Основные направления в совершенствовании конструкции стрелочных переводов, их узлов и элементов

• Особенности оптимизационных задач, возникающих при разработке стрелочных переводов
• Оптимизация геометрических характеристик и схем разбивки стрелочных переводов
• Совершенствование нормативов содержания стрелочных переводов
• Совершенствование конструктивных узлов и элементов стрелочных переводов
• Выводы

Математическая формулировка оптимизационной модели для задачи 1-го типа имеет вид

где Я( £) — целевая функция; Р( £), о (5 ), К_дип (£ ) вероятности возникновения условий нарушения безопасности движения, уровни напряжений и показателей динамики для данного значения Б, q,Y,и- числа нормируемых показателей каждого типа; [а] и [К] — означает допустимое значение.

Инженерное обеспечение задачи об оптимизации основных размеров узла стрелочного перевода заключается в разработке математической модели, позволяющей рассчитывать вероятности явлений, возникающих при движении колесных пар по узлу, получении статистики экспериментальных или расчетных данных по величинам напряжений в элементах узла и показателей динамики взаимодействия пути и подвижного состава на стрелочном переводе.

Второй тип задач оптимизации, возникающих при проектировании элементов стрелочных переводов — оптимизация размеров элементов узла, в случае, когда отказы элемента вызываются износом и дефектами контактно-усталостного происхождения.

К этому типу задач относятся задачи о проектировании оптимальных профилей рабочих поверхностей крестовин и остряков стрелочных переводов.

Пространство оптимизируемых параметров {П} представляет собой область значений координат точек профилей рабочих поверхностей элемента п [П((Т = 0),…, П_п (Т = 0)], где П1 (Т = 0),…, П_п (Т = 0) — координаты профиля рабочей поверхности элемента в п характерных точках при наработке Т=0.

Технология изготовления элемента и особенности его работы накладывают на переменные ограничения.

Другой тип ограничений выражает условие отсутствия, или лимитирования повреждений в элементе.

Цель оптимизации профиля рабочей поверхности элемента заключается в получении максимальной его наработки до отказа.

Для решения задач второго типа используются алгоритмы нелинейного программирования.

Инженерное обеспечение задачи оптимизации форм рабочих поверхностей элемента состоит в изучении процессов износа и повреждаемости и построении их математических моделей, позволяющих определять функции износа и повреждаемости в процессе работы элемента в пути при любом первоначально задаваемом профиле его рабочих поверхностей п (Т = 0), с учетом вероятностного характера воздействия колес подвижного состава на элементы стрелочного перевода.

К третьему типу оптимизационных задач, возникающих при проектировании узлов стрелочных переводов, относятся задачи оптимизации форм специальных элементов стрелочных переводов, изготавливаемых методом литья или прокатки. Это задачи о проектировании профилей поперечных сечений острякового, контррельсового и других видов проката, используемых при изготовлении стрелок и крестовинных узлов.

Пространство оптимизируемых параметров {В} состоит из векторов в = [ Ь>1 (у),…, Ь_п (у)], где у — уровень, на котором задается размер Ь; п — число точек разбивки профиля.

Ограничениями являются в данном случае критерии прочности элемента, условия его размещения в узле и определяющие соотношения размеров. Цель оптимизации заключается в минимизации расхода материалов на изготовление элемента при обеспечении заданной его прочности.

Для нахождения оптимума в этой задаче целесообразно использовать алгоритм поиска локально оптимальных форм.

Инженерное обеспечение задачи оптимизации заключается в выборе подхода и построения математической модели напряженно- деформированного состояния элемента, а также в определении параметров ограничений предельных размеров элемента.

Четвертым типом оптимизационных задач для элементов стрелочного перевода являются задачи об усилении элементов в случае, когда конструктивные изменения не могут быть реализованы по причинам технологического порядка, особенностям компоновки узлов или другим причинам.

К задачам этого типа на стрелочных переводах относятся в основном задачи выбора конструкции хвостовой части крестовины типа общей отливки сердечника и наиболее изнашиваемой части усовиков, цельнолитых крестовин и т.д.

Пространство оптимизируемых параметров в данном случае совпадает с пространством конструктивных решений для данного объекта

{А} = 1/ А„ /-1

где а\ конструктивное решение, которое может быть решением задачи оптимизации.

Ограничения формируются, как условия выполнения требований, предъявляемых к техническому решению.

Поиск оптимума может быть выполнен путем непосредственного сравнения величины функции цели, однако, для этого необходим аппарат, позволяющий рассчитывать вероятностные распределения отказов как для существующих, так и для опытных конструктивных решений элемента.

