Нусипбеков Серик Имансерикович – доктор технических
наук,
профессор КУПС
Имангазинова Р.А., кандидат технических наук
Казахский университет путей сообщения, г. Алматы,
Республика Казахстан
Скоростное движение пассажирских
поездов
в кривых
Изгиб рельсовой колеи в плане (стрелы fi), стрелы изгиба в
продольном профиле fiВ и
возвышение наружного рельса (ВНР) hi
являются источниками действующих на путь дополнительных сил, возникающих при
движении экипажей по криволинейным или расстроенным участкам пути.
Действующими нормами Инструкции по
текущему содержанию железнодорожного пути предусматривается ограничение этих
сил в круговых кривых посредством контроля непогашенного горизонтального
ускорения:
а в переходных кривых – скорости его нарастания на
определенной длине, например, на принятом шаге "А",
,
и скорости подъема колеса на участке возвышения
наружного рельса,
, мм/с.
В этих выражениях:
V – скорость, км/ч,
R – радиус кривой, м,
g – ускорение свободного падения, м/с2,
S – ширина колеи по осям рельсов, м.
При совмещенном скоростном пассажирском и
грузовом движении поездов требуется чтобы уровень ускорений грузовых поездов к
центру кривой не превысил 0.3м/с2. Превышение этого уровня вызывает
валку кузова вагона на скользуны тележек вагона с внутренней стороны кривой
что, в свою очередь, вызывает резкое (на порядок и более) возрастание
сопротивлений повороту тележки при ее вписывании в кривую. За рубежом
(например, в США) применяют подпятники вагонов большего диаметра (350мм вместо
300мм в России). В этом случае можно допустить непогашенное ускорение внутрь
кривой до 0.5м/с2.
У ряда кривых переходные кривые
несимметричны, уклоны отвода возвышения круче 0.007 и ограничивают скорость
движения больше, чем величина радиуса кривой, а возвышения упорной нити
избыточны или недостаточны. Так, например, у кривой радиусом более 3000м при
радиусе в 3192м и скорости движения 160км/ч пассажирских и 70 км/ч грузовых
возвышение в 82мм явно избыточно. В кривых больших радиусов за счет уменьшения
избыточной величины возвышения наружного рельса можно снизить крутизну отвода
возвышения при существующих длинах переходных кривых и удовлетворить требования
нормативов при повышении скорости движения пассажирских поездов.
Большая часть кривых на скоростном участке
пути должна иметь радиус более 1200м.
В процессе эксплуатации и 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, как этого требуют нормативы. В таких случаях
эффективна методика подготовки плана линии для скоростного движения с
использованием программы выправки сложных кривых профессора В.Б.Бредюка [1].
Вначале проводится детальная съемка
сложных кривых машинами ВПР 02 или Duomatik.
Рассчитываются варианты выправки кривой, обеспечивающие требуемый уровень
комфортабельности движения пассажиров. На рисунке 2 приведены варианты выправки одной сложной кривой
главного пути. Если сдвиги не превышают 30мм, то непогашенное ускорение при
скорости движения поезда в 140км/ч составит 0.7м/с2. При большей
величине сдвигов (до 300мм) удается уменьшить число радиусов кривой и снизить
величину непогашенного ускорения до 0.2м/с2.
Для примера на рисунке 1 показан результат расчета реконструкции сложной
кривой 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.1 однорадиусная кривая характеризуется величиной
непогашенного ускорения при скорости в 120км/ч не более 0.2м/с2. При
выправке этой кривой как сложной, непогашенное ускорение не превосходит 0.7м/с2.
Рисунок
1 -
Вариант выправки кривой с устройством однорадиусной кривой
Рисунок 2 -
Вариант выправки кривой с устройством многорадиусной кривой
Вариант выправки кривых принимается при разработке
проекта капитального ремонта пути с учетом имеющихся на пути фиксированных
точек.
При совмещенном грузовом и скоростном
пассажирском движении поездов приходится ограничивать величину возвышения
наружного рельса в кривых в пределах допустимого непогашенного поперечного
ускорения для пассажирского поезда. По разрешению Департамента пути и
сооружений АО «НК» «КТЖ» для скоростных пассажирских поездов норма
непогашенного поперечного ускорения в кривых может быть увеличена до 1.0м/с2
при нормативной 0.7м/с2.
