Деформативность и стабильность пути

  

    В течение длительного времени основным расчетным показателем, характеризующим работу пути, служила прочность элементов верхнего и нижнего строений. Пока уровень воздействия подвижного состава на путь превышал несущую способность верхнего строения с рельсами типа Р50 и легче такой подход вполне оправ­дывался. Исторически он был вызван тем, что повыше­ние мощности локомотивов и осевых нагрузок опережа­ло оснащение пути соответствующими элементами.

   Особенности движения экипажей, в первую оче­редь по бесстыковому пути, потребовали ввести кри­терии устойчивости рельсошпалыюй решетки против поперечного сдвига по балласту, а конструктивные недостатки отдельных типов подвижного состава обусловили необходимость применять показатели ус­тойчивости колеса на рельсе. Законченное оснащение сети дорог рельсами Р65 при полной эпюре шпал и щебеночном или асбестовом балласте в условиях ста­бильных осевых нагрузок сняло с повестки дня воп­росы прочности пути, и последний приказ о допусти­мых скоростях движения практически не предусмат­ривает ограничений по прочности элементов верхне­го строения для главных путей. Они оставлены только для станционных и подъездных путей.

Соблюдение критериев прочности и устойчивости пути, по которым устанавливают условия обращения подвижного состава, не исключает выхода из строя отдельных элементов верхнего строения и, главное, не ограничивает интенсивность накопления в нем расстройств и износов. Поэтому на повестку дня до­полнительно должна быть поставлена разработка по­казателей оценки деформативности пути. В данном слу­чае под его деформативностыо следует понимать спо­собность работать при ограниченном до определенно­го предела темпе нарастания амплитуд и количества остаточных деформаций.

На базе этих показателей надо подготовить комп­лекс мер по снижению интенсивности расстройств пути и, соответственно, затрат на его техническое обслуживание как при существующих, так и при пер­спективных условиях эксплуатации, что полностью отвечает корпоративным интересам ОАО «РЖД».

Можно выделить следующие параметры, от кото­рых зависит интенсивность накопления расстройств и износов пути:

устройства пути;

устройства подвижного состава, в частности, ва­гонов;

содержания пути;

содержания подвижного состава;

взаимодействия пути и подвижного состава, как результат взаимосвязи вышеназванных параметров;

обусловленные условиями эксплуатации.

Рассмотрим подробнее каждый из них с учетом их взаимозависимостей и возможностей управлять ими, включая специальные исследования.

Параметры устройства пути

   Эти параметры включают требования к конструк­циям верхнего строения, подбалластного основания и земляного полотна, к геометрии колеи. Конструк­тивные особенности верхнего строения в значитель­ной степени влияют на деформативные показатели пути в целом. Очевидно, нельзя считать завершенны­ми исследования по выбору типов рельсов для раз­личных условий эксплуатации. Кроме служебных свойств и качественных характеристик, а также раз­меров их отдельных элементов, нужно рассмотреть целесообразность укладки рельсов типа Р75 в особо сложных условиях. За счет увеличенного момента инерции эти рельсы передают нагрузки от подвиж­ного состава на большее число шпал, т.е. более рав­номерно их загружают и, как следствие, уменьшают напряжения в балласте под шпалой и замедляют развитие деформаций.

 

При выборе типа скрепления также надо учитывать условия эксплуатации. Едва ли можно считать пра­вильной существующую практику укладки одного типа скреплений на целых перегонах и даже участках, независимо от того, прямая это или кривая, среднего или малого радиуса. Это потому, что интенсивность расстройств узлов скреплений зависит не только от сроков замены их самих, но и от объемов устранения отступлений в ширине колеи и подуклонке рельсов.

Суть проблемы вот в чем. При расчетах и стендо­вых испытаниях принимается, что рядом располо­женные шпалы одинаково загружены. На практике это обеспечить почти невозможно, и отдельные узлы перегружаются. Необходимо более детально рассмот­реть вопрос об укладке в кривых раздельных подкла­дочных скреплений, а бесподкладочные нераздельные применять преимущественно в прямых участках.

