RU2795351C1

RU2795351C1 - Method for assessing the stress-strain state of a railway track in the conditions of the far north and siberia

Info

Publication number: RU2795351C1
Application number: RU2022133499A
Authority: RU
Inventors: Валерий Семенович Коссов; Григорий Михайлович Волохов; Эдуард Сергеевич Оганьян; Виктор Иванович Шабуневич
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2023-05-03

Abstract

FIELD: railway transport.

SUBSTANCE: monitoring and assessing the actual state of the elements of the railway track and adjacent infrastructure in the Far North and Siberia. According to the method for assessing the stress-strain state of a railway track, in accordance with the structure of the track, three-dimensional finite element models of the studied section of the railway track with adjacent infrastructure are created, harmonic loading of three-dimensional finite element models is carried out, the stiffness of the elements of which corresponds to the rigidity of the frozen and thawed section railway track with the infrastructure adjacent to it. The results of harmonic responses of loaded three-dimensional finite element models are used to determine the frequency range of the measured parameters of the stress-strain state of track elements.

EFFECT: increasing the accuracy and reliability of determining the characteristics of the stress-strain state of the railway track in the conditions of the Far North and Siberia.

1 cl, 12 dwg

Description

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и предназначено для контроля и оценки фактического состояния элементов железнодорожного пути и прилегающей инфраструктуры в условиях Крайнего Севера и Сибири.The invention relates to railway transport and is intended to monitor and assess the actual state of the elements of the railway track and adjacent infrastructure in the Far North and Siberia.

Известен метод измерений напряжений, усилий и деформаций, возникающих в верхнем строении пути под подвижным составом с помощью приборов, установленных непосредственно в пути (ГОСТ Р55050 - 2012).A known method for measuring stresses, forces and strains that occur in the superstructure of the track under the rolling stock using instruments installed directly on the track (GOST R55050 - 2012).

Недостатками этого метода является то, что он позволяет проводить измерения лишь на ограниченных по протяженности участках пути и применяется в основном для определения допустимого воздействия железнодорожного подвижного состава на железнодорожный путь, для установления условий обращения по сети дорог, а также при сертификационных испытаниях.The disadvantages of this method are that it allows measurements only on limited length sections of the track and is mainly used to determine the permissible impact of railway rolling stock on the railway track, to establish the conditions of circulation on the road network, as well as for certification tests.

Известен способ контроля и оценки фактического состояния элементов железнодорожного пути по условию их прочности по силам взаимодействия подвижного состава и железнодорожного пути. В составе грузового поезда размещают диагностический грузовой вагон, оборудованный тензометрическими колесными парами, с помощью которых измеряют вертикальные и боковые силы, передающиеся от колес диагностического грузового вагона на рельсы. Дополнительно перед поездкой в бортовую систему управления грузовым поездом вводят параметры пути, зависящие от конструкции верхнего строения оцениваемого пути. Вертикальные и боковые силы измеряют для загруженного диагностического грузового вагона в диапазоне частот, определяемом с учетом спектра силовых составляющих, возникающих в месте контакта колеса с рельсом при прохождении диагностического грузового поезда по длинным неровностям пути, коротким неровностям пути и неровностям на поверхности катания рельса. Размещают в составе грузового поезда нагрузочное устройство, с помощью которого в реальном времени определяют модуль упругости пути. По измеренным в движении величинам вертикальных и боковых сил, модуля упругости и введенным перед поездкой параметрам пути определяют характеристики напряженно-деформированного состояния пути под диагностическим грузовым вагоном на эксплуатируемых участках любой протяженности с привязкой к конкретным сечениям пути с помощью устройства GPS навигации. (Патент RU №2659365 С1, МПК В61К9/08, Е01В 35/12, опубл.20.06.2018).A known method of monitoring and evaluating the actual state of the elements of the railway track according to the condition of their strength in terms of the forces of interaction between the rolling stock and the railway track. The freight train includes a diagnostic freight car equipped with tensometric wheel pairs, with the help of which the vertical and lateral forces transmitted from the wheels of the diagnostic freight car to the rails are measured. Additionally, before the trip, the track parameters are entered into the onboard control system of the freight train, depending on the design of the superstructure of the track being evaluated. Vertical and lateral forces are measured for a loaded diagnostic freight car in the frequency range determined taking into account the spectrum of power components that occur at the wheel-rail contact point when the diagnostic freight train passes along long track irregularities, short track irregularities and irregularities on the rail tread. A loading device is placed in the freight train, with the help of which the modulus of elasticity of the track is determined in real time. According to the values of vertical and lateral forces measured in motion, the modulus of elasticity and the track parameters entered before the trip, the characteristics of the stress-strain state of the track under the diagnostic freight car are determined on the operated sections of any length with reference to specific sections of the track using a GPS navigation device. (Patent RU No. 2659365 C1, IPC V61K9/08, E01V 35/12, publ. 06/20/2018).

