Н. Б. ЗВЕРЕВ, 3. Л. КРЕЙНИС, И. В. ФЕДОРОВ
Министерство путей сообщения утвердило и направило на некоторые дороги «Временные технические указания по укладке и содержанию бесстыкового пути в кривых радиусом 300— 349 м». В них приводятся особенности устройства и содержания бесстыкового пути на перевальных участках, дополнительные исходные данные для расчетов такого пути в кривых, причем при стандартных железобетонных шпалах разрешено сохранить ширину колеи 1520 мм даже в кривых радиусом 300 м.
Бесстыковой путь пока еще мало применяется на горных участках. Главная причина — сложная трасса с большим количеством крутых кривых и уклонов. Согласно техническим указаниям (ТУ-79) такой путь там разрешено укладывать не везде (в кривых радиусом 350 м и более). Относительно уклонов в ТУ ограничений нет, но, как правило, крутые подъемы и спуски совмещаются с кривыми малых радиусов. Кроме того, устраивать бесстыковой путь на больших уклонах долго опасались из-за угона.
Сложности устройства и эксплуатации пути в кривых участках всем известны. Но все-таки основные из них напомним.
При проектировании и укладке пути в кривых надо очень точно увязывать геометрические характеристики (радиус, ширину колеи, возвышение наружного рельса, параметры переходных кривых, сочетание обратных кривых, размещение укороченных рельсов), запас прочности и устойчивости пути (т. е. тип верхнего строения) и другие с условиями эксплуатации (типами подвижного состава, осевыми нагрузками, скоростью, условиями вписывания, грузонапряженностью, климатом), а также с экономическими аспектами. Кривые сложно укладывать, но еще труднее содержать, обеспечивая плавность хода поездов, минимальный износ рельсов и др.
Все эти трудности возрастают с уменьшением радиуса кривой. Так, боковые силы, передающиеся на рельсы в кривых, тем больше, чем меньше радиус. В такой же зависимости от радиуса находятся напряжения в кромках подошвы и головки рельсов. Вписывание подвижного состава в кривые становится динамическим при скоростях, которые тем меньше, чем меньше радиус. А при динамическом вписывании (по сравнению со статическим) существенно возрастают направляющие усилия в месте соприкосновения реборды колеса и рабочей грани головки рельса, поперечные составляющие сил трения на поверхности катания, рамные усилия в тележках, боковые силы в возвращающих устройствах локомотивов, реакции шкворней тележек и т. д.
По наблюдениям МИИТа в звеньевом пути одиночный выход из строя «сырых» рельсов Р65 в кривых радиусом 500, 400 и 300 м больше, чем в кривых радиусом 1000 м, и выше соответственно в 1,5; 2,0 и 3,0 раза, а выход из строя деревянных шпал больше в 1,20; 1,35 и 1,68 раза. Затраты труда на содержание пути в крутых кривых в 1,45; 1,85 и 2,64 раза выше, чем в пологих. Ускоренный выход из строя элементов пути в кривых даже заставляет заранее устанавливать уменьшенные нормативные сроки их службы. Так, для «сырых» рельсов Р65 нормативная наработка тоннажа в прямых участках и в кривых радиусом более 1000 м установлена равной 500 млн. т, при радиусах 651—1000 м — 250 млн. т, 650 м и менее — 170 млн. т.
Основная причина такого положения — наличие через каждые 25 м (а кое-где еще и через 12,5 м) возбудителей больших дополнительных сил. Это — рельсовые стыки. В кривых с современными жесткими рельсами Р65 и Р75 практически не удается создать действительно плавную кривую, так как концы рельсовых звеньев изогнуть нельзя не только 4-дырными накладками (преобладающими на сети дорог), но даже и 6-дырными, которых, кстати, поступает на линию недостаточно. В стыках получаются углы до 1,5°, а кривая — это не кривая, фактически ломаная линия. В углах происходят удары, быстро расстраивающие путь.
К этому добавим, что в жару при слитых зазорах в таких стыках торцы рельсов соприкасаются кромками головок или подошв, и продольные температурные силы передаются через стык внецентренно, снижая устойчивость звеньевого пути против выброса.
И еще один недостаток звеньевого пути в кривых. На линию поступает все больше железобетонных шпал, а поставки деревянных сокращаются. Но в звеньевом пути применять железобетонные шпалы нельзя. В то же время они могли бы повысить устойчивость и долговечность пути.
Все сказанное свидетельствует о необходимости продвинуть на горные участки бесстыковой путь. Заметим, что на зарубежных дорогах, например в Югославии, широко применяют бесстыковой путь в горных условиях. Но здесь следует учитывать ряд особенностей.
Первая — снижение запаса устойчивости пути в кривых с уменьшением радиуса. Чем круче кривая, тем больше продольные силы в рельсах, «выжимающие» путевую решетку наружу кривой. Чтобы сохранить необходимый запас устойчивости, приходится повышать боковое сопротивление решетки изгибу (увеличивая эпюру шпал, уплотняя балласт, устанавливая фартуки на шпалах).
