Пояснительная записка (Капитальный ремонт пути с использованием машины ВПР-02 с блоком стабилизации и машины РПБ-01), страница 7

Рисунок 3.7 Накопление относительной осадки уплотнения в элементарном объеме балласта при значениях циклической нагрузки

В основу построения моделей уплотнения положено допущение, что при формоизменении одного или нескольких объе­мов балласта с их объединением происходит полная диффузия сте­пени уплотнения по сформированному объему. В результате образу­ется объем с равномерным распределением степени уплотнения (го­могенный объем). Альтернативная модель уплотнения подразумевает полное отсутствие диффузии степени плотности с формированием предельно уплотненного ядра, имеющего четкую границу с массой балласта в исходном состоянии (рисунок 3.8).

При смещении вибрирующей поверхности на величину , м, она производит соответствующее вытеснение объема балласта , м³. В результате образуется ядро с предельно уплотненным балластом, имеющее объем , м³. По мере по­дачи вибрирующей поверхности ядро увеличивается в объеме ( ), смещается его граница с зоной неуплотненного балласта, характе­ризуемого относительной осадкой уплотнения .

Рисунок 3.8 Модель уплотнения бал­ластного материала с образованием ядра уплотнения

Гетерогенная модель в значительной степени отражает смещение и рост ядра уплотнения вследствие активных смещений частиц виб­рирующей поверхностью. Вместе с тем происходят пассивные сме­щения частиц под действием веса и распространяемых ударных волн в балласте при отрывной работе указанной поверхности. Результат такого силового воздействия выражается в диффузии степени уплот­нения и «размывании» границ ядра.

Таким образом, процесс уплотнения балласта вибрирующей по­верхностью является комплексным и к настоящему времени изучен­ным еще недостаточно. При проектировании уплотнительных рабо­чих органов путевых машин необходимо производить оценку фак­торов силового взаимодействия уплотняющих поверхностей и балластного слоя. В модели силового взаимодействия используются эмпирические зависимости и поправочные коэффициенты. Обычно рассматриваются участвующие в процессе объемы балласта до уп­лотнения и после, которые имеют границы. Границы составляют эле­менты рабочего органа, РШР, нижнее строение пути, прилегающие слои балласта или воздух. В последнем случае смещения балласта при силовом воздействии не ограничиваются. Считается, что уплот­ненный объем балласта имеет равномерное распределение показате­лей уплотнения и может граничить с неуплотненными зонами.

При внедрении уплотняющей поверхности в балластный слой на нее воздействуют реактивные силы сопротивления среды, которые определенным образом распределены по уплотнительной поверх­ности. Если поверхность перемещается поступательно, то давле­ние принимается равномерно-распределенным по ней (см. рисунок 3.1). В случае, если поверхность движется поступательно с наклоном под углом атаки (см. рисунок 3.3), по ее длине реакция балласта распреде­ляется определенным образом: в передней части она меньше, а в зад­ней - больше.

При обжиме балласта лопатка подбойки захватывает частицы по периметру, поэтому учитывается ее площадь и дополнительная пло­щадь, образуемая частицами по периметру.

Максимальное усилие обжима достигается в точке максимума смещения лопатки (см. рисунок 3.2, а). Работа по уплотнению балласта совершается на участке обжима от точки 1, соответствующей удару о балласт в предшествующем цикле, до точки максимума. Общее смещение и обусловливается сме- щением, связанным с механизмом подачи и механизмом вибра­ции ,м.

При обжиме балласта лопаткой подбойки в каждом цикле возра­стает степень уплотнения. В начальном состоянии степень уплотне­ния характеризуется коэффициентом пористости , а после подачи подбойки на величину рабочего хода уплотненное состояние бал­ласта соответствует коэффициенту пористости . Поэтому в момент касания подбойки и балласта в первом цикле и завершения последнего обжима это и будет реактивное усилие балласта (рисунок 3.9).

Работа в каждом цикле отражается площадями заштрихованных фигур , а общая произведенная работа уплотнения по­лучается в результате их суммирования.

- реактивное усилие балласта в первом и последнем цикле обжима, кН; - работа уплотнения в первом и последующих циклах обжатия, кДж; - перемещение подбойки за время контакта, отрыва, цикла, м; - величина рабочего хода подбойки, м; - амплитуда, м, и угловая частота колебаний подбойки, рад/с; - скорость подачи подбойки, м/с.

Рисунок 3.9 Работа уплотнения, совершаемая подбойкой при обжиме балласта

Рассмотрим силовые и энергетические характеристики взаимодей­ствия с балластом вибрирующего клина, расположенного под углом атаки к направлению поступательного движения (см. рисунок 3.3, 3.4). В момент контакта клина с балластом происходит его обжим с одно­временным скольжением поверхности клина по балласту. В резуль­тате в некоторой точке на клин действует нормальное давление , кПа, и касательное напряжение которое вызвано силами трения (рисунок 3.10)

Рабочая поверхность клина про­изводит обжим балласта в направ­лении, противоположном направ­лению действия реактивного давле­ния (балласт обжимается не только в направлении, поперечном оси пути, но и вдоль пути).

