Динамические стабилизаторы пути ДСП, МДС

Идея имитации уплотняющего воздействия поездной нагрузки машиной впервые была высказана отечественными учеными в 40-х годах прошлого века, а затем в 50-е годы ВНИИЖТ провел серию экспериментов, подтвердивших технико-экономическую целесообразность такого способа уплотнения. Доказано, что при наличии вертикальной составляющей вибрирования достигается более эффективное стабилизирующее воздействие при меньшей энергоемкости (в 1,25 – 1,3 раза). В 70-е годы австрийской фирмой Plasser & Theurer освоен выпуск динамических стабилизаторов DGS-62N. Рабочими органами динамической стабилизации пути оснащаются многие современные путевые машины. Екатеринбургским ремонтно-механическим заводом по проекту ЦКБпутьмаш в 80-х годах освоен серийный выпуск отечественных динамических стабилизаторов пути, превосходящих по своим параметрам лучшие зарубежные образцы. Этот тип машин постоянно совершенствуется. Накоплен большой опыт их эксплуатации на железных дорогах [31, 64, 77, 83].

10.11.1. Устройство и принцип действия динамических стабилизаторов пути

Динамический стабилизатор пути (ДСП) это машина, предназначенная для ускоренной и контролируемой стабилизации балластного слоя с сохранением в пределах установленных допусков и норм содержания положения РШР в продольном профиле, по уровню и в плане. Он используется в комплексах по выполнению финишных отделочных работ, включая работы после глубокой очистки балластного слоя [8, 57, 77, 83]. ДСП производит искусственное осаждение РШР под воздействием передаваемых через нее вибраций в сочетании с вертикальным прижимом.

В путевом хозяйстве применяются динамические стабилизаторы пути серий ДСП, ДСП-С (в т.ч. модификаций ДСП-С4 и ДСП-С6), МДС. Технические характеристики динамических стабилизаторов приведены в табл.10.2.

Динамический стабилизатор пути серии ДСП-С (рис. 10.74) имеет экипажную часть в виде рамы 2, опирающейся на переднюю тяговую 8 и заднюю бегунковую 15 ходовые тележки. На раме установлен силовой дизельный агрегат 3 с трансмиссией 9, унифицированной с машинами ВПР, устройства гидропривода, тормозная система, автосцепки 5, сигнальные устройства и устройства системы безопасности движения КЛУБ-УП. Основным рабочим органом машины является блок динамической стабилизации пути 14. Положение рельсовых нитей пути в продольном профиле и по уровню контролируется двухтросовой КИС, стрелографы которой выполнены по трехточечной схеме измерения. КИС включает переднюю тележку 6 с установленным на ней датчиком пути 7, измерительное устройство 10 с двумя датчиками продольного профиля 11 и заднюю тележку 16 с маятниковым датчиком уровня. На тележках монтируются стойки, между которыми натягиваются нивелировочные измерительные тросы 13.

Машина может дополнительно оснащаться КИС для контроля параметров положения пути в плане с базовой трос-хордой 12, натянутой между тележками 6 и 16. В этом случае на измерительном устройстве 10 дополнительно устанавливается датчик стрелы изгиба пути в плане.

Управление машиной в рабочем и транспортном режимах производится из кабин 1 и 4, в зависимости от направления движения.

В транспортном режиме привод на колесные пары тяговой тележки осуществляется, в зависимости от модификации машины, через механическую или гидромеханическую трансмиссию. В рабочем режиме колесные пары машины приводятся от гидромотора. Ходовые тележки ДСП унифицированы с тележками машин ВПР, имеющих специальный диаметр колесных пар по кругу катания Æ710 мм.

В настоящее время освоен выпуск машины для динамической стабилизации пути МДС (рис. 10.75). Модернизации в основном подверглась экипажная часть машины – применены ходовые тележки бесчелюстной конструкции с увеличенным диаметром колес по кругу катания. Для более удобного реверсирования рабочего направления движения применены два измерительных устройства: переднее 8 и заднее 12. Стабилизатор дополнительно оснащен гибкой автоматизированной системой регулирования прижима виброблоков в зависимости от текущих осадок правой и левой рельсовых нитей. Регулируется рабочее давление в пневматических камерах соединения виброблоков и общей рамы. Применен более совершенный гидропривод рабочего органа и передвижения машины. Помимо автоматизированной системы контроля продольного профиля и уровня машина оснащена автоматизированной системой диагностики состояния во время работы основных узлов и систем.

