по упругим элементам щек, применение такой конструкции позволило снизить вертикальную жесткость крепления рельса примерно в 10 раз, избежав при этом ряда существенных отрицательных последствий.

Похожее базирование применяется в конструкциях с непрерывно опертым рельсом, где функцию установочной базы, ограничивающей поворот рельса вокруг горизонтальной оси, параллельной оси рельса, смещение вдоль горизонтальной оси, перпендикулярной рельсу, и проворот вокруг вертикальной оси берет на себя разного рода заполнитель паза, в котором расположен рельс [135]. Заполнитель - это чаще всего эластомерные жгуты, зажатые между стенками паза и шейкой рельса. Таким образом, установочной базой снова является шейка рельса, однако направляющей остается его подошва, а опорная (ограничивающая продольное перемещение рельса) - выражена трением у шейки. В РЭ этим базам соответствуют стенки паза, удерживающие жгут и дающие установочную базу, а также дно паза, дающее нижнюю направляющую базу.

В конструкциях с плитными основаниями на упругих элементах, для которых, как отмечено выше, последствия второго типа крайне нежелательны, проблема износа направляющих баз чаще всего решается конструкторами путем подвешивания основания на дискретных упругих элементах, имеющих значительную горизонтальную жесткость и связанных с сооружением - с одной стороны, и с плитным основанием - с другой. В этом случае сама схема базирования аналогична базированию традиционного основания пути, но при этом и установочные, и направляющие, и опорная базы взаимодействуют только с концами упругих элементов, а плита свободна в своих перемещениях. Это одно из важнейших преимуществ подобных конструкций. Однако, первый из вышеописанных недостатков, связанный со снижением жесткости в опорах установочной базы и приводящий к непредсказуемым и неуместным в тесном тоннельном габарите поворотам вокруг продольной горизонтальной оси одновременно со смещением по вертикали, лимитирует снижение вертикальной жесткости упругих элементов и для данного типа конструкций.

Несколько иным способом решается проблема износа направляющих баз некоторыми разработчиками, снижающими в целях виброзащиты жесткость базирования распределительного элемента. В ряде случаев, например в конструкции лежней [4], направляющая и опорная базы, которыми являются боковые стенки лежня и соответствующие им стенки ниши в основании, выполнены таким образом, что при вертикальном перемещении РЭ в стыках этих баз возникает зазор и трение отсутствует.

Однако, этот эффект достигается редко и, в основном, теоретически. На практике значительные силы, действующие на распределительный элемент во всех направлениях, не могут быть скомпенсированы только трением в подошве РЭ. Они сдвигают РЭ до контакта между базовыми поверхностями РЭ и основания - и трение возобновляется.

Как видно, ни основная схема базирования, ни ряд ее улучшений не позволяют размещать в стыках элементов конструкции ВСП УЭ низкой жесткости таким образом, чтобы это не приводило к значительному изменению условий, точности или долговечности базирования по другим координатам – в худшую сторону. Это обстоятельство привело к тому, что большинство разработчиков отказались от идеи снижения жесткости УЭ.

И это несмотря на то, что еще в книге [121] отмечено, что «…пружинность скреплений, особенно на пути с жестким основанием (а уж в метрополитене основание крайне жесткое (Прим. авт.), чрезвычайно необходима для того, чтобы упруго перерабатывать вертикальные и горизонтальные поперечные ударные и динамические воздействия колес на рельсы, гасить высокочастотные вибрации ….». Далее автор книги делает вывод, что «…важно создавать упругость пути в самых верхних его элементах…». Задача эта не потеряла актуальности, но пока не приобрела решения. И мешает этому, как мы выяснили, схема базирования, применяемая ныне в конструкциях ВСП. Именно на ней и стоит сосредоточить внимание.

Поскольку основным условием искомого базирования является независимость перемещения в вертикальном направлении от других перемещений, то вертикальное перемещение в новой схеме должно быть ограничено отдельной опорной базой.

Для снижения износа в направляющей базе необходимо уменьшить взаимное перемещение элемента и базирующей поверхности. Уменьшение перемещений в механических системах осуществляется использованием рычага одноплечего или двуплечего. Ось поворота рычага должна в этом случае стать одной из баз элемента ВСП. Ось в качестве базы согласно теории базирования реализуется в виде двойной направляющей базы лишающей тело четырех степеней свободы.