Построение такой модели составляет инженерное обеспечение оптимизационной задачи данного типа.

Общая оптимизационная схема для узлов стрелочных переводов представлена на рис. 3.1 Схема может быть использована для стрелки, соединительных путей и крестовинного узла, для чего достаточно конкретизировать соответствующие блоки схемы. Весь комплекс работ представляет собой две взаимосвязанные ветви, соответствующие оптимизации узла в целом и его основных элементов.

Оптимизация геометрических характеристик и схем разбивки стрелочных переводов

Выполненным в разделе 2 анализом геометрических характеристик стрелочных переводов и отказов их основных элементов установлено, что более 50 процентов стрелок выходит из строя по боковому износу и, связанным с ним, дефектам криволинейных остряков. Резервом в снижении интенсивности износа остряков является уменьшение углов удара гребней колес в остряк при противошерстном движении, а также в передний вылет рамных рельсов при пошерстном движении по стрелке подвижного состава за счет оптимизации их геометрических характеристик. Уменьшение угла удара Ру, возможно, как за счет уменьшения начального стрелочного угла (Зн, так и за счет увеличения радиуса в начале стрелочной кривой. При оптимизации геометрических параметров стрелки непременным условием является неизменность угла стрелочного перевода и, для стрелочного перевода марки 1/11, радиуса переводной кривой. При этих ограничениях оптимизация |3н и Кн возможна только за счет увеличения теоретической длины стрелочного перевода с перемещением острия остряков в сторону переднего вылета рамных рельсов.

По данным путеобследовательских станций МПС, полученным при изучении характера бокового износа остряков стрелочных переводов (отчет ПС-8 за 2001 год) установлено, что наибольший износ и его интенсивность, а также развитие дефектов наблюдаются в остроганной части на расстоянии от 1 до 2,5 метра ост острия. Это соответствует сечениям остряков с шириной головки 10-20 мм. По остальной длине остряков износ развивается равномерно, поэтому, при оптимизации основное внимание должно уделяться указанной зоне.

В современной практике проектирования стрелочных переводов, расчетный угол удара (Зу, гребней колес в прижатый криволинейный остряк при протвошерстном движении подвижного состава, определяется при расчетном зазоре между гребнем колеса и рамным рельсом равным 30 мм (66). Максимальный, в наиболее неблагоприятных условиях, зазор может достигать 37-39 мм. Поэтому для дальнейших расчетов оптимизации геометрических характеристик стрелок принята зона исследований изменений начального стрелочного угла и начального радиуса от острия криволинейных остряков до сечения их головки 40 мм. Далее в пределах стрелки и крестовины сохранен существующий для стрелочных переводов радиус бокового пути — 300 м.

Исходя из перечисленных условий, оптимизационную задачу можно представить:

Пространство оптимизируемых параметров представляет собой область возможных значений векторов

Инженерное обеспечение задачи состоит из формул для определения компонентов вектора Т.

где 61 — ширина головки остряка в ьтом сечении (5 = 10, 20, 30 мм). Длина переднего вылета ш = Ьп — Ьт, где Ьп постоянная величина, равная практической длине типового стрелочного перевода без учета длины заднего вылета крестовины.

Теоретическая длина стрелочного перевода (Ьт) в расчетном случае определяется по формуле.

Где Ь₄₀ — проекция начальной стрелочной кривой (от острия остряка до сечения его головки 40 мм), определяемая как Rh Sin р₄₀ + Rh Sin р_н; Тпк — тангенс переводной кривой.

L пв — проекция прямой вставки от конца переводной кривои до математического центра крестовины определяемая по формуле: L пв = (1520 — 40 — Тпк Sin р₄₀ — Тпк Sin а_кр) Tg а_кр; а_кр ‘ угол крестовины;

На графиках рис. 3.2 представлены, выполненные расчеты зависимостей теоретической длины стрелочного перевода марки 1/11 от начального стрелочного угла при различной величине начального радиуса и определена зона для выбора оптимальных параметров рн и Rh.

Зона выбора оптимальных параметров начальных стрелочного угла и радиуса ограничивается теоретической длиной существующих стрелочных переводов — 28,048 м с установленными Рн и Я и предельной теоретической длиной — 29,5 м.