Силовая передача МДС (рис. 10.76) включает реверсивную трехступенчатую гидромеханическую передачу импа T211 r.3 фирмы Voith (ФРГ) 7, которая через карданный вал связана с коробкой отбора мощности 4. Внутри коробка имеет зубчатую муфту 5 включения отбора мощности насосов 2 и 3, а также зубчатую муфту 23, включаемую в транспортном режиме передвижения машин. В рабочем режиме муфта 23 размыкается, а шестерня 24 входит в зацепление с зубчатым колесом. Вращение выходного вала коробки в этом случае передается от гидромотора 22 рабочего передвижения машины. Коробка 4 через карданный вал 21 связана с редуктором 19, имеющим дополнительно зубчатую муфту 20, отключаемую в режиме буксировки машины локомотивом или в составе поезда. Вращение от редуктора 19 передается через карданные валы 18 и 15 на осевые редукторы 16 и 13. Конструкции передней и задней тележек 17 одинаковы. В рабочем режиме задняя ходовая тележка получает привод на колесные пары 14 через редуктор рабочего хода 27, у которого включена зубчатая муфта 29, от гидромотора 28. В транспортном режиме, чтобы исключить заклинивание колесных пар, муфта 29 отключается. Масло в контуре охлаждения гидротрансформатора гидропередачи 7 циркулирует через воздушный маслоохладитель 1 с приводом вентилятора от гидромотора 30.

Конструкция и принцип действия рабочего оборудования в основном аналогичны стабилизатору ДСП-С.

Блок динамической стабилизации пути (рис. 10.77) содержит промежуточную раму 5, на которой через кронштейны 3 и пневмокамеры 2 установлены последовательно расположенные блоки 10, 13 и 16. Подъем в транспортное положение, опускание в рабочее положение и вертикальный прижим рамы с виброблоками к путевой решетке производится четырьмя гидроцилиндрами 4. Крепление промежуточной рамы в транспортном положении обеспечивается крюковыми захватами 17. Возникающие сопротивления движению блока динамической стабилизации воспринимаются тягами 7, 8. Тяги через универсальные шарнирные узлы соединяют раму и виброблоки с рамой машины 1. Винтовыми стяжками 1 производится регулировка продольного положения виброблоков относительно рамы 5.

Каждый виброблок имеет систему ребордчатых роликов и роликовых захватов, гарантирующих надежное удержание РШР при передаче вибраций. Во время работы виброблоки катятся по рельсам роликами 14. С внешней стороны головок рельсы одновременно захватываются роликовыми клещевыми захватами 15, которые приводятся гидроцилиндрами 20. Прижим роликов ребордами к головкам рельсов производится гидроцилиндрами 19. Параметры гидроцилиндров выбраны таким образом, что при закрытии захватов силы, действующие на головку рельса, уравновешены. Это позволяет при изменениях ширины колеи во время работы в кривых эффективно передавать вибрации на путевую решетку.

На каждом виброблоке установлен четырехдебалансный вибратор 18, позволяющий генерировать согласованные направленные вертикально и горизонтально вибрации, причем частота вертикальных вибраций в два раза выше частоты горизонтальных вибраций. Привод вибраций осуществляется от двух аксиально-поршневых гидромторов 6 через карданные валы 9, 12, соединяющие ведущие валы вибраторов и валы гидромторов.

Чтобы обеспечить соотношение частот горизонтальных и вертикальных вибраций w_{г /}/ w_в = 1 / 2 (рис. 10.78), соотношение числа зубьев колес 5 и 3 выбрано 2 / 1. Зубчатые колеса 5 синхронизируют вращение валов дебалансов 6 горизонтальных вибраций, а также ускоренного в два раза вращения дебалансов 4 вертикальных вибраций. Такое сочетание частот позволяет обеспечить формы траекторий колебаний путевой решетки в поперечной плоскости в виде фигур Лиссажу. Крайние траектории соответствуют вырожденным фигурам. Соотношения фаз колебаний блоков и путевой решетки в горизонтальной и вертикальной плоскостях выбрано таким образом, чтобы получить вырожденные траектории колебаний, соответствующие наиболее эффективному уплотнению балласта. На рисунке показаны положения дебалансов со сдвигом по фазам колебаний последовательно в одну строну: горизонтальных на p / 4, а вертикальных на p / 2. Это позволяет получить продольные формы колебаний путевой решетки в вертикальной плоскости, приближающиеся к получаемым при воздействии движущегося поезда, т.е. в виде бегущей волны, позволяющей чередовать нагружения и разгрузки слоя с большой частотой (скорость бегущей волны в м/с определяется по известной формуле v_б = l_б f, где l_б – длина волны, м; f – частота колебаний, Гц). В балласте происходят динамические процессы, аналогичные воздействию поездной нагрузки. Балластный слоя под шпалами эффективно уплотняется, путь приобретает свойства стабильности по отношению к нагрузке от поездов.