Рисунок 3.10 Реактивные составляющие давления балласта на поверхность

клина виброплиты в точке

Полезная работа, затрачиваемая на уплотнение балластного слоя, совершается как виброприводом, так и тяговым средством (тепло­возом для машин ВПО). Кроме того, трение в контакте клина и бал­ласта способствует частичной разгрузке вибропривода и дополни­тельной нагрузке тягового привода. Проявляет себя эффект, анало­гичный «эффекту ножа», режущего материал при поступательном движении. Трение в контакте приводит к тому, что вибропривод может совершить меньшую работу, а тяговое средство - большую.

В отличие от лопатки подбойки (см. рисунок 3.1), реактивное давле­ние на поверхность клина не только изменяется в процессе обжима, но и распределено по длине клина неравномерно. В начале клина 1 оно меньше, так как меньше степень уплотнения балласта, и возрас­тает к концу клина 2 (рисунок 3.11).

- активные давления на виброплиту в первом и последнем цикле об­жима, кПа; - активные давления на тяговый привод в пер­вом и последнем цикле обжима, кПа; - длина уплотнительного клина, м; - угол атаки уплотнительного клина к оси пути, град.

Рисунок 3.11 Распределение вибрационных и тяговых усилий воздействия на бал­ласт в течение одного цикла колебаний и по длине клина виброплиты

Работа по уплотнению балласта совершается на участке контак­та клина и балласта 1 - 2, (см. рисунок 3.4). Силы, спроектированные на ось , обусловлены работой привода вибраций, а на ось - рабо­той тягового привода. В каждом последующем цикле колебаний со­вершаемая работа не изменяется, поэтому для определения мощнос­ти на обжим балласта достаточно проанализировать один цикл.

В момент касания балласта клином на него начинают действо­вать реакции, которые он преодолевает, развивая соответствующие активные давления, кПа, отраженные эпюрами для виб­ропривода и для тягового привода. После обжима балласта в одном цикле возрастает его степень уплотнения, соответственно, возросшие активные давления отражены эпюрами для вибропривода и для тягового привода.

Рассмотренные модели позволяют на основе кинематического анализа взаимодействия вибрирующей уплотнительной поверхнос­ти с учетом свойств уплотняемого балласта находить силовые и энер­гетические параметры уплотнительных рабочих органов, необходи­мые при их проектировании.

3.2 Уплотнение балластного основания железнодорожного пути рабочими органами циклического и непрерывного действия

Силовые и энергетические характеристики уплотнительного ра­бочего органа в системе «рабочий орган - балластный слой» опре­деляются кинематикой взаимодействия уплотнительной поверхнос­ти и объема балласта. Механические свойства объема уплотняемого балласта характеризуются его размерами, а также локализацией зон внутри объема с разной степенью уплотнения. В результате силово­го вибрационного воздействия уплотнительного рабочего органа или нагрузки от движущегося поезда происходит изменение степени уп­лотнения и характера локализации указанных зон вследствие изме­нения их объемов и перераспределения балластного материала. Мо­дель изменения относительной осадки уплотнения при вибраци­онном обжиме подразумевает определение объемов и их локализации до и после такого воздействия.

3.2.1 Уплотнение балластного основания рабочими органами циклического действия

Требуемый результат уплотнения балластного слоя в зоне под шпалами достигается, в зависимости от ряда факторов, либо при однократном, либо при многократном виброобжиме балласта ло­патками подбоек подбивочного блока (см. рисунок 3.1).

Вначале определим относительную осадку уплотнения объема балластного слоя под шпалой после однократного обжима. Пусть начальное состояние слоя характеризуется относительной осадкой уплотнения . Отсутствует локализация зон уплотнения. Обжим объема балласта в слое толщиной , м, производится из положе­ния лопаток, характеризуемого максимальным раскрытием , м, в положение минимального раскрытия , м (рисунок 3.12). Подбивка (уплотнение балластного слоя в зонах под шпалами) производится с технологической выправочной подъемкой , м.

Шалее рассмотрим относительную осадку уплотнения щебеноч­ного балласта в ядре уплотнения под шпалой после двукратного виб­рообжима балласта подбойками. После первого обжима подбивочный блок приподнимается, лопатки подбоек выходят из балласта. Под действием вибраций при подъеме блока образующиеся пустоты заполняются обсыпающимся из шпальных ящиков балластом. При повторном обжиме образовавшиеся новые дополнительные объемы балласта должны заполнять ядро уплотнения.