Недостатком указанного способа является небольшой диапазон частот измеренных спектров силовых составляющих, возникающих в месте контакта колеса с рельсом при прохождении диагностического грузового поезда по длинным неровностям пути, коротким неровностям пути и неровностям на поверхности катания рельса, что негативно скажется на точности определения характеристик напряженно-деформированного состояния железнодорожного пути в условиях Крайнего Севера и Сибири.The disadvantage of this method is the small frequency range of the measured spectra of power components that occur at the point of contact of the wheel with the rail when the diagnostic freight train passes along long track irregularities, short track irregularities and irregularities on the rail tread surface, which will negatively affect the accuracy of determining the characteristics of the stress-strain state. railway track in the conditions of the Far North and Siberia.

Известно исследование поведения грунтов основания насыпей в условиях Крайнего Севера и Сибири, принятое за прототип, при низкочастотных нагрузках в трех взаимно перпендикулярных направлениях, создаваемых подвижным составом. Полученные сейсмические записи позволили выявить информативные параметры для трех частотных диапазонов сигнала: высокой частоты ВЧ - 2-8Гц, средней частоты СЧ - 0,1-2Гц и низкой частоты НЧ - ниже 0,1Гц, по которым можно судить об изменениях на ранней стадии несущей способности верхней (насыпь) и нижней (естественное основание) части разреза земляного полотна. Созданные аналитические модели позволяют объяснить процессы, происходящие в верхнем и нижнем строениях земляного полотна, предсказать поведение грунтов при климатических изменениях, дать количественные оценки параметров упругости и вязкости в условиях естественного залегания грунтов. (Орлова И.П. Разработка технологии сейсмического мониторинга состояния транспортных сооружений в условиях Крайнего Севера и Сибири. Диссертация к.т.н., 2022, 124с.).It is known to study the behavior of soils at the base of embankments in the conditions of the Far North and Siberia, taken as a prototype, at low-frequency loads in three mutually perpendicular directions created by the rolling stock. The obtained seismic records made it possible to identify informative parameters for three signal frequency ranges: high frequency HF - 2-8 Hz, medium frequency MF - 0.1-2 Hz and low frequency LF - below 0.1 Hz, which can be used to judge changes at an early stage of the carrier the capabilities of the upper (embankment) and lower (natural base) part of the subgrade section. The created analytical models make it possible to explain the processes occurring in the upper and lower structures of the subgrade, to predict the behavior of soils under climatic changes, to give quantitative estimates of the parameters of elasticity and viscosity under conditions of natural occurrence of soils. (Orlova I.P. Development of technology for seismic monitoring of the state of transport facilities in the conditions of the Far North and Siberia. Dissertation Ph.D., 2022, 124p.).

Основным недостатком проведенных исследований является небольшой диапазон частот определяемых параметров напряженно-деформированного состояния элементов пути, недостаточный для получения достоверной информации о параметрах напряженно-деформированного состояния элементов пути в зимних условиях при замерзании всех участков пути.The main disadvantage of the studies carried out is a small frequency range of the determined parameters of the stress-strain state of the track elements, which is insufficient to obtain reliable information about the parameters of the stress-strain state of the track elements in winter conditions when all sections of the track freeze.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предполагаемое изобретение, является повышение точности и достоверности определения характеристик напряженно-деформированного состояния железнодорожного пути в условиях Крайнего Севера и Сибири.The technical result, which the proposed invention is aimed at, is to increase the accuracy and reliability of determining the characteristics of the stress-strain state of the railway track in the conditions of the Far North and Siberia.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки напряженно-деформированного состояния железнодорожного пути в условиях Крайнего Севера и Сибири, заключающемся в том, что в соответствии со строением пути создают трехмерные конечно-элементные модели исследуемого участка железнодорожного пути с прилегающей к нему инфраструктурой, проводят гармонические нагружения трехмерных конечно-элементных моделей, жесткость элементов которых соответствует жесткости замерзшего и оттаявшего исследуемого участка железнодорожного пути с прилегающей к нему инфраструктурой, результаты гармонических откликов нагружаемых трехмерных конечно-элементных моделей применяют при определении диапазона частот измеряемых параметров напряженно-деформированного состояния элементов пути.The specified technical result is achieved by the fact that in the method for assessing the stress-strain state of the railway track in the conditions of the Far North and Siberia, which consists in the fact that, in accordance with the structure of the track, three-dimensional finite element models of the investigated section of the railway track with the infrastructure adjacent to it are created, harmonic loading of three-dimensional finite element models, the stiffness of the elements of which corresponds to the stiffness of the frozen and thawed section of the railway track with its adjacent infrastructure, the results of harmonic responses of the loaded three-dimensional finite element models are used to determine the frequency range of the measured parameters of the stress-strain state of the track elements.

Изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

На фигуре 1 показана конечно-элементная (КЭ) модель исследуемого участка железнодорожного полотна с прилегающей инфраструктурой и установленной на железнодорожном полотне моделью вагона;The figure 1 shows a finite element (FE) model of the studied section of the railway track with the adjacent infrastructure and a car model installed on the railway track;

- на фигуре 2 показано место на рельсе (узел КЭ сетки) для определения продольных напряжений δ_y и боковых перемещений U_x в головке рельса;- figure 2 shows a place on the rail (node FE mesh) to determine the longitudinal stresses δ _y and lateral displacements U _x in the rail head;

- на фигурах 3 (а, б) изображены графики изменений продольных напряжений δ_y в головке рельса по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (3а) и замораживании (3б) насыпи;- figures 3 (a, b) show graphs of changes in longitudinal stresses δ _y in the rail head at the frequency f of the weight load during thawing (3a) and freezing (3b) of the embankment;

- на фигурах 4 (а, б) изображены графики изменений боковых перемещений U_x в головке рельса по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (4а) и замораживании (4б) насыпи;- figures 4 (a, b) show graphs of changes in lateral displacements U _x in the rail head at the frequency f of the weight load during thawing (4a) and freezing (4b) of the embankment;

- на фигуре 5 показано место на насыпи для определения боковых перемещений U_x насыпи;- figure 5 shows a place on the embankment to determine the lateral displacements U _x of the embankment;

- на фигурах 6 (а, б) изображены графики изменений боковых перемещений U_x насыпи по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (6а) и замораживании (6б) насыпи;- figures 6 (a, b) show graphs of changes in the lateral displacements U _x of the embankment with respect to the frequency f of the weight load during thawing (6a) and freezing (6b) of the embankment;

- на фигуре 7 показано место (верхний узел КЭ сетки) определения боковых перемещений U_x объекта инфраструктуры;- the figure 7 shows the place (the upper node of the FE grid) for determining the lateral displacements U _x of the infrastructure object;

- на фигурах 8 (а, б) изображены графики изменений боковых перемещений U_x объекта инфраструктуры по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (8а) и замораживания (8б) насыпи.- figures 8 (a, b) show graphs of changes in the lateral displacements U _x of the infrastructure object with respect to the frequency f of the weight load during thawing (8a) and freezing (8b) of the embankment.

На фиг. 1, 2, 5, 7 изображены КЭ модели, включающие в себя диагностический грузовой вагон 1 с тензометрическими колесными парами 2, установленными на железнодорожное полотно 3, уложенное по насыпи 4, и объект 5, имитирующий окружающую инфраструктуру. Указанные элементы расположены на основании 6.In FIG. 1, 2, 5, 7 show FE models that include a diagnostic freight car 1 with tensometric wheelsets 2 installed on a railway track 3 laid along an embankment 4, and an object 5 simulating the surrounding infrastructure. These elements are located on the base 6.

На КЭ модели (фиг.2) на рельсе указано место 7 определения продольных напряжений δ_y и боковых перемещений U_x головки рельса, а на фиг. 3а, 3б и 4а, 4б изображены соответствующие указанной КЭ модели графики изменений продольных напряжений δ_y и боковых перемещений U_x в головке рельса по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (3а, 4а) и замораживании (3б, 4б) насыпи.On the FE model (figure 2) on the rail indicates the place 7 for determining the longitudinal stresses δ _y and lateral displacements U _x of the rail head, and in Fig. 3a, 3b and 4a, 4b show graphs of changes in longitudinal stresses δ _y and lateral displacements U _x in the rail head according to the frequency f of the weight load during thawing (3a, 4a) and freezing (3b, 4b) of the embankment, corresponding to the indicated FE model.