Вторая особенность — снижение запаса прочности с уменьшением радиуса из-за увеличения упомянутых ранее динамических напряжений. Чтобы сохранить необходимое «равновесие», приходится дополнительно усиливать путь в кривых (например, применяя более тяжелые рельсы, чем в прямом участке; кстати, рельсы типа Р50 при высоких скоростях становятся уже малопригодными для бесстыкового пути в крутых кривых).
Третья особенность — экономическая. Это опасение, что в случае ускоренного бокового износа в кривой придется рельсовые плети заменять еще до того, как окупятся дополнительные расходы на устройство бесстыкового пути.
Основные этапы продвижения бесстыкового пути на перевальные участки в течение многих лет были такие.
Изучение устойчивости бесстыкового пути против выброса в кривых, проводившееся ВНИИЖТом в условиях, максимально приближенных к реальным, вскрыло значительные резервы, которые позволили установить допустимые повышения температуры рельсов по сравнению с температурой закрепления в кривых радиусом 500, 400, 350, 300 и 250 м при различных конструкциях верхнего строения.
Оценка запаса прочности бесстыкового пути в кривых была сделана расчетами воздействия на путь всех обращающихся на сети и перспективных локомотивов при различных скоростях. Она позволила установить допустимые понижения температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой закрепления для кривых тех же радиусов и конструкций верхнего строения, что указаны выше, при разных скоростях движения поездов.
Полученные допускаемые изменения температуры рельсов дали возможность установить условия укладки и содержания бесстыкового пути в кривых в разных климатических зонах. Так, в кривых радиусом 300 м бесстыковой путь при обращении по нему современных локомотивов без ограничения скорости можно применять при рельсах Р75 на дорогах Юга, Юго-Запада и Запада, Р65 — на Юге и Юго-Западе, Р50 — в районах с минимальными амплитудами температур (Черноморское побережье Кавказа) и на линиях с ограниченными скоростями движения поездов (подъемы, подходы к станциям, ветви и т. д.). Напомним, что рельсы Р50 постепенно изымаются из главных путей, поэтому не они определяют возможность применения бесстыкового пути.
Используя известные резервы в расчетах прочности бесстыкового пути, приведенные в действующих ТУ-79, а также искусственные способы повышения устойчивости (уплотнение балласта, омоноличивание его вяжущими веществами и др.), можно существенно расширить укладку бесстыкового пути в кривых. Рельсы Р75 в этом случае можно использовать без ограничений, Р65 — на всех перевальных участках Карпат, Кавказа, Средней Азии, а также на равнинах Украины, Белоруссии, Прибалтики, Центра (южнее и западнее Москвы), Р50 — в Закавказье и Азербайджане.
Конкретные участки применения бесстыкового пути устанавливаются проектом.
Третьим этапом освоения бесстыкового пути на перевалах была проверка вписывания подвижного состава в кривые радиусом менее 350 м при железобетонных шпалах. Дело в том, что ширина колеи унифицирована для прямых участков и кривых радиусом 350 м и более, где она равна 1520 мм. При меньших радиусах должно быть 1530 мм. В то же время стандартные железобетонные шпалы выпускаются только для колеи шириной 1520 мм. Промежуточные скрепления, допускающие регулировку ширины колеи, у нас отсутствуют.
Заметим, что минимальный радиус для унифицированной колеи, равный 350 м, был назначен без особо строгих обоснований более 20 лет назад, когда по железным дорогам ходили паровозы, 6-осные вагоны и другой подвижной состав, неблагоприятный по вписыванию, а конструкция пути была слабая. Современный путь и подвижной состав более совершенны и лучше взаимодействуют в кривых. Поэтому ВНИИЖТ совместно с ВЗИИТом и ПромтрансНИИпроектом провели специальные расчеты и испытания для проверки возможности вписывания современного и перспективного подвижного состава в кривые радиусом менее 350 м при ширине колеи 1520 мм.
Установили, что даже длиннобазные локомотивы ВЛ23, ЧС2 и др. вписываются нормально-принудительно (основной вид вписывания при нормальной эксплуатации пути и подвижного состава). Определили также боковые силы, передаваемые на путь. Эти силы, а также накопление остаточных деформаций в пути не превышали установленных норм даже в кривых радиусом 250 м. Было рекомендовано минимальный, допустимый при типовых железобетонных шпалах с шириной колеи 1520 мм, радиус кривых уменьшить с 350 до 300 м.
Для практической проверки возможности и целесообразности применения бесстыкового пути на перевалах Закавказской дороги были организованы эксплуатационные наблюдения на специально уложенных опытных участках в кривых радиусом 300—346 м. В комплекс наблюдений входят работы, позволяющие оценить: устойчивость бесстыкового пути в процессе его эксплуатации (в дополнение к стендовым испытаниям); напряженное состояние рельсовых плетей при изменениях температуры; интенсивность накопления остаточных деформаций; особенности технологии укладки и содержания пути; фактические расходы на укладку и содержание и др.
