Подготовка железнодорожного пути к скоростному пассажирскому движению на Горьковской железной дороге

• История вопроса и цели исследования
• Оценка состояния верхнего строения пути
• Выводы
• Список литературы

Оценка состояния верхнего строения пути

Меры для отмены ограничений скорости по состоянию земляного полотна

Мероприятия по лечению земляного полотна на Горьковской железной дороге, предусматривают реконструкцию водоотводных устройств в выемках, стабилизацию и уборку балластных шлейфов с откосов высоких насыпей, отсыпку контрбанкетов и берм и ряд других работ, выполняемых по известным технологическим процессам. Отличием железнодорожных путей Горьковской железной дороги является широкое распространение карстоопасных участков земляного полотна.

При практиковавшихся ранее на карстоопасных участках ограничениях скоростей движения поездов до 15-40км/ч о скоростном движении не могло быть речи, так как на их проезд нужен лишний час времени. По предложению НИЦ «Путь» Горьковская железная дорога с 1996г. ведет укладку противокарстовых лежней, которые становятся частью земляного полотна и перераспределяют давление поезда на устойчивое земляное полотно в случае карстового провала. Укладкой лежней обеспечивается безопасность движения поездов при скорости движения поездов до 120км/ч. Лежень (рис.2-3) предназначен для укладки под рельсошпальную решетку (над лежнем располагается 25-30см щебеночного балласта). Лежень изготовлен из жестких блоков длиною по 12.5м каждый (во время «окна укладки лежня» блоки соединяются стыковыми рельсовыми накладками).

Длина лежня определяется из условия не отлипания его концов в случае карстового провала и движения по лежню поезда.

Лежень имеет высоту 0.80м, ширину поверху — 3.2м и состоит из четырех железобетонных элементов, в которых роль арматуры играют 12 старогодних рельсов Р65 длиною 12.5м. В нижнем поясе блока лежня размещено 8 рельсов, а в верхнем — сжатом — 4 рельса. Вес блока лежня — около 70т. Для монтажа блоков использованы краны восстановительного поезда грузоподъемностью 125т.

В 1997г. на Горьковской железной дороге уложен противокарстовый лежень длиной 112.5м на перегоне Арзамас-Пешелань.

На потенциально карстоопасных участках пути с 1996г. службой пути Горьковской железной дороги при научно-технической помощи СГУПС введен мониторинг осадок основания земляного полотна высокоточным нивелированием, позволяющий выявлять границы опасных участков с точностью ±5м.

В местах активных карстовых процессов выполняется высокоточное нивелирование геодезических марок, установленных в основании земляного полотна. Как установлено из анализа данных наблюдений высокоточного нивелирования — велика вероятность карстовых провалов при скорости годовой осадки основания земляного полотна более 10-12мм/год.

Для оценки влияния на безопасность движения поездов пустот и ослабленных слоев в основании насыпей были проведены расчеты возможных осадок бровок земляного полотна с помощью разработанных НИЦ «Путь» и СГУПС объемных конечно-элементных моделей для расчетной программной системы COSMOS/M.

На рис.3 показано стыкование двух первых лежней двумя кранами. Всего для монтажа лежня потребовалось 5 «окон» каждое по 12 часов. После укладки противокарстового лежня по перегону была назначена установленная скорость.

За поведением лежня проводится наблюдение. Значительных температурных перемещений лежня не происходит, так как он засыпан слоем грунта и щебня.

После выполнения на карстоопасных участках пути усиления (укладка лежней, цементирование полостей выше горизонта грунтовых вод, упрочнение грунта оснований насыпей) на карстоопасных участках пути скорость движения поездов повышается до 120км/ч.

Нагрузочные испытания главных путей участка Москва — Горький-Московский

Для оценки фактического состояния пути Горьковской железной дорогой в

1999 и 2000г.!. проводились нагрузочные испытания пути вагоном-лабораторией ЛИГО (рис,4). Оценивались деформации пути, при нагрузках на ось до 30тс, что отражает процесс роста нагрузки на путь от подвижного состава при введении скоростного движения поездов. Результаты нагрузочных испытаний служили основой для принятия решений по:

-планированию различного вида ремонтных работ на путях, выявлению участков» требующих ремонта в первую очередь, рациональному использованию средств, выделенных на содержание пути,

-опенке возможности увеличения скоростей движения пассажирских поездов по состоянию основания пути и выбору технологий усиления пути для этих целей,

-планированию работ по геологическому обследованию железнодорожного пути.

