Обоснование требуемых параметров плана и профиля скоростных железнодорожных магистралей

Перестройка экономики резко обострила конкуренцию между различными видами транспорта. Одним из основных факторов в конкурентной борьбе является скорость доставки пассажиров и грузов. Важнейшей проблемой, возникающей при проектировании и изысканиях скоростных железных дорог, является обеспечение безопасности движения, в связи с чем необходимо оценить влияние геометрических параметров плана и профиля линии на безопасность движения. Для обеспечения стабильности положения оси пути в пределах допустимых отклонений от проекта необходимо найти надежные методы диагностики состояния геометрических параметров пути при реконструкции дороги и в период ее эксплуатации.

На линиях преимущественно с грузовым движением существующая система допусков направлена, главным образом, на обеспечение устойчивости работы пути при движении грузовых поездов. На линиях, где наряду с грузовыми предполагается осуществление скоростного движения пассажирских поездов, необходимо уже при проектировании реконструкции плана и профиля линии в первую очередь обеспечивать комфортность и безопасность их движения. При этом главным требованием в проектах скоростных линий является обеспечение стабильного положения плана и профиля трассы исключающего появление и развитие расстройств пути до размеров, нарушающих безопасность движения поезда и комфортность пассажира во время движения (далее по тексту безопасность и комфортность движения).

Организация скоростного (СД), а в перспективе и высокоскоростного движения (ВСД), обусловила необходимость оценки и контроля вероятных и допустимых отклонений от проектного положения оси пути, оказывающих влияние на величину сил, возникающих при движении поезда, с целью обеспечения безопасности и комфортности движения, экономической эффективности работы пути и подвижного состава. При введении СД ужесточаются требования к допускам на отклонения от проектного положения оси пути, т. к. с повышением скорости движения увеличиваются ускорения в вертикальной и горизонтальной плоскостях, скорость их изменения, силы взаимодействия подвижного состава и пути.

При повышении скоростей движения поездов увеличивается динамическое воздействие подвижного состава на рельсовый путь, в связи, с чем происходит возрастание вертикальных и горизонтальных сил, повышается уровень вибрации всех взаимодействующих элементов, существенно сказывается влияние неподрессоренных масс локомотивов и вагонов на железнодорожный путь. 5.

Основною целью исследования в диссертации является определение величины коридора комфортности и безопасности при различных скоростях движения поездов на скоростных линиях и дорогах со смешанным пассажирским и грузовым движением, принципов контроля и обеспечения стабильности проектного положения плана и профиля линии.

Для решения поставленной задачи были использованы следующие методы исследования: анализ отечественных и зарубежных требований по стабильности положения плана и профиля линиисодержанию пути при различных скоростях движенияанализ применяемых методов и средств контроля положения железнодорожного пути для проведения экспериментальных расчетовсбор и анализ информации о фактическом положении оси железнодорожного путиматематическое моделирование взаимодействия подвижного состава и пути, имеющего отклонения от проектного положения в плане и профиле, для определения требований к точности содержания в плане и профиле пути при различных скоростях движения поездаэкспериментальные расчеты реконструкции плана и профиля участка железнодорожной линии Санкт-Петербург — Москва и Московской кольцевой железной дорогиуточнение требований к специальной реперной сети (СРС).

В первой главе диссертационной работы кратко описана история создания железных дорог и совершенствования конструкций железнодорожного пути. Проведен анализ отечественных и зарубежных требований к содержанию пути при различных скоростях движения поезда, а также рассмотрены средства контроля положения пути. Определена программа исследований зависимости между безопасностью и комфортностью движения.

Во второй главе разработаны расчетная модель и методика оценки коридора безопасности и комфортности движения, а также экономической эффективности взаимодействия пути и подвижного состава.

В третьей главе описана методика построения СРС и цели ее создания, а также рассмотрены вопросы необходимой точности положения пунктов СРС при различных скоростях движения поезда.

В четвертой главе произведена оценка эффективности использования СРС.

1. Анализ отечественных и зарубежных требований предъявляемых к геометрии пути.

Верхнее строение пути (ВСП) [41] - рельсы, скрепления, соединяющие рельсы между собой и с основанием, шпалы, балластный слой — представляет собой пример композитного инженерного сооружения, все элементы которого взаимосвязаны. Изменение в условиях работы одного из них сразу же отражается на всех элементах.

Наиболее ответственным элементом ВСП является рельс, который первым принимает динамические нагрузки от колес подвижного состава.

