Повышение прочности конструкции карьерных железнодорожных путей для комплексной механизации путевых работ на крутых уклонах

Актуальность темы

Основными направлениями экономического и социального развития РФ на 1996;1998 годы и на период до 2000 года предусмотрено, опережающими темпами, развивать добычу руд наиболее эффективным открытым способом с учетом минимального ущерба окружающей среде. В настоящее время открытым способом добывается до 86% железной руды. Одновременно со строительством новых карьеров будет возрастать мощность действующих. С увеличением производственной мощности карьеров намечена тенденция увеличения их глубины, что влечет за собой усложнение работы транспорта. С увеличением глубины карьера в 1,5−2 раза на 40−50% увеличивается расстояние транспортирования, значительно возрастают трудовые и стоимостные затраты на транспорт, которые в настоящее время составляет 50−60% общих затрат по добыче полезного ископаемого.

В настоящее время одним из основных видов карьерного транспорта является железнодорожный. Этим видом транспорта за последнее десятилетие на открытых разработках выполнено 60−70% всех грузоперевозок. Он успешно используется в сложных климатических и горногеологических условиях, обеспечивая высокую экономичность работы. В перспективе карьерный железнодорожный транспорт сохраняет свое ведущее положение, особенно на карьерах со скальными породами и рудами. •.

Особенностями карьерного железнодорожного транспорта, по сравнению с железнодорожным транспортом общего пользования, является необходимость работы карьерного транспорта на больших уклонах (в настоящее время до 60%о, а перспективе до 80%о).

Необходимость работы карьерного транспорта на больших уклонах потребовало повышения прочностных параметров конструкций верхнего строения пути и создания новых технических средств к путевым машинам и механизмам, отвечающим специфическим условиям эксплуатации, таким как:

— укладочные краны УК-25М, механизированные звеносборочные и разборочные линии;

— балластоочистительные машины ЩОМ-ЗУ, хоппер-дозаторы циклического действия;

— щеточные и шарофрезерные машины, вентиляторные снегоочистители;

— путевые машины для текущего содержания МСШУ-4, ПМГ, МУС, МУМ-ПТ.

Выполнение этой программы только за счет поставок путевых машин с предприятий машиностроения невозможно. Кроме того, становление путевого машиностроения в отрасли Российской Федерации по ряду причин идёт трудно и вполне естественно, что одним здесь не справиться. Здесь нужно объединить усилия всех предприятий отрасли как по самостоятельному изготовлению наиболее простых путевых машин (вентиляторные, щеточные машины, путеизмерите-ли), так и по кооперативному изготовлению отдельных узлов и агрегатов к наиболее необходимым путевым машинам, поставкам головным предприятиям материалов и полуфабрикатов.

Кроме того, использование тяговых агрегатов ОПЭ-1А, ОПЭ-1АМ, ОПЭ-2А, вагоны-самосвалы 2ВС-105 и другие машины тяжелого типа, предназначенные для работы в карьерах, привели к значительному, до 320 КН, повышению осевых нагрузок на железнодорожный путь. Все это потребовало повышения качества карьерных железнодорожных путей и повышения безопасности движения названного состава. Указанные факторы потребовали создания новых технических средств и проведения научных исследований по повышению прочностных параметров машин и механизмов, технического уровня эксплуатации верхнего строения карьерных железнодорожных путей особенно на участках с большими уклонами.

Многие неисправности верхнего строения пути на больших уклонах являются следствием, его угона под действием больших осевых нагрузок. Почти половина расходов на текущее содержание путей связана с ликвидацией угона. Одним из путей сокращения простоев железнодорожного транспорта и, следовательно, снижения трудоемкости путевых работ является создание надежной конструкции верхнего строения пути, предотвращающего его угон на уклонах более 40%о при осевых нагрузках до 400кН и повышения уровня механизации путевых работ на карьерном железнодорожном транспорте.

Поэтому исследования в области повышения прочностных параметров машин и механизмов, горнотранспортного оборудования, а также надежности карьерных железнодорожных путей на крутых уклонах при высоких осевых нагрузках является важной научной задачей, имеющей большое научное и практическое значение для горной промышленности.