При проведении нагрузочных испытаний пути на Горьковской железной дороге сплошным проездом и при исследовании деформативных характеристик элементов конструкции пути использовалась методика, апробированная на Октябрьской железной дороге и утвержденная Департаментом пути и сооружений МПС РФ. Согласно этой методике соответствие свойств подшпального и подбалластного основания пути установленным осевым нагрузкам и скоростям движения определяется упругой осадкой рельса под нормированной нагрузкой ЗОтс/ось, рассчитанной по формуле

где у₂ и у, — перемещения под нагрузкой р_г и р_х (осевые нагрузки на путь

при первом и втором проезде (равные Ютс/ось и ЗОтс/ось). Перемещения с погрешностью не более 0.01мм определяются измерительной аппаратурой и в оцифрованном виде обрабатываются и сохраняются в бортовом персональном компьютере. Проезды нагрузочного устройства выполняются со скоростью 3-6км/ч. Пройденный путь отмечается датчиком пройденного пути. Измерения вдоль пути ведутся через 0.1м. Результаты измерений с помощью программы обработки заносятся в базу измерительных данных, где дополнительно фиксируются названия ограничивающих станций обследуемого перегона, номера начального и конечного пикетов, смещения фактического положения нагрузочного колеса от пикетных столбиков, номера замеров, номинальная и фактическая нагрузка на ось. При обработке проводится преобразование данных, зафиксированных датчиком пройденного пути, с целью совмещения результатов, полученных при проездах с нагрузками р_х и р₂ в единой пространственной

координатной сетке с шагом по пути 0.1м. Для выделения мест с повышенными или сильно отличающимися осадками пути использованы следующие характеристики упругой осадки пути, получаемые обработкой результатов измерений по двум проездам с нагрузками на ось Юте и ЗОтс:

Расчетная осадка характеризует как уровень средней осадки, так и ее неоднородность по длине (неравноупругость подрельсового основания пути).

Осадка пути в зонах стыков имеет резко отличные характеристики (рис.5),

Упругие осадки в середине рельсовых плетей обычно не превышали 4-5 мм, достигая на стыках уравнительных пролетов и внутри стрелочных переводов 9-12мм (в два-три раза больше, чем в середине плети).

При оценке вклада каждого элемента пути в накопление общей осадки пути проводилось измерение общей осадки по головке рельса (нивелировкой), осадки шпал и осадки слоя земляного полотна толщиной около 0.7м.

Выделение участков пути с превышенным уровнем расчетной упругой осадки позволило определить места, ограничивающие скорости движения поездов. На них планируются ремонты, приводящие к снижению средней осадки пути. Измерения распределения осадки по элементам пути в сечениях показали, что упругая нашпальная прокладка ЦП-204, а также нашпальная и подрельсовая прокладки скрепления КБ-65 вносят 50-70% в общую осадку пути под нагрузкой. Установлено, что при скреплениях КБ-65 из-за зазоров в узле скрепления и нелинейности деформирования под нагрузкой резиновых прокладок темпы накопления остаточных деформаций пути в два-три раза выше, чем при упругих скреплениях БПУ-65.

Как видно из сравнения данных рис.7-8 при скреплениях КБ-65 с жесткой клеммой на пути формируются более короткие неровности с амплитудой в 2-3 раза большей, чем при упругих скреплениях (ЖБР-03).

Основное отличие работы упругих скреплений от скреплений с жесткими клеммами заключается в выборе люфтов в узле скрепления и в предварительном сжатии подрельсовых резиновых прокладок, медленном снижении силы нажатия на рельс упругими клеммами (рис.9-10). Если резиновую прокладку сжать силой более 2тс (нажатие одной клеммы на рельс не менее 1тс), то ее дальнейшее деформирование до определенного предела будет линейным. Жесткие клеммы, имеющие более высокое начальное нажатие на рельс, быстро и неравномерно теряют его из-за истирания рельса в месте контакта, из-за деформаций ножки клеммы и износа подрельсовой прокладки. При ослаблении нажатия некоторых клемм (снижения момента затяжки ьслеммных болтов до 7-8кг*м) в этих узлах скреплений начинает проявляться нелинейность характеристик резиновых прокладок и формируется нелинейность упругости подшпального основания. При недостаточной силе связи между рельсом и шпалой последняя может совершать свободные колебания в балласте, а они по своей частоте более опасны для накопления остаточных деформаций балласта, чем более низкие частоты вынужденных колебаний надежно связанных с рельсом и балластом железобетонных шпал.