Изменение теоретической длины стрелочного перевода марки 1/11 в зависимости от начального стрелочного угла и радиуса остряка

длина принята из расчета сохранения установленной для массовых стрелочных переводов практической длины, размещения стыковых накладок и фундаментных угольников гарнитуры электропривода, а также из расчета, что дальнейшее перемещение острия остряков к стыку рамного рельса влечет наложение дополнительных динамических воздействий, от стыка рельсов и зоны перекатывания колеса с остряка на рамный рельс. Увеличение практической длины массовых стрелочных переводов неэкономично, т.к. при существующих схемах станций может повлечь затруднения при укладке стрелочных переводов и значительные капитальные затраты на переустройство станционных путей.

Для определения оптимальных величин |3н и Ян рассчитаны зависимости расчетного угла удара гребня колеса в криволинейный остряк при расчетном зазоре 30 мм, т.е. в сечение головки криволинейного остряка 30 мм, приведенные на рис. 3.3 и на основании данных рис. 3.2. очерчена зона возможных значений |3н и Ян.

Из графиков рис.3.3 следует, что минимальный угол удара гребня колеса в расчетное сечение головки остряка 30 мм (45,2′) обеспечивается при начальном стрелочном угле 25′ и радиусе 500 м. Однако эти значения следует соотнести с требованиями, обеспечивающими уменьшение износа остряков в сечениях, где он наиболее критичен. Как указано выше, наибольший износ криволинейных остряков и образование в них дефектов, фиксируются при эксплуатации стрелок на расстоянии от 1 до 2,5 метра ост острия остряков, т.е. в сечениях их головки 10-20 мм. Поэтому для определения оптимальных значений параметров (Зн и Ян необходимо проанализировать значения расчетных углов удара в сечениях остряка 10 и 20 мм для сравниваемых вариантов.

Данные расчета Ву для сечений головки остряка 30, 20 и 10 мм приведены в табл. 3.1-3.3.

Изменение расчетного угла удара гребня колеса в криволинейный остряк в зависимости от начального стрелочного угла и радиуса остряка

Таблица 3.1. Расчетные углы удара гребня колеса в сечение головки криволинейного остряка 30 мм

Радиус стрелочной кривой (м)	Угол удара в сечение остряка 30 мм при начальном угле стрелочной кривой (мин)
	10	15	20	25	30
300	49,64	50,88	51,72	54,67	57,13
350		47,45	49,26	51,49	54,63
400			46,6	48,97	51,7
450	• :			46,91	49,76
500	: ■ :		| 45,20		48,15

Таблица 3.2. Расчетные углы удара гребня колеса в сечение головки криволинейного остряка 20 мм

Радиус	Угол удара в сечение остряка 20 мм при начальном угле
стрелочной		стрелочной кривой (мин)
кривой (м)	10	15	20	25	30
300	40,94	42,44	44,45	46,91	49,76
350		39,69	41,84	44,45	47,44
400		. …	39,77	42,51	45,63
450				40,93	44,16
500				39,9	42,96

Таблица 3.3. Расчетные углы удара гребня колеса в сечение головки криволинейного остряка 10 мм

Радиус	Угол удара в сечение остряка 10 мм при начальном угле
стрелочной		стрелочной кривой (мин)
кривой (м)	10	15	20	25	30
300	29,8	32,83	34,47	37,6	41,08
350		30,01	32,79	36,06	39,69
400			31,48	34,87	38,61
450				33,98	37,77
500	.	—		33,13	37,05

Таблица 3.3. Расчетные углы удара гребня колеса в сечение головки криволинейного остряка 10 мм

Радиус	Угол удара в сечение остряка 10 мм при начальном угле
стрелочной		стрелочной кривой (мин)
кривой (м)	10	15	20	25	30
300	29,8	32,83	34,47	37,6	41,08
350		30,01	32,79	36,06	39,69
400			31,48	34,87	38,61
450				33,98	37,77
500	.	—		33,13	37,05

Из анализа данных табл. 3.1-3.3 следует, что оптимальное сочетание углов удара гребня колеса в наиболее изнашиваемые сечения головки криволинейного остряка 10-30 мм лежат в интервале (Зн 20′ при 11н 400 м. Этот интервал значений рекомендуются для проектирования стрелочных переводов массовых конструкций марок 1/11 и 1/9. Близкие к оптимальным являются также значения (Зн 15 и 25 минут при соответствующих значениях Ян 350 и 450м.

В табл. 3.4 приведены сравнительные кинематические характеристики типовой конструкции стрелки типа Р65 марки 1/11 и оптимизированной в варианте с начальным стрелочным углом 20 минут и радиусом 400 м для скорости движения поездов 50 км/час.