В экспериментальном плане эта проблема решалась многими авторами и накоплен значительный материал по качественному характеру угона пути в зависимости от грузонапряженности участка, плана и профиля линии, времени года. В значительной степени определены жесткостные характеристики пути в продольном направлении, жест-костные параметры скреплений и другие характеристики рельсош-пальной решетки. Однако обобщить этот материал и согласовать его с существующими теориями в условиях карьера до настоящего времени практически не удалось. Это объясняется, прежде всего, не только сложностью и многохарактерностыо процесса угона пути на крутых уклонах, но и несовершенством наших теоретических представлений об этом явлении. Практически это означает, что у нас отсутствует надежный аппарат для прогнозирования поведения путевой решетки в эксплуатационных условиях под воздействием продольных сил.

Эта ситуация усугубляется для железнодорожных путей на уклонах свыше 40%о в условиях карьера. Отличие подвижного состава, нагрузок, формирования поездов, от силы тяги локомотивов, кривых малого радиуса и, наконец, способа движения локомотиво-составов на подъем.

Стремление локализовать пути от угона при существующих конструкциях верхнего строения постоянных железнодорожных путей на крутых уклонах до 50%о в условиях карьера, а также использовать машины и механизмы при ликвидации угона пути не приводят к ожидаемым результатам. Именно последнее обстоятельство сыграло важную роль в резком возрастании сил угона пути.

В результате всего сказанного силы угона пути, появившиеся под движущимся полногрузным локомотиво-составом оказались значительно больше сил погонного сопротивления и сил сопротивления шпал и рельсов по подкладкам, включенных в противоугонную систему. Это привело к тому, что при отсутствии специальных противоугонных приспособлений угон пути стал повсеместным явлением, и борьба с ним стала обязательной.

Анализ многочисленных материалов, литературных источников (учебников, монографий, журнальных статей, отчетов по НИР и опытно-конструкторским работам) показал, что со стороны академических и отраслевых научно-исследовательских институтов проблемам карьерных железнодорожных путей уделяется крайне недостаточно внимания, а проблема обеспечения высокой надежности постоянных путей от продольных сил угона и механизации путевых работ на крутых уклонах является явной проблемой в горной науке.

В процессе анализа патентной информации обнаружено 113 авторских свидетельств и патентов, в том числе:

— по вопросам общего устройства пути — 16;

— по конструкции шпал — 12;

— верхнее строение пути — 43;

— по противоугонным элементам — 19;

— по устройствам к машинам и механизмам для ликвидации угона пути — 23.

Научные положения данной диссертационной работы заключаются в следующем:

— влияние сил сцепления локомотивов на крутых уклонах;

— наибольшие влияния продольных сил угона в кривых;

— роль стыков в образовании угона пути в условиях карьера на крутых уклонах;

— разнополюсное перемещение рельсовых нитей в кривых.

Достоверность научных положений подтверждается практикой эксплуатации новой выездной траншеи на руководящем уклоне 50%о в условиях Лебединского ГОКа.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем: установлена зависимость продольных сил угона от радиуса кривой, от силы сцепления, от увеличения уклонов, разработаны технические решения по локализации пути от угона в кривых, разработаны схемы закрепления пути на крутых уклонах.

Практическая ценность результатов работы заключается в разработке рекомендаций по закреплению пути от продольных сил угона на разных уклонах, в кривых, противоугонных устройств и путеразго-ночных машин.

Разработанные схемы закрепления пути от угона, противоугонные устройства и технические решения к путевым машинам и механизмам внедрены на карьерах КМ А.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

1. На основе исследований и практических наблюдений на железнодорожных путях Лебединского карьера с уклонами 50%о и более, впервые были выявлены следующие закономерности:

— при движении груженого состава с локомотивом, стоящим в хвосте поезда, по руководящему подъему 50%о на прямолинейных участках пути угон рельсов происходит в направлении, противоположном направлению движения поезда («отрицательный» угон);

— в кривых участках пути происходит «разнополюсное» перемещение рельсовых нитей. Внутренняя нить имеет «положительный» (по ходу движения поезда) угон, а наружная (упорная «отрицательный»), т. е. угон в обратном направлении и все это зависит от радиуса кривой;

— в зоне перехода от руководящего подъема к площадке или наоборот, угон пути происходит по направлению движения поезда. Наибольший угон будет при минимальном радиусе кривой. По мере возрастания радиуса кривой сила угона рельсошпальной решетки и величина отрицательного угона по наружной нитке уменьшается, а внутренняя нитка смещается по ходу движения иди больше части не имеет угон.

