Повышение прочности конструкции карьерных железнодорожных путей для комплексной механизации путевых работ на крутых уклонах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

Богданова Лариса Петровна

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

01.02.06 — Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.....................................................................................4

Глава I. Характеристика железнодорожного транспорта

на карьерах РФ и СНГ..................................................................9

Ы.Общие сведения о грузоперевозках в карьерах РФ

и СНГ.........................................................................................9

1.2.0собенности эксплуатации железнодорожного

транспорта в карьерах..................................................................12

1.3.Эксплуатация подвижного состава и техническая характеристика машин и механизмов для текущего

содержания пути в карьерах...........................................................14

1.4.Характеристика путевого хозяйства в карьерах............................19

Глава Н.Изученность проблемы на магистральных

1

железных дорогах........................................................................22

2.1 .Теоретические представления о причинах возникновения угона железнодорожного пути......................................22

2.2.3акрепление пути от угона , конструкции проти-

воугонов....................................................................................34

2.3.Тицовыс машины и механизмы для разгонки и

регулировки зазоров......................................................................36

Выводы по главе 2........................................................................39

Глава III. Исследование продольных сил угона рельсов на больших уклонах в условиях карьера.....................................42

3.1.Математическая модель работы рельсового стыка........................42

3.2.Пракгическос определение величины и направления угона пути при помощи контрольных реперов..........................46

3.3.Результаты эксплуатационных наблюдений.................................52

3.4.Инструментальные замеры микроперемещений

рельсов под подвижной нагрузкой................................................................................52

3.5.Результаты исследований динамических микроперемещений рельс под локомотивосоставом..................................................57

Выводы по главе 3............................................................................................................................78

Глава 1У.Разработка технических решений........................................................80

4.1.Оценка потребности сопротивления рельсошпальной решетки продольным сдвигающим силам при затяжном

спуске и на подъеме........................................................................................................80

4.2.Схема закрепления железнодорожного пути от угона

на больших уклонах................................................................................................................87

Глава У.Технико-экономические показатели..................................................97

5.1.Применение крутых уклонов траншей на железнодорожном транспорте.............................................................................................97

5.2.Применение универсальных противоугонных средств и

100

новых схем закрепления пути от угона на крутых уклонах.......

Заключение..........................................................................................................................................102

Библиографический список..............................................................................................104

Приложение 1....................................................................................................................................112

Приложение 2..................................................................................................................................116

Приложение 3.........................................................................................................126

ВВЕДЕНИЕ

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 верх-

него 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.

ГЛАВА I. ХАРАКТЕРИСТИКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА НА КАРЬЕРАХ РФ И СНГ

1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГРУЗОПЕРЕВОЗКАХ В КАРЬЕРАХ РФ И СНГ

Месторождения карьеров, подлежащие разработке открытым способом, характеризуются большим разнообразием горно-геологических условий, часто сложным залеганием полезных ископаемых и различными по физико-механическим свойствам вскрышными породами.

В 1990 г. из общего объема минерального сырья, добытого во всех странах мира, на долю открытого способа в среднем пришлось до 70%.

По горнорудным предприятиям эта величина составляла 73%, а, в конце 1995 года достигла до 85%. К 1995 году по предварительным данным открытым способом добыто 30-35% угля, 85% железных руд, 66-68% марганцевых руд, 76-77% руд цветных металлов.

В перспективе к 2000 г. ожидается дальнейшее увеличение удельного веса открытого способа добычи в частности, угля до 60% Нерудные ископаемые уже в настоящее время добываются исключительно открытым способом.

Развитие открытой добычи полезных ископаемых характеризуется и увеличением глубины карьеров, о чем свидетельствует таблица 1.1

Таблица 1.1

Характеристика глубины карьеров

Карьеры Глубина, м

1975 1985 1995

Сарбайский 220 350 360

Сабайский 200 300 310

Соколовский 200 250 280

Первомайский 160 220 230

Михайловский 135 210 240

Оленегорский 126 159 196

Лебединский 110 220 260

За последние 10 лет глубина карьеров в среднем увеличилась на 50-60 м. Планами реконструкции действующих карьеров КМА (Михайловского, Лебединского и Стойленского ГОКах) предусмотрено увеличение глубины карьеров до 300-350 м.