Весьма действенная мера снижения интенсивнос­ти накопления расстройств — усиление эпюры шпал: в сложных условиях эксплуатации — до 2000 шт/км и на прямых участках — согласно СТН-Ц-1—95. Извес­тен также мировой опыт создания шпал с попереч­ными выступами в подрельсовых сечениях для увели­чения сопротивления поперечному сдвигу и с противодеформационными якорями. По нашему мнению, у нас нужно тоже выполнить соответствующие иссле­дования. Имеется четкая мировая тенденция к пере­ходу на так называемый кубовидный щебень фракций, например, 35—55 мм. Считается, что он хорошо со­противляется накоплению деформаций. На отече­ственных железных дорогах этот вопрос изучен слабо.

Таким образом, полезно частично вернуться к действовавшему по ППР-64 разделению пути на осо­бо тяжелый для сложных условий эксплуатации и тя­желый для остальных участков. Различие должно быть не только в качестве материалов и доле старогодных элементов, но и в конструктивных особенностях.

Принята программа оздоровления земляного по­лотна, по она выполняется очень медленно. На пер­вом этапе следует выделить подпрограмму осушения переувлажненных участков. В конечном счете цель ук­репления подбалластных слоев заключается в устрой­стве однородного по всей длине основания пути, ис­ключающего появление ослабленных мест, в которых развиваются деформации.

 

 

Как влияют геометрические параметры пути на его деформативность? В первую очередь она зависит от параметров кривых. Так, неправильное возвышение наружного рельса приводит к сдвигам пути, рас­стройствам ширины колеи, ускорению бокового из­носа рельса. Создание многорадиусных кривых вместо однорадиусных с целью уменьшить объемы сдвижек при рихтовке не только быстрее дестабилизирует путь, но и вызывает появление многочисленных пе­реходных зон, которые при неправильном устройстве представляют угрозу безопасности движения поездов.

 

     К ускоренному расстройству пути ведут также на­рушения в устройстве переходных кривых, в том чис­ле несовпадение по месту и длине отводов кривизны и возвышения, недостаточная длина таких кривых. В результате повышается крутизна указанных отводов, переломы профиля совпадают с переходными кривы­ми. Сущность предъявляемых к устройству переходных кривых требований, в том числе для замедления их расстройств, давно известна — нельзя допускать рез­ких изменений действующих на путь сил, а сама ско­рость изменения должна быть по возможности низ­кой.

Параметры подвижного состава

С точки зрения влияния на расстройства пути они менее управляемые, чем параметры устройства пути, но учитывать их необходимо. Например, ликвидация разбегов в буксах при переходе от подшипников скольжения к подшипникам качения резко увеличила необрессоренные массы, реагирующие на горизон­тальные неровности пути и при входе в переходные кривые. Если раньше при разбегах до 12 мм сначала в поперечном направлении смешалась ось и лишь затем начинался поворот тележки, то сейчас на любую не­ровность в кривой сразу реагирует вся масса тележки. Кроме того, из-за недостатков в работе рессорного комплекта кузов вагона частично становится необрессоренной массой. Велико сопротивление повороту те­лежки относительно кузова в кривых из-за недостат­ков в конструкции скользунов и пятникового узла.

   Зарубежный опыт показывает, что имеются конст­руктивные решения, существенно облегчающие вписывание подвижного состава в кривые. В частности, грузовые тележки с самоустанавливающимися в ра­диальное положение осями. С этих позиций тележка модели 18-100, разработанная более полувека назад, в значительной степени усугубляет расстройства пути.

Текущее содержание

Одним из главных факторов, влияющих на интен­сивность развития остаточных деформаций пути, яв­ляется система текущего содержания. Длительное вре­мя в его основе лежало предупреждение появления неисправностей, т.е. недопущение остаточных дефор­маций. Этот принцип был четко сформулирован еще в 1945 г. Г.М.Шахунянцем: «Задачей текущего содер­жания является предупреждение появления рас­стройств, именно предупреждение, а не устранение, пусть даже и своевременное». Несмотря на рельсы легких типов, эпюру шпал 1440 шт/км и преимуще­ственно песчаный балласт, путевые бригады в основ­ном успевали устранять расстройства на ранней ста­дии их развития. При этом нужно оговориться, что численность бригад была в 4—5 раз больше, чем сей­час, а грузонапряженность в несколько раз ниже.

   Усиление мощности верхнего строения пути, по­явление высокопроизводительных машин и соответ­ствующее сокращение численности бригад, занятых на текущем содержании, привело к смене приорите­тов. В настоящее время некоторые специалисты зада­чей текущего содержания считают только своевре­менное устранение крупных отступлений, представ­ляющих угрозу безопасности движения. Естественно, что возникновению значительных остаточных дефор­маций предшествует образование большого числа мелких расстройств — на сети дорог свыше 1,5 млн отступлений II степени в месяц — и часть из них не­избежно будет неуправляемо переходить в более опасные.