Согласно правилам базирования первоначально вводится база лишающая тело максимального количества степеней свободы. При сформулированной необходимости забазировать ось шарнира - это двойная горизонтальной оси, перпендикулярной оси рельса, и вертикальной оси, и перемещений по вертикали и вдоль горизонтальной оси, перпендикулярной рельсу. Перемещения вдоль оси рельса и поворот элемента вокруг оси рычага ограничиваются двумя опорными базами одна из которых просто реализуется в торце оси вращения, а другая должна стать упругой опорой на пути вертикального перемещения рельса. Для этого необходимо компановочно разместить двойную направляющую базу таким образом относительно элемента ВСП, чтобы горизонтальное перемещение его при вращении было пренебрежимо мало, по сравнению с вертикальным перемещением рельса - или комбинацией этих способов. Альтернативная схема базирования показана на рис. 3.4.

Поскольку в данной схеме базирования вертикальное упругое перемещение заменено вращением, то направляющей для него является цилиндрический одностепенной шарнир (наиболее типичная реализация двойной направляющей базы во всех областях техники). При этом взаимные перемещения частей шарнира меньше перемещения упруго подвешенного элемента кратно разнице расстояний от оси поворота до этих частей конструкции. Для примера, шарнир с радиусом рабочей поверхности 20 мм при расположении подвижного элемента конструкции на расстоянии хотя бы 200 мм от оси поворота, будет иметь взаимное перемещение частей 0,5 мм при перемещении подвижного элемента на 5 мм. Таким образом, износ направляющих уменьшается в 10 раз, и возникает реальная возможность заменить трение в шарнире внутренним трением в эластомере.

Рис. 3.4. Альтернативная схема базирования элементов ВСП Подобные конструкции также реализуются в различных областях техники использованием сайлент-блоков.

Таким образом, новая схема базирования позволяет эффективно решить обе проблемы, связанные с введением в систему УЭ малой жесткости.

Она позволяет конструкторам отдельно проектировать жесткость ВСП по различным направлениям в очень широком диапазоне - чем открывает новые возможности для увеличения долговечности ВСП, его надежности и бескомпромиссного улучшения его эксплуатационных параметров.

Доказательство возможности создания пути низкой жесткости не обладающего приписываемыми ему прежде недостатками позволило перейти к анализу эффективности снижения жесткости пути с точки зрения виброзащитных функций ВСП. В работе проведен комплекс расчетов по методике ранее применявшейся для оценки конструкций ВСП с большими массами (лежней, плит и т.д.). Поскольку новая схема базирования позволяет считать конструкцию линейной с точки зрения вертикальных перемещений, было сделано предположение, что достоверность расчетов должна существенно возрасти.

Расчет выполняется в соответствии с методикой, описанной в [23]. Для описания процесса распространения волн в грунтовом массиве используется метод конечных элементов, алгоритм которого разработан в контексте с нормами [23] в научно-исследовательском институте Транспортного строительства совместно с кафедрой «Теоретическая механика» МИИТа [71, 74]. Применяемая методика основана на решении плоской гармонической задачи теории вязко-упругости. Особенностью алгоритма является возможность учета безграничных массивов [128] и континуальное, в пределах конечного элемента, представление упругих, инерционных и демпфирующих свойств материала. Внутреннее трение в материале учитывается введением комплексных коэффициентов Ляме.

Расчет выполняется на центральных частотах треть-октавных полос 25Гц (октавы 31,5 и 63 Гц).

Тоннель метрополитена моделируется круговой неподкрепленной полостью, внешним диаметром 5,4 м, на контуре которой задаются амплитуды вертикальных однофазных колебаний. В основании тоннеля амплитуда колебаний условно принимается равной единице и уменьшается к шелыге свода до 0,5.

Расчет производится для скорости движения поезда – 60 км/час.

Грунтовый массив представляет собой полубесконечное пространство с горизонтальным напластованием.

В связи с отсутствием данных инженерно-геологических изысканий, динамические характеристики грунтов принимаются по справочным материалам «Методических рекомендаций по определению динамических свойств грунтов, скальных пород и местных строительных материалов» - П 01-72 (изд-во Энергия, Ленинград, 1972).

Тоннель метрополитена и верхнее строение пути представляют собой систему бесконечных балок Эйлера-Бернулли на вязко-упругом основании, по которым с постоянной скоростью движется тележка метропоезда В качестве воздействия принимаются единичные гармонические неровности поверхностей катания колеса и рельса.

Параметры обделки принимаются аналогичными обделке тоннеля на перегоне ст. Ул. Академика Янгеля – тупики. Выбор определяется, в первую очередь, тем, что расчеты этой обделки в сочетании с типовой конструкцией пути на шпалах коротышах, неоднократно проверялись измерениями вибраций и подтвердили достоверность расчета. Кроме того, это достаточно типичная обделка для метрополитенов мелкого заложения.