— на затяжных спусках угон путей также происходит по направлению движения поезда, но с большей величиной, так как силы угона существенно возрастают с увеличением длины руководящего спуска;

— угон рельсов в зимнее время в 3−4 раза больше, чем в летний период;

2. Необходимо отметить, что эти результаты исследования не согласуются с существующими теориями угона пути, а также с действующими схемами поставки противоугонов. Следовательно, необходимо создание новых конструкций верхнего строения пути, противоугонных устройств и способов закрепления пути от угона на крутых уклонах, способных противостоять воздействиям на рельсы подвижного состава, достигающим под осями тяговых агрегатов и думпкаров 350 кН при уклонах до 80%о.

3. Последнее требование исключает возможность применения известных зарубежных или отечественных рельсовых скреплений, разработанных для карьерного транспорта.

ГЛАВА IV. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ.

РЕШЕНИЙ.

4.1. ОЦЕНКА ПОТРЕБНОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЛЬСОШПАЛЬНОЙ РЕШЕТКИ ПРОДОЛЬНЫМ СДВИГАЮЩИМ СИЛАМ ПРИ ЗАТЯЖНОМ СПУСКЕ.

И НА ПОДЪЕМЕ.

Многочисленные исследования и практика эксплуатации карьерных железнодорожных путей подтвердили о необходимости создания новых методов расчета пути от угона на больших уклонах при затяжном спуске и отдельно для закрепления пути от угона на подъеме, а так же на кривых.

Для определения сил угона под подвижным составом и для сопоставления их с расчетными данными, полученными по существующей методике принять.

— Зя/4кЗл/4к.

Р = Гр с1х + Гр с1х, (4.1) у Л упрJ Тр. ' 4 '.

Зл-/4к Зл/4к где Ру — сила угона пути, Н;

Р — величина продольных сил на единицу длины, вызванных упругими свойствами подрельсового основания в горизонтальной плоскости, 'Н/м;

Р — величина продольных сил трения на единицу длины при проскальзывании подошвы по подрельсовому основанию, Н/мк — коэффициент относительной жесткости рельса и подрельсового основания, см" '.

Величина сил упругости на единице длины вычисляется следующим образом:

Рупр = (0,5Кш/а + 0,5АРкС2)(ДХф ± ДХС), (4.2.) где Кш — коэффициент усилия необходимого для сдвига. Вдоль пути непогруженной шпалы на 10 мм, Н/мо. it, а — расстояние между осями шпал, мм;

А — коэффициент продольной упругости, характеризующий качество балласта и форму шпалы, см ';

Рк — сила давления колеса, Н;

ДХф — перемещения точек подошвы рельса в результате поворота его сечений при прогибе (мм), которое определяется по формуле: ДХф = 0,5hPKDzK2/V (4.3) где h — высота рельса, мм;

К — коэффициент усилия, Н/м2;

V — модуль упругости подрывного основания, Н/м2;

CZDZ — функция Хк, получающиеся в результате интегрирования уравнения балки на сплошном упругом основании.

Cz = lkx (cos kx + sin kx), (4.4.).

Dz = lkx sin kx, где ДХС — величина взаимного смещения точек подошвы рельса и основания (в ту или другую сторону), изменяющая свое значение по длине рельса, мм.

Сила трения на единицу длины считаются равными:

Ртр = 0,5PkKKtpCz, Н/м (4.5.) где К^р — коэффициент трения между подошвой рельса и подкладкой.

Максимальная сила угона Ру по расчету получается не более 110 кН на 25 м звено против 142 кН, а в отдельных случаях до 217 кН (опытные данные).

Анализируя изложенный выше метод расчета необходимо отметить его упрощенность и несоответствие существу работы конструкции верхнего строения пути. Тем не менее, этим расчетом инженеры-путейцы пользуются, потому что другого нет. Кроме того, применяющийся в настоящее время метод расчета пути от угона в условиях карьера дает удовлетворительное совпадение с опытными данными по его направлению на небольших уклонах, на спуске, на переломах профилей, то есть в начале и в конце руководящего уклона, а так же на нулевых местах. Между тем, надо отметить несовпадение сил угона, недостаточное сопротивление рельсошпальной решетки и большой сдвиг пути.