На КЭ модели (фиг.5) указано место 8 на насыпи 4 для определения боковых перемещений U_x насыпи и соответствующие указанной КЭ модели графики (фиг.6а и 6б) изменений боковых перемещений U_x насыпи 4 по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (6а) и замораживании (6б) насыпи.On the FE model (figure 5) indicates the place 8 on the embankment 4 to determine the lateral displacements U _x of the embankment and corresponding to the specified FE model graphics (fig.6a and 6b) changes in the lateral displacements U _x of the embankment 4 in frequency f of the weight load during thawing (6a ) and freezing (6b) of the embankment.

На КЭ модели (фиг.7) указано место 9 для определения боковых перемещений U_x объекта инфраструктуры 5 и соответствующие указанной КЭ модели графики (фиг.8а, б) изменений боковых перемещений U_x по частоте f весовой нагрузки при оттаивании (8а) и замораживании (8б) насыпи 4.On the FE model (Fig.7) indicates the place 9 to determine the lateral displacements U _x of the infrastructure object 5 and corresponding to the specified FE model graphics (Fig.8a, b) changes in lateral displacements U _x frequency f of the weight load during thawing (8a) and freezing (8b) embankments 4.

Изобретение осуществляется следующим образом.The invention is carried out as follows.

Оценку напряженно-деформированного состояния (НДС) железнодорожного пути можно осуществлять, например, посредством грузового поезда, в котором размещают диагностический грузовой вагон, оборудованный тензометрическими колесными парами для измерения вертикальных и боковых сил, передающихся от колес диагностического грузового вагона на рельсы. В соответствии со строением пути создают трехмерные конечно-элементные модели исследуемого участка железнодорожного пути с прилегающей к нему инфраструктурой, причем элементы 3, 4, 5 исследуемого участка железнодорожного пути расположены на замороженном основании 6, модуль упругости которого принят 3⋅10¹⁰ Па. Проводят гармонические нагружения трехмерных конечно-элементных моделей с жесткостями их элементов, соответствующими замерзанию и оттаиванию исследуемого участка железнодорожного пути с прилегающей инфраструктурой. Вертикальные и боковые силы измеряют для загруженного диагностического грузового вагона массой 100 т в диапазоне частот, который определяют с учетом результатов гармонических откликов конечно-элементных моделей. Строят графики изменений продольных напряжений и боковых перемещений исследуемых элементов 3, 4, 5 железнодорожного пути.The assessment of the stress-strain state (SSS) of a railway track can be carried out, for example, by means of a freight train, in which a diagnostic freight car is placed, equipped with strain gauge wheelsets for measuring vertical and lateral forces transmitted from the wheels of the diagnostic freight car to the rails. In accordance with the structure of the track, three-dimensional finite element models of the investigated section of the railway track with the infrastructure adjacent to it are created, and the elements 3, 4, 5 of the investigated section of the railway track are located on a frozen base 6, the modulus of elasticity of which is assumed to be 3⋅10 ¹⁰ Pa. Harmonic loading of three-dimensional finite element models is carried out with the stiffness of their elements corresponding to freezing and thawing of the investigated section of the railway track with the adjacent infrastructure. Vertical and lateral forces are measured for a loaded diagnostic freight car weighing 100 tons in the frequency range, which is determined taking into account the results of harmonic responses of finite element models. Build graphs of changes in longitudinal stresses and lateral displacements of the studied elements 3, 4, 5 of the railway track.

