Динамика железнодорожного пути с учетом волн в грунте

• Автор: Вострухов, Алексей Викторович
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 136 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. УСТАНОВИВШИЙСЯ ОТКЛИК ДВУХ- И ТРЕХМЕРНЫХ УПРУГИХ СИСТЕМ НА РАВНОМЕРНО ДВИЖУЩУЮСЯ НАГРУЗКУ
1.1. Отклик мембраны на упругом основании
1.2. Отклик вязко-упругого полупространства на движущуюся по его поверхности нормальную нагрузку
Глава 2. БАЛКА НА ВЯЗКО-УПРУГОМ ПОЛУПРОСТРАНСТВЕ КАК
ПРИМЕР ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ
2.1. Эквивалентная динамическая жесткость вязко-упругого полупространства
2.2. Установившийся отклик структуры балка-полупространство на движущуюся нагрузку
2.3. Сопротивление, испытываемое высокоскоростным поездом вследствие возбуждения волн в грунте
Глава.З. БАЛКА НА СЛОИСТОМ ВЯЗКО-УПРУГОМ ПОЛУПРОСТРАНСТВЕ КАК МОДЕЛЬ БЕСШПАЛЬНОГО РЕЛЬСОВОГО ПУТИ
3.3. Эквивалентная динамическая жесткость слоистого полупространства
3.2. Установившийся отклик балки на упруго-вязком слое на движущуюся
нагрузку
Глава 4. БАЛКА НА ДИСКРЕТНЫХ ОПОРАХ, УСТАНОВЛЕННЫХ НА ВЯЗКО-УПРУГОМ СЛОЕ, КАК МОДЕЛЬ ОБЫЧНОГО РЕЛЬСОВОГО ПУТИ
4.1. Эквивалентная динамическая жесткость вязкоупругого слоя для шпал
4.2. Установившийся отклик балки на набор движущихся нагрузок
4.3. Сравнение откликов трехмерной и одномерной модели обычного рельсового пути
Глава.5. СХОД С РЕЛЬСОВ ВАГОНА ДЛИННОГО ГРУЗОВОГО ПОЕЗДА: ЛОКОМОТИВНАЯ РЕГИСТРАЦИЯ СХОДА - ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ
5.1. Возбуждение упругих волн в рельсах равномерно движущейся по рельсам нагрузкой. Спектр излучения в удаленной движущейся точке.
5.2. Излучение упругих волн в рельс нагрузкой, «прыгающей» по шпалам.
Спектр излучения в удаленной движущейся точке. Сравнение с предыдущим случаем
5.3. Сравнение экспериментальных результатов и теоретических прогнозов..
Основные результаты диссертации
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ.
Диссертационная работа посвящена исследованию динамического отклика трехмерных моделей рельсового пути на равномерно и прямолинейно движущуюся постоянную нагрузку.
Актуальность проблемы обусловлена необходимостью учета волновых процессов в грунте при исследовании динамики железнодорожного пути, взаимодействующего с современными скоростными поездами.
Бурное развитие высокоскоростного железнодорожного наземного транспорта в последние десять лет определило повышенный интерес к созданию моделей, адекватно описывающих динамические процессы, возникающие под действием поездов, как в самом железнодорожном полотне, так и в окружающем его грунте. Как показывает практика, наиболее полно и корректно динамику железнодорожного полотна описывают трехмерные модели, состоящие из вязкоупругого полупространства (слоя, слоистого полупространства) и упругой направляющей, взаимодействующей с ним либо через дискретные опоры (шпалы), либо непосредственно.
Успехи, достигнутые в последнее время в разработке трехмерных моделей рельсового пути, связаны, главным образом, с исследованием простейших моделей, где путь моделируется однородной распределенной системой, а грунт - упругим полупространством. Исследователи фокусируют свое внимание в основном на вопросах, посвященных динамическому отклику таких трехмерных систем на движущуюся нагрузку и спектру вибраций, генерируемых в грунте. В постановке этих задач не учитываются такие важные факторы, как периодический (шпальный) характер пути, практически не исследованы вопросы о влиянии граничных условий в контакте «полотно-грунт» и о влиянии вязкости в грунте.
Кроме того, как показывает практика, современные высокоскоростные поезда способны двигаться со скоростями, превышающими скорость распространения поверхностных волн в грунте. Это приводит к генерации волн в железнодорожном полотне и в грунте, которые потребляют значительную часть энергии локомотива. Поэтому встает вопрос об энергозатратах на поддержание равномерного движения поезда.
Состояние вопроса. До последнего времени, а точнее, до середины 90-ых годов, при расчете рельсового пути исследователи использовали главным образом одномерные модели рельсового пути.