Для контроля геометрического положения рельсовых нитей в процессе работы и в измерительных проездах ДСП оснащаются КИС (рис. 10.79). Их принцип работы аналогичен КИС машин класса ВПР: используется трехточечная схема измерения стрел изгиба пути в продольном профиле по правому и левому рельсам с измерением относительного положения рельсовых нитей по уровню (двухкоординатная КИС). Вырабатываемые сигналы управления используются для автоматического регулирования усилия прижима рабочего органа по правому и левому рельсам, что дает возможность управлять осадками пути.

Измерение положения правой и левой рельсовых нитей в продольном профиле производится относительно правого 1 и левого 2 тросов-хорд, закрепленных на стойках 3 передней измерительной тележки 4 и стойках 16 задней измерительной тележки 14. При работе тележки вертикально прижимаются к рельсам пневмоцилиндрами для их подъема в транспортное и опускания в рабочее положения (не показаны). Натяжение хорд производится пневматическими цилиндрами 15, которые соединяются штоками с соответствующими трос-хордами, а корпусами закрепляются на задних стойках 16. Потенциометрическими датчиками продольного профиля 9 измеряются стрелы изгиба относительно тросов-хорд. Датчики устанавливаются на стойках 8, связанных с измерительными тележками 7, 12. В зависимости от направления движения, в работу включается одна из указанных тележек. Контроль положения рельсовых нитей по уровню производится датчиком уровня 17, расположенным на задней тележке 14. Координатная привязка к положению пути в точках сканирования датчиков осуществляется импульсным датчиком 5, который связан с измерительным колесом. В зависимости от конструктивного исполнения, датчик за один оборот вырабатывает от 5 до 20 импульсов на сканирование.

Машина оснащается аппаратно-программным комплексом «ЭСКОРТ-4100», разработанное НПФ «Электронные системы управления и приборы» (ООО НПФ «ЭСУП», г. Санкт-Петербург). Комплекс в зависимости от направления движения позволяет работать из передней и задней кабин управления, так как содержит две равнозначных по функциям контроля и управления группы блоков «ЭСКОРТ-4100.1» и «ЭСКОРТ-4100.2». Группа, в свою очередь, состоит из блока индикации КИС контроля положения пути 18, 20 и блока диагностики и клавиатуры 19, 21.

Комплекс обеспечивает: получение и сохранение измерительной информации о продольном профиле и осадках рельсов; автоматическое или полуавтоматическое управление давлением воздуха в пневматических амортизаторах виброблоков; диагностический контроль параметров рабочего режима узлов и систем машины. Данные о геометрическом положении пути с привязкой к расположению пикетных и километровых столбов записываются в виде стрел изгиба в продольном профиле, измеренных относительно хорд 1, 2 датчиками 9 (диапазон измерений ± 50 мм на длине хорды 18 м), данных о положении пути по уровню, измеренных маятниковым датчиком 17 (диапазон измерений ± 200 мм), расчетные значения осадок а также перекосов на базе до 20 м.

Контроль параметров геометрии пути может производиться в измерительном проезде и рабочем проходе. Длина каждого проезда должна составлять не более 10 км. Дискретность измерений пройденного пути составляет 1 м. Результаты измерений записываются в энергонезависимую память и могут отражаться на дисплеях блоков 18, 20.

Программно-аппаратный комплекс позволяет производить работу в следующих режимах: основной режим сбора и отображения информации датчиков с записью; режим индикации осадки по данным предварительного проезда; режим просмотра результатов измерений и записи; режим настройки каналов и установки пределов измерений; режим ввода констант – геометрических параметров КИС и пределов датчиков измерения продольного профиля и уровня; режим установки даты и времени; режим выбора масштабов графиков отображения информации; режим обмена информацией с автономным накопителем; режим тестирования устройства по запросу оператора; режим тестирования устройства; режим тестирования автономного накопителя; режим тестирования работоспособности датчиков и кабелей. Во всех режимах на экране отображается соответствующая информация в виде записей и графиков, позволяющая работать в интерактивном режиме с вводом необходимых данных через систему экранных меню и клавиатуру. Кроме того, на лицевых панелях блоков управления 18 … 21 имеются светодиоды индикации включения питания, возникновения отказов в системе и предупреждений.

При работе ДСП-С и МДС система позволяет произвести измерительные операции по контролю положения рельсовых нитей до и после рабочего прохода машины, а также в процессе работы осуществить оперативный контроль, получать визуальную информацию для принятия решений по управлению режимом работы машины, контролировать качество произведенной работы по стабилизации пути, а также реагировать на появление сообщений об ошибках. В рабочем режиме производятся измерения положения правой и левой рельсовых нитей в продольном профиле и по уровню с расчетом перекосов.