Моделирование движения пассажирского
вагона в кривых в программной среде ADAMS/Rail [2,3] позволяет определить давление колес на рельсы
упорной и внутренней рельсовых нитей.
Сравнивая величину перегрузки (относительно
статической нагрузки) и разгрузки колес с принятыми критериями перегрузки и
разгрузки можно определить приемлемо то или иное решение с позиции оценки
состояния пути и безопасности движения поездов.
Для примера выполним моделирование с
оценкой сил взаимодействия на входе в кривую радиусом 1000м и выходе из нее
пассажирского вагона при скоростях движения от 10 до 50м/с (длина круговой
кривой 300м, возвышение наружного рельса 100мм, длина симметричных переходных
кривых - 100м, несовпадение начала отвода возвышения и начала переходной кривой
до ±20м.
Получены расчетные зависимости
вертикальных и поперечных нагрузок на рельсы упорной и внутренней нитей кривой
(таблица 1) для минимальных, "установившихся" (при динамическом
равновесии) и максимальных значений. При скорости движения 25-27м/с амплитуды
динамических сил минимальны, что соответствует величине расчетного возвышения
для данного радиуса кривой.
Таблица 1. Зависимость динамических сил от скорости (% от статической вертикальной силы)
|
|
Вертикальная сила на упорную нить |
Поперечная сила на упорную нить |
||||
|
V (m/s) |
Установившаяся |
Максимальная |
Минимальная |
Установившаяся |
Максимальная |
Минимальная |
|
10 |
85.2394 |
105.842 |
77.00616 |
-9.08126 |
7.525002 |
-9.60063 |
|
20 |
92.80364 |
106.8949 |
83.36778 |
-8.33223 |
6.72248 |
-9.01925 |
|
25 |
98.57779 |
108.2312 |
87.73793 |
-7.76524 |
6.054537 |
-8.51397 |
|
30 |
105.6661 |
113.222 |
91.37802 |
-7.05793 |
5.117133 |
-7.95587 |
|
40 |
123.0974 |
130.2575 |
93.62492 |
-6.84744 |
2.090206 |
-7.93058 |
|
50 |
143.1031 |
143.1031 |
97.06912 |
-13.5185 |
0.620781 |
-14.8463 |
|
|
Вертикальная сила на внутреннюю нить |
Поперечная сила на внутреннюю нить |
||||
|
V (m/s) |
Установившаяся |
Максимальная |
Минимальная |
Установившаяся |
Максимальная |
Минимальная |
|
10 |
113.2666 |
120.7756 |
94.75321 |
-27.3648 |
0.306021 |
-27.9696 |
|
20 |
106.7541 |
115.1798 |
93.67204 |
-23.0311 |
0.617976 |
-24.1353 |
|
25 |
101.7856 |
111.253 |
92.54015 |
-19.7464 |
0.836745 |
-20.9923 |
|
30 |
95.67843 |
107.8891 |
88.82636 |
-15.5732 |
0.995773 |
-16.9118 |
|
40 |
80.7125 |
105.7909 |
74.01604 |
-5.61201 |
1.097926 |
-6.70141 |
|
50 |
63.77642 |
102.7279 |
58.82308 |
3.200207 |
4.493229 |
-0.39449 |
Необходимо отметить быстрое изменение
давлений колес при изменении скорости движения. Равные давления колес на
внешнюю и внутреннюю нити имеют место в узком диапазоне изменения скорости
движения. Поэтому из-за изменчивости скоростного режима поездов равное давление
колес вагона на рельсовые нити достигается редко.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бредюк В.Б. Автоматизированная система постановки
пути в проектное положение // Путь и путевое хозяйство, №12, 1997.
2. ADAMS User Guide.
Mechanical Dynamics Incorporated, Ann Arbor, Michigan U.S.A., 2002.
3. Исаенко Э.П., Иванов С.Ю., Безруков М.В. Подготовка
железнодорожного пути к скоростному движению пассажирских поездов. Н.Новгород,
2004, 136с.