Исследование усилий взаимодействия рельсов и шпал при неравномерной осадке железнодорожного пути

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.

1. Оценка деформативности пути в местах расстройств и возможных изменений в сроках выправки при повышении осевой нагрузки грузовых вагонов / В. О. Певзнер, С. С. Надеждин, А. В. Анисин, И. В. Третьяков // Вестник ВНИИЖТа. 2013. № 4. С. 44–48.

2. Shenton M. J. Ballast deformation and track deferioration track technol // Proc. Conf. Noftinghen, 11–13 July 1981, London. 1985. P. 253–265.

3. Сахарчук С. И., Федорова В. А. Моделирование процесса накопления остаточных деформаций в однородных средах и двухслойных системах // Вестник РГРТУ. 2009. № 3, вып. 29. С. 60–65.

4. Щепотин К. И. О перераспределении давления на шпалы при наличии неравноупругости пути // Вопросы устройства и содержания пути : сборник научных трудов / Новосибирский институт инженеров железнодорожного транспорта. Новосибирск, 1969. Вып. 74. С. 42–47.

5. Соловьев В. П. Моделирование процесса накопления остаточных деформаций пути с использованием супер ЭВМ // Фундаментальные исследования для долгосрочного развития железнодорожного транспорта : сборник трудов членов и научных партнеров Объединенного ученого совета ОАО «РЖД». Москва : Интекст, 2013. С. 185–192.

6. Брандль Х., Паульмичл А. Взаимодействие оснований и сооружений высокоскоростных железных дорог : лекция, прочитанная на XIII Дунайско-Европейской конференции по геотехнике в г. Любляне, Словения (29– 31 мая 2006 г.) // Развитие городов и геотехническое строительство. 2007. № 11. С. 157–164.

7. Моделирование неравномерной осадки оснований каркасных сооружений / С. И. Герасимов, В. М. Тихомиров, А. М. Попов [и др.] // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2026. Т. 28, № 1. С. 288–297.

8. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. Москва : Недра, 1974. 239 с.

9. COSMOSM User Guide. Vol. 4. Advanced Modules. Santa Monica (CA) : Structural Research and Analysis Corporation, 2007. 328 p.

10. Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения надежности : утверждена Распоряжением МПС России 16 июня 2000 г. Москва, 2000. 38 с.

11. Железнодорожный путь / под ред. Т. Г. Яковлевой. Москва : Трансжелдориздат, 2001. 404 с.

12. ГОСТ Р 51685–2022. Рельсы железнодорожные. Общие технические условия : утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14 декабря 2022 г. № 1509-ст. Москва : Российский институт стандартизации, 2023. 125 с.