Для оценки осадки пути после работы ДСП-С или МДС необходимо производить два проезда: один измерительный, а второй – рабочий проход машины. При этом в измерительном проезде записываются стрелы изгиба пути h_2иi, (рис.10.80, а) а в рабочем проходе – стрелы изгиба h_2рi (рис. 10.80, б). Таким образом, в измерительном проезде косвенно записывается искривленная линия, характеризующая положение рельсовой нити до работы, служащая своеобразной базой для отсчета осадок стабилизации. В рабочем проезде принято допущение, что при стабилизации балластного слоя исходные неровности относительно большой длины не выправляются, так как выправка пути производится выправочно-подбивочной машиной. Кроме того, принимается, что измерительные точки 1 и 2 находятся на не выправленном пути. Поэтому стрела изгиба h_2рi, записываемая в рабочем проходе, содержит в себе информацию об исходном положении пути и о положении пути после работы ДСП. Это позволяет оценить текущее значение осадки пути в точке 3 хорды, имея информацию стрелах изгиба в точке 2 по формуле, мм:

(10.116)

где a, b – плечи измерительной хорды, мм.

Соотношение n = (a + b) / b – постоянный для КИС коэффициент, который заводится в режиме ввода констант. Для ДСП-С n ~ 3,5, для МДС при движении вперед n ~ 3,4, а при движении назад n ~ 4,0.

Измерения продольного профиля производятся на правой и левой рельсовых нитям, поэтому вычисляется оценка общей осадки пути путем усреднения измеренных осадок, мм:

(10.117)

где S_3лi, S_3пi – стабилизационные осадки левого и правого рельсов в i-й точке сканирования датчиков, мм.

Программой также предусмотрена отдельная оценка осадок правой и левой рельсовых нитей. При первичной статистической обработке данных измерений определяется средняя глобальная осадка на участке работ фронтом до 10 км.

10.11.2. Уплотнение балластного основания рабочим

органом динамического стабилизатора пути

Отдельно взятый виброблок ДСП совершает синусоидальные колебательные движения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, причем частота вертикальных колебаний ω_в = 2ω, рад/с, в 2 раза превышает частоту горизонтальных колебаний ω_г= ω, рад/с, а вертикальные колебания отстают по их расчетной начальной фазе на угол π/2 от горизонтальных колебаний. Это эквивалентно опережению по начальной фазе горизонтальных колебаний на π/4 по отношению к вертикальным колебаниям. Результирующая траектория вибрационного движения подошвы шпалы в поперечной плоскости представляет собой вырожденную седлообразную фигуру Лиссажу. Одновременно производится погружение шпалы в балластный слой, поэтому на колебательные движения накладывается постоянное смещение подошвы шпалы вниз со скоростью подачи V_п,.

Рассмотрим качественный характер процессов, происходящих при внедрении шпалы в балластный слой (рис. 10.81).

При уплотнении происходит виброударное взаимодействие подошвы шпалы с уплотняемым балластом. Особенностью процесса является то, что в течение цикла горизонтальных колебаний сначала происходит косой удар справа – налево (б), а затем косой удар слева – направо (в). При отрывном режиме взаимодействия (а) поверхность шпалы в точке 1 ударяет по поверхности балласта, после чего балласт обжимается в вертикальном направлении на величину S_в(1-2) до точки 2. В этой точке имеет место отрыв поверхности шпалы от балласта, после чего происходит упругая отдача балласта вверх. После прохода крайней точки 3 траектории шпала движется вниз до удара в точке 4 с балластом. Происходит обжим балласта до точки 5 на величину S_в(4-5), после которой шпала снова отрывается от балласта.

Одновременно с вертикальным обжимом подошва шпалы смещается сначала влево на величину S_г(1-2), а затем вправо на величину S_г(4-5). При смещении шпалы в контакте подошвы и балласта возникает сила нормального давления P_н, а также сила трения P_тр (см. рис. 10.81, б, в). При вибрационном смещении шпалы влево сила трения, воздействующая на балласт, направлена влево, а при смещении вправо – вправо. Результирующая сила воздействия P, направлена под углом трения φ_тр, к силе нормального давления. Сила трения P_тр совершает работу на участках горизонтальных перемещений S_г(1-2) и S_г(4-5), а сила нормального давления P_н – на участках вертикальных перемещений S_в(1-2) и S_в(4-5). При расчете захватываемого вибрационным воздействием объема необходимо учитывать угол передачи давления в щебеночном балласте a_п.

Амплитуды A_г и A_в горизонтальной и вертикальной составляющих колебаний шпалы определяются из анализа динамических колебательных систем «виброблок – путь». Используя принцип суперпозиции общую колебательную систему можно разложить на две отдельных подсистемы – со смещениями составляющих масс в горизонтальном и вертикальном направлениях. Модели, в которых рассматривается одна масса виброблока и пути, дают сильно заниженные значения амплитуд. В них не учитываются вертикальные и горизонтальные упругие связи рельсовых скреплений, упругость балластного слоя и сниженная поперечная упругость пути в целом. Для учета этих факторов необходимо анализировать сложные многомассные колебательные схемы.