Из-за худшего распределения давления колеса на шпалы при скреплении КБ (рис.11-12) железобетонные шпалах воспринимают большее давление рельса и больше деформируют балласт. Поэтому, при жестких клеммах быстрее развивается неравноупругость подрельсового основания.

Варианты расчетных схем для расчета напряжений в рельсах и шпалах в случаях значительной неравноупругости основания приведены на рис.13-14.

На рис. 15-17 приведены расчетные распределения нагрузок рельса на подрельсовые резиновые прокладки при разном количестве шпал, воспринимающих осевые нагрузки подвижного состава. При передаче осевых нагрузок от рельса на две «жесткие шпалы, максимальные напряжения сжатия на подрельсовой площадке шпалы примерно в три раза выше, чем при линейно- упругом подрельсовом основании на всех шпалах подряд.

Как видно из анализа данных рис.18 бесстыковые плети в процессе эксплуатации покрываются большим числом коротких неровностей с амплитудой до 5мм и только в зонах уравнительных пролетов амплитуда возрастает до 10мм, однако, такие неровности считаются при скоростях до 140км/ч малыми и не штрафуются. Система допусков в содержании рельсовой колеи отражает практические требования к содержанию при сравнительно невысоких скоростях движения поездов и не дифференцирована для разных типов скоростных вагонов. В разных странах мира эти требования существенно отличаются. По данным обследований ЛИТО в 1997-98г.г. для скоростной магистрали С.Петербург — Москва рекомендованы следующие значения оптимальной осадки пути (таблица 3).

На рис.19 приведен график оптимальной и допустимой осадки пути для различных скоростей, принятый для линии Москва — С.Петербург.
Для пассажирских скоростных вагонов нового поколения допуски по содержанию рельсовой колеи теоретически не обоснованы.

Оценка железнодорожного пути путеизмерителем ЦНИИ-4

Вагон-путеизмеритель ЦНИИ-4М предназначен для контроля и оценки состояния железнодорожных путей (главных и станционных) на основе бесконтактного измерения геометрических параметров пути в нагруженном состоянии и характеристик ускорений в кузове пассажирского вагона при высоких скоростях движения. Вагон-путеизмеритель ЦНИИ-4М Горьковской железной дороги представляет собой переоборудованный четырехосный цельнометаллический купейный пассажирский вагон серии 47Д, изготовленный в Германии в 1990г. Тележка некотлового конца вагона представляет собой переоборудованную тележку КВЗ-ЦНИИ-М производства ТПОВ. Тележка двухосная, бесчелюстная с двойным рессорным подвешиванием, люлечного типа, с буксами на подшипниках качения, с гидравлическими гасителями колебаний в центральном подвешивании. Поперечные балки шарнирно опираются на продольные боковые балки, которые, в свою очередь, опираются на горловины букс колесных пар. Для смягчения удара, между горловинами крышек букс и опорными частями балок установлены специальные кольца с резиновыми амортизаторами. Разбег колесных пар в пределах ±10мм на базе 2400мм. Конструкция балок обеспечивает постоянство вертикального расстояния между рельсами и балками.

Вагон-путеизмеритель ЦНИИ-4М осуществляет измерение и обработку:

-ширины колеи с диапазоном измерения ±30мм от номинала и погрешностью ±0.5мм,

-вертикальных перемещений букс относительно кузова вагона с диапазоном измерения ±50мм и погрешностью ±0.5мм,

-горизонтальных перемещений головки рельсов относительно кузова с диапазоном перемещения ± 100мм и погрешностью ±1мм,

-наклона кузова вагона к плоскости горизонта в поперечной и продольной плоскостях с диапазоном изменения угла крена ±8°, угла тангажа ±3° и погрешностью ±0.05°,

-пройденного пути вагона с погрешностью измерения не хуже 1м/км при скорости от 0.3 до 250км/ч.

По механическим воздействиям оборудование путеизмерителя ЦНИИ-4 относится к классификационным группам ММ1 (оборудование, крепящееся к кузову) и ММ2 (оборудование, установленное на тележках по ОСТ 32.7-83 и должно работать:

Для группы ММ1 в диапазоне вибрационных воздействий 1-150Гц при амплитуде ускорения 60м/с² и в условиях горизонтальных ударных воздействий при максимальном ускорении 30м/с² с длительностью ударов 10…..60 мс,

для группы ММ2 в диапазоне вибрационных воздействий 1-200Гц при амплитудах ускорений 300м/с².

При скоростях движения поезда до 100км/ч показания датчиков практически не зависят от скорости движения и погрешности измерения обычно не превосходят 1мм (рис.20-22).