 

Получается замкнутый круг. Высокопроизводи­тельные машины, рассчитанные на работу в большие «окна» на широком фронте, для устранения отдель­ных отступлений использовать нецелесообразно ни с технической, ни с экономической точек зрения. Если перегоны длинные, то рост грузонапряженности зат­рудняет предоставление достаточного количества «окон» для применения машин. А малочисленные бригады с инструментом типа торцовых подбоек не могут обеспечить ни высокое качество работ, ни дос­таточный объем их выполнения.

Выход, с одной стороны, внедрить технологии выправки, не нарушающие сложившуюся постель шпалы и позволяющие работать малыми силами (подробно эти вопросы были рассмотрены в журнале «Путь и путевое хозяйство» № 5 и № 9 за 2004 г.), а с другой стороны, — создать относительно дешевые машины или дополнительные агрегаты к существую­щей технике, которые могли бы устранять отступле­ния на коротких (локальных) участках.

Влияние подвижного состава

Мало изучены технические, а главное, экономи­ческие вопросы оценки влияния вибраций, вызывае­мых неровностями на колесах подвижного состава, на деформации пути. Большинство исследований посвя­щено прочности элементов верхнего строения, и в первую очередь рельсов, при проходе колес с ползу­нами и наварами. В то же время количество осей с не­ровностями, включая и неравномерный прокат, явно растет.

   Сетевые ПТО, которые предназначены обнаружи­вать вагоны с «отрицательной динамикой», пока ос­тановить этот рост не могут. Возможно, настало время экономических санкций. Техника для выявления «сту­чащих» колес имеется и демонстрировалась на Экс­периментальном кольце ВНИИЖТа. Необходимо оце­нить влияние этих факторов на расстройства пути и разработать механизм предъявления штрафов компа­ниям-владельцам подвижного состава и структурам, занимающимся их обслуживанием.

Взаимодействия пути и подвижного состава

   Показатели взаимодействия нормируют по крите­риям прочности, недопущения сдвига рельсошпальной решетки и вкатывания колеса на рельс. То есть по существу во всех случаях нормируются экстремальные показатели с заданной минимальной вероятностью их превышения. Расчет на деформативность пути требует ограничения нагрузок до такого уровня, чтобы за ус­тановленный период времени (пропущенный тон­наж) деформация не превысила заданной величины.

   В общем случае справедливо выражение у_т = у₀ + a ln T,

где у_т - величина деформации после пропуска тоннажа Т;

у₀ - начальная неровность;

а - коэффициент, зависящий от воздействия на путь подвижного состава и условий эксплуатации.

   Применительно к развитию вертикальных дефор­маций коэффициент а связан с напряжениями в бал­ласте под шпалой и состоянием балластного слоя. Эта связь, как и зависимость напряжений от модуля уп­ругости пути, достаточно сложная. При низком моду­ле, что обычно характеризует слабо уплотненное ос­нование, упругие деформации быстро переходят в ос­таточные, и надо оперативно улучшать состояние пути.

   Когда говорят, что рост деформаций пропорцио­нален повышению напряжений под шпалой в степе­ни 2-6, имеют в виду стабильный путь и увеличение напряжений, вызванное, например, возрастанием осевых нагрузок. В этом случае высокие напряжения под шпалой и модуль упругости свидетельствуют о возможности развития деформаций в перспективе и необходимости заблаговременно разрабатывать соот­ветствующие мероприятия.

   Деформативность пути можно оценить по упругой осадке под расчетной нагрузкой. По данным инжене­ра А.А.Еремушкина, на высокостабильном пути Экс­периментального кольца ВНИИЖТа средняя упругая осадка составляет около 2,5 мм. Чтобы выбрать опти­мальный по деформативности уровень нагрузок на путь, нужны специальные технико-экономические исследования, учитывающие одновременно интен­сивность расстройств пути и возможность их устране­ния.

   Что касается появления неисправностей пути в го­ризонтальной плоскости, то исследования показали технико-экономическую целесообразность движения грузовых поездов по кривым с непогашенным уско­рением ±0,3 м/с², что нашло отражение в Указании МПС С-ЗЗЗ-У от 1997 г. Хотя для безопасного движе­ния эти ускорения не должны превышать +0,7 м/с².