Одной из первых работ, где был рассмотрен отклик одномерной системы на движущуюся нагрузку, является работа Д. Ахенбаха [12], который рассмотрел динамический отклик одномерной балки Тимошенко, лежащей на упругом основании. В 1970 году А.П. Филиппов [9], а затем и Л. Фриба [21] опубликовали свои монографии, посвященные анализу таких систем.
Позднее исследователи начали рассматривать более сложные периодически неоднородные системы, учитывающие шпальную структуру пути. В 1981 году Л. Жезекюль [25] опубликовал работу, где впервые был рассмотрен отклик балки, лежащей на периодических эквидистантных опорах, на движение нагрузки. После этого было проведено большое количество исследований, посвященных анализу как континуальных, так и периодических одномерных систем.

Особо следует выделить в этом ряде работ публикации Р. Богача, Т. Кржизин-ского и К. Поппа [15,16], а также работу П.М. Белоцерковского [14].
С середины 90-ых годов начались массированные исследования трехмерных моделей железнодорожного полотна, что было обусловлено бурным развитием высокоскоростного железнодорожного транспорта. Как оказалось, поверхностные волны в грунте, возбуждаемые такими поездами, оказывают существенное влияние на динамику состава, и одномерные модели показали себя несостоятельными при описании движения поездов на больших скоростях.
До этого были проведены лишь единичные исследования трехмерных моделей рельсового пути. В 1966 году Д. Лансинг [31] опубликовал работу, посвященную движению точечной нагрузки по поверхности упругого полупространства, и еще раньше, в 1961 году, А.П. Филиппов [9] рассмотрел отклик балки Бернулли-Эйлера, лежащей на упругом полупространстве, на равномерно движущуюся нагрузку. А.П. Филиппов, в частности, показал, что отклик балки существенно возрастает, если скорость нагрузки приближается к скорости распространения волн Рэлея в грунте. В 1975 году Д. Лабра [30] продемонстрировал, что возрастание отклика может иметь место и при более низких скоростях, если учесть осевые напряжения в рельсах, связанные с температурным расширением.
В последнее время исследования в этом направлении заметно активизировались, и за последние 5-6 лет был опубликован целый ряд статей, где рассматривались различные трехмерные модели рельсового пути [18,19,23,29,36,38,39,40]. Особо следует отметить обзор по известным к тому времени моделям железнодорожного полотна К. Кноте [57], опубликованный в 1999 году.
В настоящий момент модели рельсового пути включают в себя рельсы, описываемые балкой (балками), шпалы и балласт, которые описываются как распределенные под балкой системы, и грунт, который моделируется в общем случае слоистым полупространством.
Однако, до сих пор не рассмотрен отклик трехмерной модели, где бы учитывался дискретный характер шпал, не изучено влияние граничных условий в контакте «путь-грунт», практически не исследован вопрос о влиянии вязкости в грунте. Остается открытым вопрос об энергозатратах поезда на поддержание равномерного движения в случае, когда скорость поезда близка или превышает скорость рэлеевских волн в грунте.
Данная диссертация призвана заполнить собой данные пробелы.
Работа имеет следующие цели: изучение влияния вязкости в грунте на отклик рельсового пути на движущуюся нагрузку;
- исследования энергозатрат поезда, связанных с возбуждением волн в рельсовом пути и окружающем путь грунте;
- анализ динамического отклика трехмерной модели рельсового пути, учитывающей дискретность шпальной структуры;
изучение возможности идентификации схода вагона с рельс по спектральным характеристикам волн в рельсах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Результаты, полученные для мембраны и вязко-упругого полупространства, показывают их качественную схожесть между собой как при исследовании влияния вязкости, так и при изучении энергозатрат на поддержание равномерного движения нагрузки. Однако, при количественной оценке максимальной амплитуды вертикальных колебаний и энергозатрат с помощью модели мембраны на упругом основании встает вопрос, какие параметры нужно выбрать, чтобы модель наиболее полно соответствовала реальности?
Очевидно, таким образом, что вязко-упругое полупространство более адекватно описывает волновые процессы, происходящие в грунте, чем мембрана, поскольку параметры полупространства, такие, например, как плотность, модуль сдвига и коэффициент Пуассона, могут быть измерены экспериментально. С другой стороны, хотя грунт и является важной составляющей железнодорожного пути, для реалистичного моделирования динамического отклика рельсового пути на движущийся поезд, модель должна быть дополнена элементами, описывающим рельсы, шпалы, прокладки между ними и балласт. Данные дополнения будут сделаны в последующих главах.