Характеристики просадок железнодорожного пути

Для оценки влияния просадок пути на взаимодействие пути и подвижного состава при скоростном пассажирском движении результаты съемки пути представлены в виде статистических характеристик. В таблице 4 для примера приведены характеристики распределения просадок на 380-385км первого главного пути и 382-384 км второго главного пути.

Как видно из анализа данных таблицы 4 наименьшие просадки пути и наилучшая плавность движения поезда отмечается на 382-383км второго пути, где в 1997г. были уложены рельсовые плети со скреплениями БПУ (рис.24), максимальные просадки (амплитудой до 6мм) расположены в зоне уравнительных пролетов, в то время как на смежном 383км на участке со скреплением КБ-65 амплитуды максимальных просадок даже не в стыковых зонах доходят до 8-12мм.

Реконструкция плана линии для скоростного движения

Большая часть кривых на скоростном участке пути Москва-Горький имеет радиус более 1500м. В результате многочисленных выправок пути методом «сглаживания» однорадиусные кривые превратились в сложные, а на некоторых участках кривые не имеют параметрического описания. Их трудно превратить в однорадиусные. Для примера на рис.25 показан результат расчета реконструкции сложной кривой на станции Сейма под однорадиусную. Для этого требуются максимальные сдвиги влево до 3476мм и вправо до 2639мм. Нужна досыпка земляного полотна справа и слева, перестановка опор контактной сети и многие другие изменения постоянных обустройств.

Как видно из анализа данных рис.25 однорадиусная кривая характеризуется величиной непогашенного ускорения при скорости в 120км/ч не более 0.2м/с . Поэтому возможна выправка этой кривой как сложной, у которой непогашенное ускорение не будет больше 0.7м/с².

На Горьковской железной дороге принята методика подготовки плана линии для скоростного движения с использованием программы выправки сложных кривых профессора В.Б.Бредюка, которая состоит из следующих этапов.

Вначале проводится детальная съемка сложных кривых (измерение стрел изгиба по хордам).Далее рассматриваются варианты выправки этой кривой, обеспечивающие требуемый уровень комфортабельности движения пассажиров. На рис.26-27 приведены варианты выправки сложной кривой второго главного пути на станции Сейма. Если сдвиги не превышают 30мм, то непогашенное ускорение при скорости движения поезда в 140км/ч составит 0.7м/с . При большей величине сдвигов (до 300мм) удается уменьшить число радиусов кривой и снизить величину непогашенного ускорения до 0.2м/с .

Выводы

1. Скоростное движение пассажирских поездов организуется на Горьковской железной дороге на бесстыковом пути тяжелого типа в основном со скреплениями КБ-65, железобетонными шпалами, на щебеночном балласте. На раздельных пунктах участки пути с железобетонными шпалами чередуются с участками пути на деревянных шпалах. Имеются стрелочные переводы марки 1/9, подлежащие замене при введении скоростного движения. На части перегонов присутствуют уравнительные пролеты между бесстыковыми плетями, хотя при проведении капитального ремонта пути, начиная с 2001г., уравнительные пролеты между рельсовыми плетями не укладываются. В продольном профиле пути некоторые стрелочные переводы на раздельных пунктах оказались «в яме». Раздельные пункты почти везде имеют ограничения скоростей пассажирских поездов до 80 или 100км/ч.
2. Установлено, что эффективно вести усиление пути не на всем протяжении, а на скоростных участках (составляющих примерно 2/3 общей длины пути). Введение в эксплуатацию скоростных участков пути длиною по 30-50км каждый позволяет повышать участковую скорость движения поездов и получать отдачу от вложенных средств. На перегоне скоростного участка обеспечивается безопасное движение вагонов со скоростями до 160км/ч, а по раздельным пунктам — со скоростями 120-140км/ч.
3. Инструкцией по текущему содержанию железнодорожного пути ЦП-774 при скоростях движения пассажирских поездов до 140км/ч просадки пути до 10мм относятся к отступлениям 1-й степени и не штрафуются. Инструкцией ЦРБ максимальная просадка пути разрешена глубиной до 18мм. Норматив ЦПТ-55/2002 о приемке выправленного пути, допускает просадки 2-й степени глубиной до 15мм (от 9 до 15 шт./км пути) при скоростях движения 140км/ч. Необходимо провести исследование влияния параметров отступлений рельсовой колеи на взаимодействие пути и цельнометаллического пассажирского вагона (типа Д47) при скоростном движении.
4. Нормативами ЦП-774, Инструкцией ЦРБ №393 а также приказом МПС №41 от ноября 2001г. («Нормы допускаемых скоростей движения подвижного состава по железнодорожным путям колеи 1520мм федерального железнодорожного транспорта») не учитываются особенности плана и профиля дорог, построенных по устаревшим нормативам и длительное время находящимся в эксплуатации. Обычно на таких дорогах требуется улучшить сопряжение элементов плана и продольного профиля пути, что требует расчетного обоснования. Необходимо найти предельные значения этих параметров, при которых увеличение силовой нагрузки на путь не будет больше установленных пределов.
5. Так как документами МПС РФ не регламентирован порядок соединения бесстыковых плетей со стрелочными переводами без устройства стыков, то исследование этой проблемы представляет научный и практический интерес.
6. Целями исследования является установление зависимостей вертикальных и продольных сил взаимодействия пути и подвижного состава при проходе рельсовых стыков и определение допусков по просадкам и уширению рельсовой колеи, минимально допустимой длины элементов продольного профиля железнодорожного пути при скоростном пассажирском движении.

