Виктор Михайлович Тихомиров – доктор технических наук, профессор кафедры «Строительная механика»
Новосибирск
Victor M. Tikhomirov – Doctor of Engineering, Professor of the Structural Mechanics Department
Novosibirsk
Сергей Иванович Герасимов – доктор технических наук, профессор кафедры «Строительная механика»
Новосибирск
Sergey I. Gerasimov – Doctor of Engineering, Professor of the Structural Mechanics Department
Novosibirsk
Анатолий Михайлович Попов – доктор технических наук, профессор кафедры «Теоретическая механика»
Новосибирск
Anatoly M. Popov – Doctor of Engineering, Professor of the Theoretical Mechanics Department
Novosibirsk
В работе исследовано взаимодействие рельса со шпалами при неравномерной осадке железнодорожного пути. Наличие зазоров между элементами верхнего строения пути, различие их механических характеристик, а также изменение жесткости грунтового основания приводит к осадкам, неравномерно распределенным вдоль направления рельсовой колеи. В процессе эксплуатации при повышении осевых нагрузок и грузонапряженности влияние этих факторов увеличивается. В конечном итоге на шпалы приходится большая нагрузка по сравнению с расчетным состоянием пути.
Аналитическое решение задачи об определении усилий взаимодействия рельсов со шпалами при неравномерной осадке представляется затруднительным и громоздким. В данной работе был использован метод численного моделирования – метод конечных элементов. Деформирование рельса было описано решением для балки, опирающейся на упругое основание, давление на которое пропорционально прогибам рельса. На основании такого представления в программном комплексе COSMOS была построена конечноэлементная схема рельса под воздействием динамической нагрузки. Осадка пути моделировалась с помощью специальных контактных конечных элементов. Для решения поставленной задачи были использованы четыре различные схемы осадки пути и проведен конечно-элементный расчет по определению давления рельса на шпалы. Анализ результатов позволил определить наиболее неблагоприятные условия осадки подрельсового основания. Было получено, что осадка пути, при которой одна шпала выключается из работы его верхнего строения, приводит к увеличению давления на 25 %. При осадке четырех соседних шпал максимальное давление со стороны рельса увеличивается в 2,16 раза по сравнению с расчетным состоянием пути. Данное обстоятельство необходимо учитывать при оценке прочности железнодорожных шпал.
The study examines the effect of uneven track settlement on the force interaction between rails and sleepers when affecting the track of a freight train. Due to the presence of gaps between the elements of the track superstructure, the difference in the mechanical characteristics of the elastic gaskets and the soil base in the longitudinal direction, the settlement of the sleepers may be uneven. The importance of this factor increases with increasing axial loads and load stress. In the end, individual sleepers have a greater load than others compared to the calculated normative state of the track.
The analytical solution to the problem of determining the interaction forces between rails and sleepers under uneven settlement proves to be difficult and cumbersome. In this work, the numerical modeling method was used – the finite element method. For the rail, a mathematical model of the beam was used, resting on an elastic base, the pressure on which linearly depends on the movements of the rail, and its rigidity on a combination of deformation characteristics of rail and napkin rubber pads and soil. Based on this model, a finite element scheme for calculating rails supported by sleepers under the influence of a standard load was built. Track settlement was modeled by changing the parameters of special contact finite elements. When varying the parameters of these elements, the maximum rail pressure on a single sleeper was calculated. From the analysis of the results, the most unfavorable cases of base settlement unevenness were identified. It was found that the settlement of the track, in which one sleeper is turned off from the operation of the topsides, leads to an increase in maximum pressure by 25%. The shutdown of four adjacent sleepers increases the maximum pressure by 2.16 times compared to the standard condition of the railway track. This circumstance should be taken into account when calculating the strength of railway ties.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.