Качественное сравнение полученных графиков (см. фиг. 3а и 3б, 4а и 4б, 6а и 6б) однозначно показывает необходимость измерения параметров НДС элементов пути при замерзании насыпи (модуль упругости 3⋅10¹⁰ Па) на значительно более высоких частотах, чем при оттаивании насыпи (модуль упругости 3.5⋅10⁷ Па). Так, например, продольные напряжения в головке рельса в случае замерзания насыпи (фиг. 3б) на частотах более 120 Гц увеличиваются более чем на два порядка. Количественно на частоте, например, 220 Гц продольные напряжения при замерзании насыпи выше, чем при ее оттаивании (см. фиг. 3а). Аналогичные выводы можно сделать из сравнения фигур 4а и 4б для боковых перемещений головки рельса и фигур 6а и 6б для боковых перемещений насыпи. Для боковых перемещений верхнего узла КЭ модели объекта инфраструктуры 5 (фиг. 1) с неизменной жесткостью (модуль упругости 3⋅10¹⁰ Па) в обоих рассмотренных случаях значительных отличий не выявлено, хотя также подтверждается необходимость измерения параметров НДС ее элементов на частотах более 50 Гц как при оттаивании, так и при замерзании насыпи (см. фиг. 8а и 8б). Анализ графиков позволяет возможным сделать вывод о том, что исследование напряженно-деформированного состояния элементов пути необходимо проводить в диапазоне частот 0-350 Гц и выше.A qualitative comparison of the obtained graphs (see Figs. 3a and 3b, 4a and 4b, 6a and 6b) unequivocally shows the need to measure the SSS parameters of track elements when the embankment freezes (modulus of elasticity 3⋅10 ¹⁰ Pa) at much higher frequencies than when thawing embankments (modulus of elasticity 3.5⋅10 ⁷ Pa). So, for example, the longitudinal stresses in the rail head in the case of freezing of the embankment (Fig. 3b) at frequencies above 120 Hz increase by more than two orders of magnitude. Quantitatively, at a frequency of, for example, 220 Hz, the longitudinal stresses during the freezing of the embankment are higher than during its thawing (see Fig. 3a). Similar conclusions can be drawn from a comparison of figures 4a and 4b for the lateral movements of the rail head and figures 6a and 6b for the lateral movements of the embankment. For lateral displacements of the upper node of the FE model of the infrastructure object 5 (Fig. 1) with constant stiffness (elasticity modulus 3⋅10 ¹⁰ Pa), no significant differences were found in both considered cases, although the need to measure the SSS parameters of its elements at frequencies above 50 Hz is also confirmed. both during thawing and freezing of the embankment (see Figs. 8a and 8b). The analysis of the graphs makes it possible to conclude that the study of the stress-strain state of the track elements must be carried out in the frequency range of 0-350 Hz and higher.

Предложенный способ позволит существенно повысить точность измерения основных характеристик напряженно-деформированного состояния пути, определяющих, например, прочность пути под груженым диагностическим вагоном с максимальной допустимой нагрузкой на ось и привязкой к конкретным участкам. Такими характеристиками могут быть, например, боковые перемещения головки рельса, сдвиг подошвы рельса, напряжения соответственно во внешней и внутренней выкружке головки рельса, напряжения соответственно во внешней и внутренней кромке подошвы рельса, вертикальные прогибы рельса, ускорение рельса, вертикальные прогибы шпал, ускорения шпал, напряжения в балласте, напряжения смятия шпал подкладками, напряжения на основной площадке земляного полотна на выбранных участках пути любой протяженности.The proposed method will significantly improve the accuracy of measuring the main characteristics of the stress-strain state of the track, which determine, for example, the strength of the track under a loaded diagnostic car with a maximum allowable axle load and binding to specific sections. Such characteristics can be, for example, lateral displacements of the rail head, shear of the rail foot, stresses in the outer and inner fillets of the rail head, respectively, stresses in the outer and inner edges of the rail foot, respectively, vertical deflections of the rail, rail acceleration, vertical deflections of the sleepers, accelerations of the sleepers, stresses in the ballast, stresses of collapse of sleepers by linings, stresses on the main platform of the subgrade on selected sections of the track of any length.

Максимальные значения напряжений и деформаций пути, полученные по результатам измерений сил, действующих от колеса на рельсы сравнивают с максимальными допустимыми значениями, установленными нормативными документами, и используют для определения допускаемых скоростей движения грузовых вагонов с максимальной допустимой осевой нагрузкой 23,5 т при движении по исследуемым участкам пути, определения максимального веса поезда и рациональных режимов его ведения, оценки накопления остаточных деформаций верхнего строения пути с целью определения видов и сроков проведения ремонта пути.The maximum values of stresses and deformations of the track, obtained from the results of measurements of the forces acting from the wheel on the rails, are compared with the maximum allowable values established by regulatory documents, and are used to determine the allowable speeds of movement of freight cars with a maximum allowable axial load of 23.5 tons when moving along the studied sections of the track, determining the maximum weight of the train and rational modes of its operation, assessing the accumulation of residual deformations of the superstructure of the track in order to determine the types and timing of the repair of the track.

Claims

A method for assessing the stress-strain state of a railway track in the conditions of the Far North and Siberia, which consists in the fact that, in accordance with the structure of the track, finite element models of the studied section of the railway track with the infrastructure adjacent to it are created, characterized in that three-dimensional finite element models are created of the investigated section of the railway track, harmonic loading of three-dimensional finite element models is carried out, the stiffness of the elements of which corresponds to the stiffness of the frozen and thawed section of the railway track with its adjacent infrastructure, the results of harmonic responses of the loaded three-dimensional finite element models are used to determine the frequency range of the measured parameters of the stress- deformed state of the path elements.