Расчет тоннеля, в котором уложена типовая конструкция пути со шпалами-коротышами с нормальной жесткостью пути Исходные данные Скорость движения поезда [м/с] - V0 =.1500E+ ХАРАКТЕРИТИКИ В.С.П.:

Изгибная жесткость рельса [Н*м^2] =.8562E+ Жесткость основания ж.д. пути [Н/м^2] =.9600E+ Изгибная жесткость обделки [Н*м^2] =.3200E+ Жесткость грунтового основания [Н/м^2] =.1830E+ Результаты расчета тоннеля, в котором уложена типовая конструкция пути со шпалами-коротышами с нормальной жесткостью пути показаны графически на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Прогибы рельса и обделки под одной колесной парой Расчет тоннеля, в котором уложены виброизолирующие скрепления с жесткостью 4400 Кн/м Исходные данные

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВСП:

Рис. 3.6. Прогибы рельса и обделки под одной колесной парой Расчетная эффективность виброзащитных скреплений.

виброизолирующее скрепление позволяет снизить усилия от колеса на рельс и существенно снизить колебания. Как было показано выше, такого виброизолирующего эффекта прежде удавалось достичь только применением плитных виброзащитных конструкций с металлическими пружинами.

Картина прогиба рельса в целом соответствует полученой методом конечных элементов что подтверждает косвенно достоверность расчетов Аналогичный расчет (в работе не приводится) также показывает, что дальнейшее снижение жесткости скрепления до величины в 2000000 Н/м (при этом прогиб рельса составит 10мм) позволяет дополнительно повысить эффективность в диапазоне частот 16 Гц – 80Гц – на 7 – 10 дБ Таким образом, в работе обоснована не только возможность, но и целесообразность создания ВСП низкой жесткости в соответствии с ранее сформулированными техническими требованиями, что явилось основанием для начала конструкторской разработки. На этапе проектирования осуществляется выбор основных размеров узлов, исходя из прочностных параметров, габаритов приближения сооружений метрополитена ГОСТ – 80 (рис. 3.7.).

Рис 3.7.Зона возможного расположения скрепления в габарите приближения Исходя из результатов выбора оптимальных решений виброзащитной конструкции проведенного выше, ось шарнира располагается внутри колеи, а УЭ – снаружи.

В рамках очерченного габарита удаленность оси поворота от рельса ограничивается:

металлоемкостью конструкции - чем дальше ось, тем больше размер и масса несущей конструкции скрепления расстоянием от рельса до лотка, поскольку прикреплять какие либо элементы конструкции к шпале, висящей над лотком недопустимо.

В то же время, увеличение расстояния от рельса до оси уменьшает износ шарнира, поскольку, чем более шарнир удален, тем меньше в нем перемещение и износ - соответственно.

Графические методы показали, что подуклонка рельса остается в допуске при вертикальном перемещении головки рельса на 5 мм в случаях вращения его относительно оси, удаленной от оси рельса не менее чем на мм. Это определяет минимальный габарит конструкции со стороны оси пути.

Удаленность от рельса УЭ, расположенного, снаружи от рельса, ограничена габаритом приближения конструкций контактного рельса. При компоновке конструкции упругий элемент, вынесенный из под рельса, позволяет использовать габаритные в осевом типы упругих элементов, в том числе и витые пружины, добиваясь при этом оптимальных соотношений свободной и сжатых высот. Общая высота УЭ лимитируется габаритом приближения контактного рельса (рис. 3.5.) Проведенный этап конструирования позволил создать конструкцию, приведенную на рисунке (рис. 3.8.).

Изменением плеч от шарнира до рельса и до упругого элемента можно в процессе конструирования регулировать жесткость упругого элемента в сочетании с жесткостью подрельсовой опоры в целом - что дополнительно расширило выбор упругих элементов.

Рис. 3.8. Созданная виброзащитная конструкция рельсового скрепления Конструкция обеспечивает соблюдение всех допусков по параметрам пути и способна обеспечивать жесткость пути и нагрузочную способность.

Проверочный силовой расчет конструкции проводился на расчетной программе Космос – Воркс. В качестве силового воздействия принималась нагрузка в 50 кН, приложенная к рельсу под углом 30 град от вертикали.

Графический результат расчета приведен на (рис. 3.9.).

Расчет подтвердил отсутствие опасных напряжений в конструкции.

Таким образом, определена техническая возможность реализации подрельсовых опор, обеспечивающих возможность снижения жесткости пути в 15 раз по сравнению с типовым путем - без нарушения его эксплуатационных и прочностных характеристик по всем остальным параметрам. Создана конструкция, в частности рельсового скрепления реализующая эту возможность и способная нести необходимые нагрузки.

Создание такой конструкции открывает путь к существенному изменению параметров ВСП, давая для этого принципиально новые возможности.

Обеспечивая весьма точную линейную характеристику упругости, она позволяет гораздо точнее вычислять виброэффективность вновь создаваемых конструкций пути.