Таким образом, опытные данные подтвердили, что сила угона намного превышает погонное сопротивление рельсошпальной решетки против расчетных по существующей методике.

Чтобы правильно определить силу угона и закрепить путь от угона необходимо иметь новый метод расчета пути с учетом всех влияющих факторов на угон пути.

Правильное определение сил угона для закрепления пути от угона на затяжном спуске дает следующая расчетная формула (подтверждаемая многочисленными исследованиями и опытными данными): Р = Р + Р + N, кН (4.6.) туту' 4 ' где Рт — максимальная продольная сила, кН;

Ру — сила угона пути, возникающая от поворота сечений рельсов, кН;

Рт — дополнительная сила угона от трения торможения, кН;

N — сила угона, возникающая при ударе колеса в стыке на звеньевом пути, кН.

Дополнительная сила угона Рт может быть подсчитана по следующей формуле.

Рт = С (Д + 1 — а/)/11, кН (4.7.) где Рт — дополнительная сила угона от трения торможения, кНв — вес поезда, приходящийся на длину звена, кН;

Ь — доля тормозных осей в составе (0,75−0,95);

Л — коэффициент, учитывающий потерю кинетической энергии при местном уменьшении скорости от действия сил трения торможения (0,0124 4- 0,0279),.

1 — уклон профилясо^ - основное удельное сопротивление (0,002 0,004).

Данная расчетная формула необходима при расчете сил угона в карьерах, потому что в образовании угона пути на больших уклонах одним из влияющих факторов является сила трения колес, которая действует на всем протяжении пути. Наличие на постоянных железнодорожных путях множества стыков (через 25 метров), роль стыков в образовании угона пути велика, так как работа рельсового стыка в динамике довольно сложна.

О том, как происходит угон в стыке и каково влияние стыка на силу и величину угона пути, показано на рис. 4.1.

Колесо, находясь у стыка на отдающем рельсе, прогнет и отпустит его конец силой Р, будет способствовать некоторый поворот накладок. На принимающем рельсе появится выступ, то есть в стыке образуется ступенька величиной АЬ, в которую и ударяется движущееся колесо с силой ОСила раскладывается на составляющие Р и N. Сила N будет способствовать увеличению угона рельсов, а сила Р будет прогибать концы рельсов. В момент удара возникает реакция СГ, которая также имеет составляющие: вертикальную силу Р' и горизонтальную С, которая будет стараться остановить его, но это произойдет тогда, когда колесо катится по инерции, но поскольку на колесо постоянно действует сила тяги Р, которая намного превышает силу С, то колесо будет двигаться вперед под действием силы, равной разности рассмотренных сил, Е = Б — С. В то же время под действием силы Р' колесо несколько приподнимается над рельсом. В результате двух сил Б и Р' или их равнодействующей Е колесо опишет в воздухе кривую и ударит в точке а. Систематические удары колес, приведут к сдвигу рельсов.

Направление движения.

О' Р'.

Рис. 4.1. Работа рельсового стыка.

С) — сила удараЯ — радиус колесаа — угол удараАЪ. — высота ступеньки- 1 — величина зазора.

Силу удара можно определить из выражения (2 «225У, кН уд ' где Ууд = IV/ сЗ,.

4.8.) (4−9.).

Ууд — скорость соударения колеса с рельсом, м/с- 1 — величина зазора, мм- 6 — диаметр колеса, ммV — скорость движения поезда, м/с.

Зная силу удара можно определить дополнительную силу угона N, возникающую в стыке в момент прохода колеса из выражения:

Зная, что величина перемещения рельсов зависит от суммарного сопротивления рельсошпальной решетки, то есть от стыкового К и погонного сопротивления у, а величина у зависит от конструкции промежуточных скреплений и от длины рельса Ь, то сопротивление Ы, действующее в стыке, можно определить расчетом (рис. 4.2.).

Для этого надо знать силу А, направленную к головке и подошве рельса, возникающую от натяжения одного болта силой О, а также силу Я: где а. — угол наклона плоскостей накладок к оси болтап — число болтов на одном конце рельса;

Кст — коэффициент трения накладок о рельс (0,2), для рельсов р651§ а — 0,25 отсюда.

Му = 225Ууд (1/с1)2, кН.

4.10).

А = 0/2Б1П а,.

II = 4пАКст = 2пКстд/8ш а,.

4.11.) (4.12.).