Условия эксплуатации

По условиям эксплуатации можно выделить не­сколько групп факторов, отрицательно влияющих на стабильность пути. Например, для ускорения достав­ки пассажиров нужно повышать скорость движения, в том числе и по кривым участкам, и, соответствен­но, увеличивать возвышение наружного рельса. А возрастание веса грузовых поездов приводит к сни­жению их скоростей движения, как правило, до уровня расчетно-минимальных для локомотивов, т.е. до 50—60 км/ч. Поэтому надо уменьшать возвыше­ние, чтобы избежать движения с непогашенным ус­корением ниже -0,3 м/с².

   Таким образом, проблема возвышения наружно­го рельса из чисто технической, какой она была длительное время, превращается в технико-эконо­мическую, требующую управления скоростями дви­жения в увязке с порядком пропуска поездопотока. Действительно, закладывать в приказ начальника железной дороги высокие скорости пассажирских поездов и устраивать соответствующие возвышения наружного рельса на участках с большой плотнос­тью поездопотока и малыми интервалами между поездами экономически невыгодно, поскольку эти скорости никогда не будут реализованы. Значит, возвышение становится функцией плотности запол­нения графика, и определять его следует с расче­том не на искусственный показатель «средневзве­шенной разрешенной скорости движения», а на стоимость перевозок.

Накопление расстройств, т.е. по существу дефор­мативность пути, в определенной степени связано и с длиной перегона, так как она определяет возмож­ность предоставления «окон» для работ и их продол­жительность. Явно не полно учитывается дополни­тельное расстройство пути при обращении тяжело­весных и длинносоставных поездов.

Как известно, удельное сопротивление движению в кривой определяется по формуле w = 700/R. Следо­вательно, полное сопротивление W_r = w_rQ зависит от веса поезда Q, и дополнительные горизонтальные силы, вызванные этим сопротивлением, также будут ускорять расстройства пути в горизонтальной плоско­сти.

   Имеются определенные особенности воздействия длинных поездов на путь в вертикальной плоскости. Они зависят от количества непрерывных циклов загружения. В самом общем виде можно отметить, что по исследованиям ряда специалистов на деформативность влагонасыщенных грунтов влияет число таких циклов, действующих подряд.

Во-первых, для каждых конструкции пути и пара­метров подбалластного основания существует опреде­ленный предел осевых нагрузок, до достижения ко­торого их изменение может быть компенсировано корректировкой затрат па техническое обслуживание пути в рамках существующих норм. Если статическая нагрузка не превышает 18—19 тс/ось, то при рельсах Р65 различия в осевых нагрузках на смежных путях не приводит к появлению статистически значимых раз­личий в количестве отступлений, хотя объем работ путевых бригад на более загруженном пути суще­ственно выше.

Во-вторых, деформативпость пути зависит от доли вагонов с повышенной осевой нагрузкой.

   В-третьих, по исследованиям А.А.Еремушкина, при расчетных упругих осадках подбалластного осно­вания в пределах 2,0—2,8 мм на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа и наличии достаточного времени на устранение расстройств можно обеспечить исправ­ное состояние пути при движении состава массой до 11000 т при осевых нагрузках вагонов 27—30 тс и гру­зонапряженности 350—400 млн т-км на 1 км в год. 

В-четвертых, по тем же исследованиям в рассмат­риваемых условиях при росте осевых нагрузок на 1 % деформативпость пути повышается от 1 % (оптимисти­ческий вариант) до 2 % (пессимистический вариант).

    При оценке деформативности пути нельзя исклю­чать и обратную связь — влияния его состояния на подвижной состав. Во всяком случае, установлена связь между статистической оценкой состояния пути в вертикальной плоскости и показателями реализа­ции тяговых возможностей локомотива.

Выводы

Приведенные данные показывают, что в дополне­ние к действующей системе обеспечения безопаснос­ти движения поездов необходимо разработать методы снижения деформативности пути и повышения его стабильности. Эти методы должны включать: способы оценки, критерии для различных условий эксплуата­ции, комплекс соответствующих технических средств и технологий.

Поскольку деформативность — один из основных факторов, определяющих стоимость технического об­служивания пути, нужно найти взаимозависимые по­казатели этой стоимости и требований к его стабиль­ности.

В.О. Певзнер, д.т.н.  Журал "Путь и путевое хозяйство", № 2 , 2005 год