Вместе с тем планируется значительная концентрация и увеличение объемов добычи полезного ископаемого открытым способом в центральных районах РФ.

В 2000 г. горнодобывающие предприятия КМА (Лебединский ГОК, Стойленский ГОК, Михайловский ГО К) будут давать до 150 млн.т железорудного сырья. Разведанные запасы железных руд на КМА составляют 30 млрд.т. В настоящее время бассейн КМА стал крупнейшим железорудным бассейном мира, добывающим руду открытым способом.

Общие объемы перевозок горной массы на отечественных карьерах составили в 1995 году 5,9 млрд. м3 или 15 млрд. т. и имеются тенденции к дальнейшему росту.

В связи с экономической реформой РФ и СНГ к 1995 году, на горнорудных предприятиях перевозка горной массы уменьшилась.

Прежде всего это объясняется тем, что произошел спад потребностей сырья отечественными металлургическими комбинатами. В табл. 1.2 приведены данные по объему грузоперевозок на карьерах.

Таблица 1.2

Объемы грузоперевозок горной массы в карьерах

КАРЬЕРЫ Объемы перевозок, млн. т.

1975 1985 1995

Сарбайский 110698,5 96094,0 69726,1

Соколовский 66648,0 51581,0 42526,0

Михайловский 95927,3 118079,2 58907,8

Оленегорский 39210,1 54377,8 40216,7

Лебединский 35847,3 81378,6 98457,3

Ингулецкий 57847,3 66076,7 60123,1

Северный 102732,8 161159,6 150136,4

В таблице 1.3. приведены объемы перевозок горной массы различными видами транспорта на отечественных карьерах. Из таблицы видно, что основной объем перевозок был выполнен автотранспортом (64,6%), на втором месте по объемам грузоперевозок стоит железнодорожный транспорт (30,4%).

Однако с увеличением глубины карьеров роль железнодорожного транспорта будет возрастать, поскольку при этом улучшаются его технико-экономические показатели по сравнению с автотранспортом.

Таблица 1.3

Объемы перевозок горной массы различными видами транспорта

Вид транспорта Весь объем горной массы, включая руду

млн.м3 млн.м3 % к итогу

Железнодорожный 174772,5 437215,5 30,4

Автомобильный 322255,9 9300330,8 64,6

Конвейерный 22419,0 44138,0 3,1

Гидротранспорт 12169,3 22531,4 1,6

Транспортно-отвальные мосты 783,7 1410,7 0,1

По бестранспортной схеме 1684,5 34466,1 0,2

ВСЕГО: 534084,9 1439072,5 100.0

1.2. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА В КАРЬЕРАХ

По характеру работы карьерный железнодорожный транспорт значительно отличается от магистрального железнодорожного транспорта общего назначения. Основными отличительными чертами являются: наличие большого количества перемещаемых путей, небольшие скорости движения поездов и частое изменение направления движения составов, специфическое ведение путевого хозяйства и организация производства путевых работ. Кроме того, эксплуатируются локо-мотивосоставы сравнительно небольшой длины, пути имеют кривые малого радиуса (до 80 м) и большие уклоны. Тяговые агрегаты имеют осевые нагрузки до 320 кН.

Часть передвижных карьерных путей приходится производить на грунтах с пониженной несущей способностью, что вызывает значительные сложности в их содержании в процессе эксплуатации. Частые остановки состава, крутые уклоны, различные сложные поездные ситуации, требуют особых условий содержания и производства ремон-

тов путей особенно на крутых уклонах.

Рост глубины карьеров предопределяет необходимость применения больших уклонов железнодорожных путей. При глубине карьера до 60 м значения уклонов капитальных траншей и съездов на существующих карьерах не превышает 20-25%о (в период строительства карьера). При глубине карьера до 100-120 м руководящие уклоны, как правило, составляют 30-35%о. Вскрытие нижних горизонтов экономически целесообразно осуществлять наклонными съездами с уклонами пути более 35%о. С росто