Таблица 3.4. Кинематические характеристики типовой и оптимизированной стрелок типа Р65 марки 1/11

Параметры		Единица измерения	Рекомен­дуемая величина	Типовая стрелка	Оптими­зированная стрелка
Непогашенное
центробежное		м/сек2	0,7	0,64	0,48
ускорение
Характеристика потери кинетичес­	10			0,158	0,127
кой энергии для сечений головки остряка (мм)	20	м/сек	0,225	0,195	0,161
	30			0,225	0,188

Из данных табл. 3.4 следует, что при применении оптимизированных геометрических характеристик (Зн и Ян параметры, характеризующие воздействие на наиболее изнашиваемую зону криволинейного остряка снижаются для различных сечений на 17-20%, при этом большее снижение обеспечивается для более тонких сечений.

Рассмотренное направление оптимизации геометрических характеристик стрелок использовано при разработке стрелочных переводов типа Р65 марки 1/22 для высокоскоростного движения поездов, в стрелочных переводах колеи 1067 мм Сахалинской ж.д. и в экспериментальном стрелочном переводе типа Р65 марки 1/11 с остряками касательного типа.

Совершенствование нормативов содержания стрелочных переводов

В разделе 2.2 проанализирована стабильность соблюдения в эксплуатации нормативов содержания стрелочных переводов. Установлено, что современные конструкции стрелочных переводов при сложившемся на железных дорогах уровне их содержания обеспечивают соблюдение норм безопасности движения поездов. Вместе с этим, нормы содержания ширины колеи в пределах соединительных путей и содержания ординат переводной кривой, установленные из условия обеспечения заданных технических показателей конструкции, в значительном количестве случаев при эксплуатации стрелочных переводов не соблюдаются. Эти нормы, в отличие от аналогичных норм, установленных для пути, не имеют градаций по условиям ресурсосбережения, обеспечения нормальных условий эксплуатации, предельных значений по безопасному пропуску поездов. Поэтому, линейными работниками путевого хозяйства порядок и сроки устранения отступлений от этих норм определяются в каждом отдельном случае на основании экспертной оценки. Объективность этой оценки зависит от опыта и квалификации, принимающих решение работников, и оценка не всегда может быть правильной.

Нормативы содержания переводных кривых по ординатам в последний раз пересматривались в 1991 году, и установлены на основании, выполненного ВНИИЖТ, комплекса исследований по совершенствованию норм содержания стрелочных переводов. Установленные предельные отклонения от проектных значений ординат +2 -10 мм по данным анализа раздела 2.2 при эксплуатации нарушаются в 33% случаев для стрелочных переводов с поворотными остряками и в 31%) случаев в переводах с гибкими остряками.

Для пути вне стрелочных переводов отступления от положения в плане рихтовочной нити круговых и переходных кривые оцениваются разностью смежных стрел с учетом длины неровности. Нормативы отступлений по рихтовке установлены Инструкцией по расшифровке лент и оценке состояния рельсовой колеи по показателям путеизмерительного вагона ЦНИИ-2 и мерам по обеспечению безопасности движения поездов № ЦП-515. Согласно этой инструкции могут оцениваться и переводные кривые на стрелочных переводах с непрерывной поверхностью катания. Оценку рихтовки переводной кривой стрелочных перевода с обычными крестовинами современные путеизмерительные вагоны выполнить не могут из-за искажения записи при проходе обычных крестовин.

Вместе с этим характер отступлений от положения переходных кривых в плане при промере ординат практически соответствуют отступлениям от стрел игиба той же переводной кривой при их промере хордой длиной 20 м, как это выполняется для круговых и переходных кривых. Наибольшее различие в отступлениях в плане упорной нити переводной кривой, полученных промером ординат — АЬор и отступлений от проектных стрел прогиба измеряемых от хорды — АБхр для стрелочных переводов будут отличаться на величину равную АЬор — АРхр8та_пк, где а_пк — угол поворота переводной кривой в точке измерения данной ординаты. Так как угол а_пк не превышает угла стрелочного перевода, различие в промерах отступлений ординат и стрел прогиба в одинаковых точках не превысят для стрелочных переводов марки 1/11 — 0,004, а для марки 1/9 — 0,0063 от измеренной величины, что значительно меньше точности самих промеров, составляющей 1 мм. Учитывая это, а также значимость коэффициентов корреляции величин отступлений в смежных ординатах (см.табл.2.8), отступления ординат переводных кривых можно оценивать по нормативам, установленным для переводных кривых, с их корректировкой применительно к условиям эксплуатации и конструкции стрелочных переводов.