Железным дорогам предшествовали колейные дороги, по рельсам которых катились вагонетки (такое решение в основном применялось на угольно-рудных предприятиях). Однако рельс в нашем сегодняшнем понимании — двутавровая балка, верхняя полка которой приспособлена для взаимодействия с колесами подвижного состава, — на дорогах тех лет отсутствовал. Такое решение не могло устраивать даже паровые железные дороги, так как с появлением паровозов резко повысились нагрузки от колес, а скорости (уже у первых локомотивов) достигали 50 км/ч и более.

Учитывая высокие динамические нагрузки от колес подвижного состава и необходимость работы на изгиб, все варианты рельсов в той или иной степени по профилю приближались к форме двутавровой балки. Как известно, такое очертание профиля рельса позволяет иметь наибольший момент инерции, а отсюда наименьшие кромочные напряжения. Российские инженеры уже в первые годы развития железных дорог выбрали профиль широкоподошвенного рельса, который распространился впоследствии по всем железным дорогам мира.

Профиль рельса за последние 150 лет изменился мало, зато его масса увеличилась с 20−24 до 70−75 кг/м. Для дорог широкой колеи наиболее часто применяют рельсы массой: 54−60 кг/м в Западной Европе, 65−75 кг/м в странах бывшего СССР, 66−70 кг/м в США, Канаде, Австралии. На скоростных линиях повсеместно используются рельсы не легче 60 кг/м.

На дорогах большинства технически развитых стран рекомендуется укладывать рельсы различных типов в зависимости от грузонапряженности линии и скоростей движения. Техническая политика в области длин рельсовых плетей предусматривает укладку бесстыкового пути от светофора до светофора с соединением рельсов на границах блок-участков клееболтовыми изолирующими стыками, способными 7 воспринимать продольные усилия до 1800−2000 кН. На скоростных линиях находит применение такое техническое решение, когда на границах блок-участков не требуется прерывать рельсовые нити (из-за установки изолирующих стыков).

Рельсы соединяются со шпалами промежуточными скреплениями. В России, США, Канаде, Мексике и других странах это, как правило, костыльное соединение (с деревянными шпалами). В Западной Европе шурупное прикрепление рельса к шпале (деревянной или железобетонной) является типовым решением.

Различные варианты соединения рельсов со шпалами с помощью костылей или шурупов существовали с момента постройки первых железных дорог. Новым за последние 60−70 лет является переход к промежуточным скреплениям пружинного типа, обеспечивающим упругое соединение подошвы рельса с основанием. В России, Японии, странах Западной Европы промежуточные скрепления с пружинным элементами являются обязательными при устройстве бесстыкового пути.

Деревянные шпалы также мало изменили форму за последние 150 лет. Железобетонные шпалы получили широкое применение в Европе и Азии в основном после 1950 г. В США, Канаде и ряде стран Африки железобетонные шпалы применяют ограничено, поскольку там имеется возможность изготавливать шпалы из деревьев твердых пород. В России бесстыковой путь укладывают только на железобетонных шпалах с использованием упругих резиновых площадок-амортизаторов в подрельсовых сечениях.

Для усиления подрельсового основания все шире проводятся эксперименты с применением рамных, блочных, а также монолитных железобетонных конструкций. Одной из типовых конструкций на мостах, эстакадах и тоннелях является плитное подрельсовое основание.

Песок, гравий, щебень, как и 150 лет назад, являются типовыми составляющими балластной призмы. Следует отметить, что еще на дороге С.-Петербург — Москва устраивали двухслойную призму: песчаную, основную часть призмы покрывали слоем щебня толщиной 18 см. Качественно новым решением, которое еще находится на стадии эксплуатационных испытаний, является монолитное скрепление балластной призмы латексами и другими вяжущими составами, что в 2−4 раза может повысить несущую способность подрельсового основания [41].

Железнодорожный путь имеет множественное функциональное назначение:

1) Рельсы — направляют движение колес, непосредственно воспринимают и упруго передают нагрузки от колес на подрель-совое основание.

2) Промежуточные рельсовые скрепления — выполняют роль связующих материалов между рельсами и основанием. Они обеспечивают стабильность ширины колеи, прижатие рельсов к основанию, исключающее отрыв и угон рельсов.

3) Подрельсовые опоры — воспринимают вертикальные, боковые и продольные усилия от рельсов и передают их на балластный слойобеспечивают стабильность ширины рельсовой колеи, совместно с балластным слоем обеспечивают стабильное пространственное положение рельсовой колеи в плане и профиле.