Список литературы

1. ADAMS User Guide. Mechanical Dynamics Incorporated, Ann Arbor, Michigan U.S.A., 2002.
2. COSMOS/M User Guide. USA, California, Los Angeles, Structural Research and Analysis Corporation, 2002.
3. Kalker J.J.: «Three-Dimensional Elastic Bodies in Rolling Contact, Solid mechanics and its application», Vol.2, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht/Boston/London, 1990.
4. Kik W., Piotrowski J.P.: «A Fast, Aproximate Method of Calculate Normal Load at Contact between Wheel and Rail and Creep Forces During Rolling». Prod. Of 2nd Mini Conf. on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems. Ed. I. Zabory, TU Budapest, 1996.
5. Numata M. Buckling strength of railway track // Journal By Engineering Research, №9, 1957.
6. Pearce T.G.: Theory of Railway Vehicle Dynamics, Part 1: Derivation of Equations of Motion, B.R. Rep.TNDA 31, 1973.
7. Polach O.: «A fast wheel-rail force calculation computer code», O.Polach, 16th LAVSD Symposium, 30.08.-02.09.1999, Pretoria, South Africa.
8. Альбрехт В.Г., Бромберг E.M., Иванов K.E., Лященко В.Н., Першин С.П., Шульга В.Я.. Бесстыковой путь и длинные рельсы. Москва, Транспорт, 1967.260с.
9. Альбрехт В.Г., Бромберг Е.М., Зверев Н.Б., Шульга В.Я., Чирков Н.С. Бесстыковой путь. Под редакцией В.Г.Альбрехта, Е.М.Бромберга. Москва, Транспорт, 1982. 206с.
10. Альбрехт В.Г., Крысанов Л.Г., Абдурашитов Д.Ю., ШмигаЮ.Н. Профильная обработка рельсов шлифовальными поездами с активными рабочими органами. Под редакцией В.Г.Альбрехта. Москва, Техинформ, 1999. 93с.
11. Бате, Вилсон. Численные методы анализа и метод конечных элементов. Москва, Стройиздат, 1982. 448с.
12. Боченков М.С. Продольные деформации в бесстыковом пути с автоматической разрядкой температурных напряжений // Вестник ВНИИЖТ, 1957, №7.
13. Бредюк В.Б. Автоматизированная система постановки пути в проектное положение // Путь и путевое хозяйство, №12, 1997.
14. Васильев А.Б. Применение системных методов для расчетов, конструирования железнодорожного пути и обоснования ресурсосбережения в путевом хозяйстве железных дорог. Автореферат докторской диссертации. Москва, МИИТ, 1998. 73стр.
15. Вериго М.Ф. Анализ методов математического моделирования динамических процессов в исследованиях развития бокового износа рельсов и гребней колес // Вестник ВНИИЖТ, №6, 1997. Стр.24-32.
16. Вериго М.Ф. Динамические модели устойчивости бесстыкового пути // Железные дороги мира, 1994, №10, стр.3-9.
17. Вериго М.Ф. Новые методы в установлении норм устройства и содержания бесстыкового пути. Москва, ВНИИЖТ, 2000, 184стр.
18. Вериго М.Ф., Коган А .Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. Москва, Транспорт, 1986. 559с.
19. Вершинский C.B., Данилов В.Н., Челноков И.И. Динамика вагона. М., Транспорт, 1972, 304с.
20. Виногоров Н.П., Зверев Н.Б., Хвостик Г.С., Перфильев C.B. Сварка переводов с плетями // Путь и путевое хозяйство, №9, 1997.