Длина переводной кривой в массовых конструкциях стрелочных переводов марок 1/11 и 1/9 не превышает 20 м, поэтому при оценке ее состояния в плане следует руководствоваться графой табл. 3.3 инструкции ЦП-515, регламентирующей предельные отступления смежных стрел при расстоянии между их вершинами до 20 м включительно. Учитывая, что в отличие от промера стрел прогиба круговой кривой каждая ордината переводной кривой имеет свое значение, при ее оценке, кроме взаимных отступлений ординат следует учитывать и их отступления от проектных значений. Трансформируя табл. 3.3 инструкции ЦП-515 согласно изложенным условиям, получим для оценки переводных кривых массовых стрелочных переводов значения нормативов приведенные в табл. 3.5.

Для оценки принятых предельных отступлений, рассчитаны возможные углы удара в головку рельса переводной кривой при максимальной разности отступлений в величине ординат в смежных точках. Максимальная допускаемая скорость движения определена из условия не превышения, принятой при проектировании стрелочных переводов характеристики потери кинетической энергии при ударе гребня колеса в криволинейный остряк (\¥о= 0,225 м/сек).

Согласно расчетам, при разности отступлений в смежных ординатах 12 мм обеспечивается максимальная скорость 55 км/час, при 16 мм — 41км/час, а при 20 мм — 33 км/час. Это выше рекомендованных для нормирования скоростей (табл. 3.5), и обеспечивает необходимый запас, учитывающий возможное возрастание отступлений в период между проверками стрелочных переводов.

Таблица 3.5. Рекомендуемые нормативы содержания переводных кривых стрелочных переводов по ординатам

Установленная		Отступления			Оптими­зированная стрелка
скорость		фактических ординат от		Допускаемая
движения	Степень	проектных не более, мм		разность	0,48
поездов по боковому	отступления	В сторону увеличения	В сторону уменьшения	отступлений в смежных
направлению,				ординатах	0,127
км/час					0,161
	1	2	10	2	0,188
40	2	4	15	8
	3	6	20	12
25	2 3	6 8	20 25	12 16
15	2 3	8 10	25 30	16 20
Движение закрывается	4	Более 10	Более 30	Более 20

Согласно установленному инструкцией ЦП-515 порядку отступления разделяются по степеням:

1. степень — отступления, не требующие ограничения скорости движения поездов и устранения (установленные Инструкцией по текущему содержанию железнодорожного пути ЦП-774);
2. степень — отступления, устраняемые в плановом порядке без ограничения скоростей движения поездов;
3. степень — отступления, требующие устранения в первоочередном порядке, скорость движения до устранения неисправности ограничивается;
4. степень — отступления, требующие незамедлительного устранения, до устранения неисправности движение закрывается.

Значения отступлений ординат в сторону их увеличения в таблице 3.5 искусственно занижены с учетом того, что под воздействием подвижного состава и при боковом износе рельсов переводной кривой происходит изменение ординат в сторону их уменьшение. Отступления в сторону увеличения ординат, в основном, связаны с неточностями монтажа стрелочного перевода. Принятие более жестких норм в сторону увеличения значений ординат необходимо для стимулирования качественной укладки стрелочных переводов в путь.

Оценка состояния переводных кривых стрелочных переводов пологих марок 1/18 и 1/22 протяжением более 20 метров может производиться согласно требованиям таблицы 3.3 инструкции ЦП-515.

Предложенный автором способ оценки состояния переводных кривых стрелочных переводов в плане и дифференцированного нормирования отступлений, учитывающих их величину и условия эксплуатации вошли в проект указания МПС России железным дорогам «О введении опытных нормативов содержания переводных кривых»

Совершенствование конструктивных узлов и элементов стрелочных переводов

Общие требования к конструкции узлов и элементов.

От конструкции узлов, способов соединения и крепления основных элементов, рельсовых скреплений во многом зависит успешная эксплуатация стрелочного перевода в целом, надежность его работы в пути, затраты на укладку и текущее содержание.

Конструкция узлов и скреплений стрелочных переводов должна отвечать следующим требованиям::

• обеспечивать надежное крепление основных элементов с обеспечением стабильности рельсовой колеи и других контролируемых параметров на протяжении всего срока службы стрелочного перевода;
• обеспечивать максимально возможную равножесткость всей конструкции стрелочного перевода вертикальной и горизонтальной плоскостях;
• меть минимальный объем механической обработки и сверлений рельсовых элементов, влияющих на появление и развитие дефектов при эксплуатации;
• обеспечивать минимальные затраты и технологичность укладки и текущего содержания стрелочного перевода.