К=8,24пОКст, кН Натяжение О можно определить из выражения.

О = 2яМ/(1г + лКб (с! + Д)), где М — крутящий момент;

4.13.).

4.14.).

Рис. 4.2. Схема распределения сил в рельсах.

1. рельс- 2. накладка- 3. болт- 4. пружинный рельсовый соединитель.

11 — шаг нарезки болта (И = 3,5 мм);

К6 — коэффициент трения гайки о шайбуй — диаметр среднего круга трения нарезки гайки по нарезке болтов;

Д — диаметр среднего круга трения гайки о шайбу.

Отсюда, максимальное сопротивление в стыке Лт будет равно Ят = 8,24п<�Жсг + 0,5уЦ (4.15).

Окончательная формула будет иметь вид:

Рга = ру + Рт + ^ - (Я +0,5уЬ), (4.16.) илиЗтг/4кЗтс/4к.

Зл/4к 37г/4к.

4.2. СХЕМА ЗАКРЕПЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ ОТ УГОНА НА БОЛЬШИХ УКЛОНАХ.

Схемы закрепления пути от угона находят из недопущения продольной сдвижки рельсов под поездами. Суммарное сопротивление сдвигу вдоль пути шпал, включенных в противоугонную систему на каждом звене, превышает наибольшую силу угона пути, возникающую при проходе самых тяжелых составов.

Схема закрепления пути от угона для негруженного состава на затяжном спуске и нормы установки пружинных и шпальных противо-угонов на звене длиной 25 м показана на рис. 4.3 б. В табл. 4.1. приведены нормы установки их в зависимости от руководящего уклона и грузонапряженности участков. f.

Напрабление Ъбижения? Направление Ьбыжения '2 / Напрабление угона ^ 4 Направление угона 6.

Напрабление Ъбижения.

Напрабление угона.

Напрабление угона Внутренне г о рельса illi fliili fi l.

ПпП. г 1 нП. г .л I — п .4 M 1 -1 г- 1.

J" 9 II 1 1 I 1 1 1 I | «i» 1.

Щ J ТО 1 1 J L П 1 и 1 J Г 1 t ^ наружного рельса 1 2 3 4.

Рис. 4.3. Закрепление пути от угона.

1. рельс- 2. шпала- 3. шпальный противоугон- 4. рельсовый противоугон.

Заключение

.

На основании комплекса теоретических, экспериментальных, опытно-промышленных исследований и конструкторских разработок, отраженных в данной диссертации, были получены следующие результаты:

1.Показано, что развитие перспективного открытого способа добычи полезных ископаемых идет по пути увеличения глубины карьеров, насыщение железнодорожного вида транспорта, перехода руководящих уклонов к 50%о и более.

2.Установлено, что применяемые в настоящее время противоугонные устройства магистральных путей и схемы их закрепления не обеспечивают надежность транспортных путей на крутых уклонах.

3.Определен новый подход к организации эксплуатационных наблюдений, позволивший получить дополнительную информацию о работе транспорта и путей в условиях больших уклонов.

4.Установлено, что расширение области применения железнодорожного транспорта требует создания и внедрения более мощных противоугонных средств и новых схем закрепления путей от угона, обеспечивающих надежную и безопасную работу на уклонах 50%о и более.

5.Разработана математическая модель процесса угона пути на крутых уклонах. •.

6.Проведены экспериментальные исследования взаимодействия элементов рельсошпальной решетки под поездной нагрузкой при различных типах верхнего строения пути и подвижного состава, позволяющих проверить правильность теоретических исследований, выявить влияние конструкции пути, в частности, рельсовых скреплений на интенсивность расстройства узлов, износ и выход из строя элементов скреплений.

7.Разработана методика определения оптимальных параметров верхнего строения железнодорожного пути, эксплуатируемого на уклонах свыше 50%о. Впервые установлен характер поведения рельсошпальной решетки в кривых, установлена зависимость силы угона от радиуса кривой, от сил сцепления колеса с рельсом, от направления движения подвижного состава и «разнополюсное» перемещение рельсовых нитей в кривых на железнодорожных путях.

8.В работе предлагаются общие выводы и рекомендации новых технических схем закрепления железнодорожного пути для стабилизации ширины колеи и локализации сил угона, а также пути повышения рельсовых скреплений, противоугонных систем, приведены технико-экономические расчеты.