4) Балластный слой — воспринимает давление от подрельсовых опор и равномерно распределяет по площади земляного полотна.

5) Земляное полотно — воспринимает нагрузки от верхнего строения пути и упруго передает на основание [9,58].

Так как рельсовая колея является первым элементом железнодорожного пути, которая воспринимает и передает нагрузку от подвижного состава на следующие элементы, становится понятным, почему к рельсовой колее предъявляются более повышенные требования к устройству и содержанию, чем, например, к земляному полотну.

Таким образом, путь — многоэлементная система, обладающая структурой, управлением и обратной связью. Как и к любой системе, к ней применимо понятие функциональной, конструкционной и информационной надежности. Функциональная надежность определяется значениями грузонапряженности линии, осевых нагрузок от подвижного состава, себестоимостью перевозок, безопасностью движения. Конструкционная надежность определятся конструкцией пути. Информационная надежность — знанием о положении пути с необходимой и достаточной точностью и мониторингом его состояния.

выводы:

1. На стадии проектирования плана и профиля скоростных железнодорожных магистралей необходимо производить комплексную оценку возможного влияния фактического положения геометрии пути на безопасность и комфортность движения поездов. Создание СРС обеспечивает надежную информационную основу для выбора параметров проектирования реконструкции железной дороги.

2. Допустимый предел отклонений оси пути в плане и профиле от проектного положения для заданных значений скорости движения ' поездов определен как коридор безопасности и комфортности движения и получены его численные значения от характеристик поездопотоков.

3. При проектировании реконструкции железных дорог под СД поездов при условии сохранения грузового движения коридор безопасности и комфортности в плане пути для пассажирского движения определяется скоростью изменения поперечного непогашенного ускорения. Для грузовых поездов в этом случае коридор безопасности движения в плане пути определяется устойчивостью рельсошпальной решетки против сдвига.

4. В профиле коридор безопасности и комфортности движения пассажирских и грузовых поездов определяется по требованиям безопасности, устойчивостью против вкатывания гребня колеса на рельс, по требованиям комфортности для пассажирских поездов границы коридора определяются скоростью изменения вертикального ускорения.

5. Разработанная, на основе использования сплайн-функций, математическая модель позволяет произвести оценку отклонений геометрических параметров пути от проектного положения, в том числе величин отклонений пути в плане («углов изломов») и определить коридор безопасности и комфортности движения в численном виде.

6. При проектировании реконструкции плана железнодорожного пути под скоростное движение для обеспечения безопасности, комфортности движения и эффективности работы пути с точки зрения экономики необходимо предусматривать замену отклонений оси пути в плане («изломов») от проектного положения на прямых участках на элементы круговых и переходных кривых. При углах «изломов» недостаточных для вписывания круговых кривых, переходные кривые должны стыковаться без круговых.

7. СРС является надежной основой для оценки состояния геометрии железнодорожного пути и его мониторинга. Целями создания СРС являются:

— обеспечение точности планово-высотного положения рельсовой колеи при выполнении строительных работ при реконструкции железнодорожной магистрали;

— обеспечение контроля соответствия натурного положения трассы проекту;

— осуществление постоянного мониторинга положения пути в период эксплуатации линии.

8. Надежность измерений от пунктов СРС основывается на ее иерархической схеме построения:

— ОГС — каркасные, главные и промежуточные пункты;

— РС — сеть рабочих реперов.

Проект СРС должен являться составной частью проекта строительства и реконструкции железной дороги.

9. Применение предложенной оценки положения железнодорожного пути на примере проекта Зш транспортного кольца в г. Москве на подходах к искусственному сооружению показало, что уже на стадии проектирования железной дороги можно прогнозно оценить возможные отклонения от проектного положения в профиле железнодорожного пути по коридору безопасности и комфортности движения, а на основе СРС гарантировано обеспечивать контроль за соблюдением безопасности и комфортности движения.

10.При эксплуатации скоростных железных дорог экономическая эффективность содержания пути в плане и профиле в пределах коридора безопасности и комфорта движения с контролем геометрии пути на основе СРС, только за счет увеличения межремонтных сроков может составить порядка 18,5 тыс. руб. на 1 км пути в год. Реальный экономический эффект при таком улучшении содержания пути достигается также за счет снижения интенсивности расстройства подвижного состава и повышения конкурентоспособности железнодорожного транспорта в области скоростных грузовых и пассажирских перевозок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сформулировать следующие основные.