Схемы раскладки металлических частей стрелочных переводов

Схемы раскладки металлических частей стрелочных переводов с определением их размеров должны разрабатываться с учетом обеспечения:

• минимальных динамических воздействий подвижного состава на элементы стрелочных переводов (максимальная длина элементов с одновременным минимальным количеством стыков);
• возможность сварки стыков в пути при укладке стрелочного перевода;
• возможности изготовления, транспортировки и укладки узлов и блоков стрелочных переводов имеющимися современными средствами;
• технологичность и малозатратность текущего содержания стрелочных переводов.

Сформулированным техническим требованиям наиболее отвечает двухблочная схема разбивки. Применение такой схемы раскладки металлических частей возможно при использовании гибких остряков и длине стрелки, обеспечивающей установку в задних стыках рамных рельсов и рельсов остряков изолирующих стыков. При двухблочной схеме разбивки стрелочный блок должен непосредственно стыковаться с удлиненным крестовинным блоком без промежуточного блока соединительных путей. Такая схема, в сравнении с массовыми, распространенными в России, стрелочными переводами обеспечивает увеличение минимальной длины рельса в стрелочном переводе марки 1/11 с 7 до 11,8 метра, сокращение количества стыков с 16 до 12. Расположение всех стыков позволяет выполнить их сварку и разбить стрелочный перевод на удобные для укладки перевода в путь блоки.

Применение двухблочной схемы разбивки сокращает время на укладку и затраты на текущее содержание стрелочного перевода.

Двухблочная схема разбивки, разработанная по сформулированным требованиям, в настоящее время применена в стрелочных переводах типа Р65 марки 1/11 и 1/9 для путей 1-2 классов и в скоростных стрелочных переводах типа Р645 марки 1/11 на железобетонных брусьях.

Узлы стрелок

При разработке магистральных стрелочных переводов в конструкции стрелок следует стремиться к применению гибких остряков, обеспечивающих оптимальную эпюру стрелочного перевода, повышенную надежность в эксплуатации в сравнении со стрелками с остряками поворотного типа, сварку стыков в пути, а также обеспечивающих лучшие условия взаимодействия с подвижным составом.

Остряки поворотного типа с вкладыше-накладочным корневым креплением могут применяться в случаях невозможности использования гибких остряков, например в переводах марки 1/6.

Важным фактором в обеспечении надежной работы стрелок является конструктивное решение крепления рамных рельсов к подкладкам с подушками. В массовых конструкциях немодернизированных стрелочных переводов это крепление выполнено жестким с применением литых упорок, крепящихся болтами к рамному рельсу и подкладкам. Таке крепление обладает рядом недостатков: большое количество отверстий в рамных рельсах, являющихся концентраторами напряжений и снижающих их надежность; жесткое закрепление не обеспечивает упругое отжатие головки рельса и влечет повышенные напряжения в контакте гребня колеса и головки рельса; высокая металлоемкость и сложность в содержании.

Указанные недостатки типового крепления рамных рельсов исключаются при их упругом прикрепления. К такому прикреплению должны предъявляться следующие требования:

• конструкция подкладок с подушками должна обеспечивать установку упругих клемм, прижимающих подошву рамных рельсов;
• крепление рамных рельсов к подкладкам с подушками должно осуществляться без сверления отверстий в его шейке;
• усилие прижатия подошвы рамного рельса упругими клеммами должно быть не менее усилия прижатия клемм, установленного для промежуточных рельсовых скреплений, т.е. 10 кН;
• узлы крепления должны быть технологичны и просты в эксплуатации.

Учитывая повышенные требования, предъявляемые к угону рамных рельсов в сравнении с обычными путевыми рельсами, в конструкции стрелок с упругим прикреплением рамных рельсов должны предусматриваться дополнительные противоугонные устройства, обеспечивающие взаимное проектное положение рамного и остряка, но не препятствующие упругому отжатию остряка и рамного рельса под воздействием горизонтальных поперечных нагрузок.

При работе стрелок без внешних замыкателей, в зоне острия остряков на подкладках с подушками должны устанавливаться упорки, так как по условиям запирания стрелки электроприводом упругое отжатие рамного рельса должно быть минимальным.

В соответствии с этими требованиями разработана конструкция крепления рамных рельсов в стрелочных переводах для путей 1-2 классов и в модернизированных стрелочных переводах типа Р65 марок 1/11 и 1/9, внедренных в эксплуатацию на железных дорог России.

Узлы крестовины и контррельсов

При достаточно высоких эксплуатационных характеристиках массовых конструкций крестовин типа общей отливки с наиболее изнашиваемой частью усовиков они имеют ряд существенных недостатков к которым, в первую очередь относятся:

• низкая надежность заднего вкладыше-накладочного стыка, влекущая его быстрое расстройство в эксплуатации с образованием горизонтальных и вертикальных ступенек со стыкуемыми рельсами;
• резкий перепад жесткости в зоне перекатывания со стыкуемых рельсов на хвостовую часть крестовины;
• невозможность сварки примыкающих рельсов с крестовиной;
• поражаемость дефектами зоны передней врезки сердечника в рельсовые усовики.

Следствием перечисленных недостатков являются повышенные динамические воздействия в зоне заднего стыка крестовин, развитие опасных дефектов в хвостовой части, выкрашиваний и выколов во врезках (см.рис2.16).

Наиболее рациональным направлением в решении этой проблемы, на современном этапе является применение крестовин с приварными рельсовыми окончаниями, обеспечивающими размещение типовых накладочных стыков, возможность их сварки и исключающих резкий перепад жесткости в зоне перекатывания колеса с примыкающего путевого рельса на крестовину. Стыки передних врезок целесообразно исключить за счет применения объемлющего соединения рельсовых стыков с сердечником. Тонкие части литых усовиков, при этом, должны иметь укрытие по аналогии с укрытием остряков стрелок. Необходимое удлинение заднего вылета крестовин типа Р65 при переходе на конструкцию с приварными рельсовыми окончаниями, в сравнении с типовыми, составит для марок 1/11 и 1/9 около 1,5 м.

Сварные крестовины, разработанные согласно изложенным рекомендациям прошли все этапы испытаний, показали повышенные эксплуатационные характеристики и внедрены в настоящее время в стрелочных переводах для путей 1-2 классов и в перекрестных стрелочных переводах на железобетонных брусьях.

Ответственным элементом крестовины являются контррельсовые узлы. В анализе соблюдения нормативов содержания и отказов контррельсов, приведенном во второй главе отмечена недостаточная стабильность обеспечения нормативных размеров желобов контррельсов и отказы узлов из-за обрывов контррельсовых болтов. Типовая конструкция крепления контррельсов при помощи болтов и стальных вкладышей требует большого количества сверлений в ходовом рельсе, являющихся концентраторами напряжений. Не предусмотрена регулировка размеров желобов при текущем содержании. При замене ходового рельса в случае образования в нем дефекта требуется разборка или полная замена всего контррельсового узла.

Совершенствование контррельсовых узлов с учетом опыта эксплуатации типовых конструкций необходимо вести в следующих направлениях:

• контррельс не должен быть непосредственно связан с ходовым рельсом и передавать на него горизонтальные усилия, воспринимаемые им при ударах в отводы колес подвижного состава.
• ходовой рельс должен иметь упругое прикрепление к подкладкам контррельсового узла;
• должна обеспечиваться регулировка ширины желобов между контррельсом и ходовым рельсом при текущем содержании без разборки контррельсового узла;
• должна обеспечиваться замена ходового рельса без разборки всего контррельсового узла.

Согласно приведенным требованиям разработана конструкция контррельсовых узлов с контррельсом из специального прокатного профиля СП 850 не связанного вкладышами с путевым рельсом. Эксплуатационные испытания таких контррельсов подтвердили их преимущества перед типовыми в текущем содержании, а так же по стабильности размеров желобов при текущем содержании (см. рис 2.4-2.6.).

Рельсовые скрепления в стрелочных переводах

Рельсовые скрепления в значительной степени влияют на успешную работу всей конструкции. В отличие от промежуточных рельсовых скреплений обычного пути они должны обладать универсальностью применения, как для крепления рельсов соединительных путей, так и для крепления узлов стрелки и крестовины.

Применяемые в настоящее время в стрелочных переводах на деревянных брусьях шурупно-костыльные рельсовые скрепления, а на железобетонных брусьях скрепления типа КБ, не обеспечивают необходимой надежности в эксплуатации и требуют значительных затрат на текущее содержание. Об этом свидетельствуют результаты анализа соблюдения норм содержания при эксплуатации стрелочных переводов, приведенные в главе 2 (см. рис. 2.2.1-2.2.3).

При выборе скреплений для стрелочных переводов необходимо учитывать следующие требования:

• скрепления должны надежно крепить рельсовые элементы и узлы стрелочных переводов
• скрепления должны упруго передавать горизонтальные и вертикальные усилия от рельсовых элементов на подкладки и подрельсовое основание;
• скрепления должны обеспечивать сборку и укладку стрелочных переводов крупными узлами (полустрелка, крестовина, контррельсовые узлы);
• габариты крепящих элементов скреплений должны обеспечивать их установку в стесненных узлах стрелочных переводов;
• скрепления должны быть просты в монтаже и малозатратны в содержании;
• скрепления должны быть максимально унифицированы для стрелочных переводов на деревянных и железобетонных брусьях;
• скрепления стрелочных переводов должны быть максимально унифицированы с рельсовыми скреплениями обычного пути;
• в стрелочных переводах на железобетонных брусьях рельсовые скрепления должны обеспечивать регулировку по ширине колеи для компенсации допусков на изготовление брусьев и элементов стрелочного перевода и износа и деформации деталей в процессе эксплуатации.

В наибольшей степени сформулированным требованиям отвечают рельсовые скрепления с упругими клеммами ОП 105 (прототип клеммы Skl-14 германской фирмы Фоссло). Такие клеммы могут применяться как на деревянных, с подкладками СК, так и на железобетонных, с подкладками КБ, брусьях, размещаются в стесненных местах стрелочного перевода, обладают упругим ходом 12 мм, обеспечивают нормативное усилие прижатия подошвы рельса и визуальный контроль степени затяжки клемных болтов. Для установки клемм ОП 105 в пределах стрелки и крестовины должны применяться специальные подкладки с высокими ребордами, выполненными способами приварки или горячей штамповки.

Регулировка ширины колеи в скреплениях стрелочных переводов на железобетонных брусьях может обеспечиваться за счет применения несимметричных прокладок при малых диапазонах требуемых смещений (4-8 мм), или за счет применения специальных подкладок с набором регулировочных прокладок при больших величинах смещения рельсов.

Скрепления, в целом, отвечающие изложенным требованиям, применены в конструкции скоростных стрелочных переводов и в опытных образцах двойных перекрестных стрелочных переводов на железобетонных брусьях.

Выводы

1. Совершенствование геометрических характеристик массовых конструкций стрелок, с целью снижения воздействий колес подвижного состава на наиболее изнашиваемую зону криволинейных остряков, возможно при увеличении теоретической длины стрелочного перевода с сохранением его практической длины.
2. Оптимальное значение начального стрелочного угла и радиуса для массовых стрелочных переводов типа Р65 марки 1/11 составляет соответственно 20 минут и 400 метров. Зона близких к оптимальным значениям лежит в интервале (Зн 15 и 25 минут при соответствующих значениях Ян 350 и 450 м.
3. Применение стрелок с оптимизированными параметрами обеспечивает снижение воздействий колес подвижного состава в зоне наибольшего износа и образования дефектов криволинейных остряков на 17-20%.
4. Для оценки состояния переводных кривых стрелочных переводов могут быть применены дифференцированные нормы, установленные инструкцией ЦП-515 для круговых кривых с их трансформацией применительно к особенностям стрелочных переводов. Применение разработанных дифференцированных норм содержания переводных кривых по ординатам обеспечивает безопасность движения поездов с одновременным снижением затрат труда на текущее содержание.
5. Применение двухблочной схемы раскладки металлических частей в комплексе со стрелкой с гибкими остряками, обеспечивает минимальное количество стыков, возможность их сварки, улучшает условия укладки и содержания стрелочного перевода.
6. Применение упругого крепления рамных рельсов, в первую очередь в стрелках с гибкими остряками, обеспечивает снижение напряжений в контакте с колесами подвижного состава, повышение надежности работы рамных рельсов и удобства содержания.
7. Применение крестовин сварной конструкции, обеспечивает надежную стыковку с примыкающими рельсами, исключение дефектов хвостовой зоны, сварку стыков алюмино-термитным способом и снижение расходов на текущее содержание.
8. Применение контррельсов, не связанных вкладышами с ходовыми рельсами с упругим креплением ходовых рельсов позволяет повысить стабильность ширины желобов в эксплуатации, регулировать размеры желобов, повышает надежность работы ходовых рельсов и удобство текущего содержания.
9. Применение раздельных рельсовых скреплений с клеммами пруткового типа ОП 105, обеспечивает надежное закрепление рельсовых элементов, упругую передачу нагрузок от подвижного состава на подрельсовые основания, технологичность и малозатратность в эксплуатации.