Характеристики трассы: уклоны до 24 %о, обратные кривые, большие рабочие отметки. По всем участкам со скоростью 70—80 км/ч обращаются электровозы постоянного тока с осевыми нагрузками 230—250 кН. Грузонапряженность — от 10 до 30 млн, т т-км/км в год. Участки однопутные, оборудованы автоблокировкой. Климат в двух местах влажно-теплый (амплитуды температур рельсов 75 °C), в остальных — континентальный (амплитуды 92— 97 °C). Допускаемые амплитуды везде 86—89 °C. Сочетание высокой влажности и сильного засорения пути грузами способствует быстрой коррозии элементов пути (особенно скреплений КБ), ухудшению состояния балласта, образованию выплесков, нарушению работы автоблокировки.
На шести кривых уложен путь с железобетонными шпалами С56, на двух — с ШС1. Эпюра их везде 2000 шт/км. Промежуточные скрепления — КБ с резиновыми нашпальными и полиэтиленовыми подрельсовыми прокладками. Балласт — из щебня размером 25—60 мм; толщина его под шпалой 30 см; ширина плеча призмы 45 см.
Плети длиной от 275 до 875 м сварены из новых рельсов Р50 (2 участка), новых Р65 (4 участка) и старогодных Р65 (2 участка). Плети изготовляли в два этапа. Сначала в РСП сваривали короткие плети (200—275 м) и на спецсостава доставляли к месту укладки. После выгрузки их сваривали внутри колеи машиной ПРСМ-3 до проектной длины. Такая технология — вынужденная. Она связана с недостаточной длиной площадки РСП и с трудностями провоза плетей по перевалам с крутыми кривыми. Это, конечно, снижает эффект бесстыкового пути, удорожая его укладку, требуя дополнительных «окон» и ухудшая качество сварных стыков.
После сварки плети надвигали на подкладки взамен инвентарных рельсов вручную. Приспособления «салазки» в очень крутые кривые плохо вписываются, а подвесных устройств (например, системы ОПМС-1) на Закавказской дороге нет.
Плети укладывали в жару летом (3 участка) и в холодную погоду осенью (5 участков) при температурах, отличавшихся от расчетных. Поэтому потребовалось их перезакреплять при температурах от + 17 до +30 оС (по расчету согласно нормам, разработанным ВНИИЖТом).
Десятилетние наблюдения показали, что ни на одной опытной кривой не было случаев нарушения устойчивости (выбросов), хотя повышения температуры по сравнению с температурой закрепления неоднократно достигали расчетных. Дополнительной оценкой устойчивости в этих кривых может служить постоянство плана пути, а также трудность рихтовки пути. Так, исправить неточности укладки в одной кривой не удавалось даже мощной рихтовочной машиной. В другой кривой пришлось вырезать кусок плети и вваривать новый, так как отрихтовать угол не удавалось.
Практически угон пути отсутствует на всех опытных кривых даже на крутых уклонах, хотя по участкам прошло уже 120—220 млн. т брутто. На контрольных участках звеньевого пути угон происходил и требовал значительных затрат труда на его ликвидацию. Регулярные многократные (в разные периоды) измерения продольных напряжений показали, что эпюры их достаточно точно следуют изменениям температуры. Это объясняется хорошим закреплением пути от угона.
За время наблюдений из всех опытных плетей было вырезано три куска рельсов с дефектами в сварных стыках из-за неудовлетворительного качества сварки (в том числе — угол в стыке). Других пороков, требовавших замены рельсов, не обнаружено.
Главная остаточная деформация в крутых кривых — боковой износ упорной рельсовой нити — накапливается в бесстыковом пути значительно медленнее, чем в звеньевом, и равномерно по длине плети. В двух опытных кривых с рельсами Р65 после прохода 190 млн. т груза брутто этот износ достиг 5,0 мм; в одной кривой с рельсами Р50 после 140 млн. т— 1,3 мм, в другой, тоже с Р50, после 90 млн. т —1,8 мм. В остальных кривых износ еще меньше.
На уложенных одновременно с опытных контрольных участков звеньевого пути в кривых даже с увеличенной до норм (1530 мм) шириной колеи боковой износ оказался в 1,5—2,0 раза большим; причем вблизи стыков он меньше, чем в середине звена. Эти рельсы уже заменяются.
Однако радиус кривой — не главный показатель, определяющий боковой износ. Важен также вид обращающегося подвижного состава. По кривым радиусом 300— 349 м проходят в основном грузовые поезда и не более пяти пар в сутки электросекций.
Согласно исследованиям и рекомендациям рельсовой лаборатории ВНИИЖТа для кривых радиусом 320 м с объемно-закаленными рельсами Р65 нормативная наработка тоннажа до сплошной смены установлена равной 120 млн. т на участках с уклонами 15—18%о и 100 млн. т — круче 18 %о. На опытных кривых эта норма уже превзойдена более чем в 1,5 раза, а сплошная смена рельсов еще не требуется. Боковой износ внутренних нитей отсутствует, что свидетельствует о незаклиненном вписывании подвижного состава.
Другие элементы верхнего строения в опытных кривых работают нормально, с большим эффектом, чем в звеньевом пути. Железобетонные шпалы из строя не выходят.
У скреплений КБ происходит значительное выдавливание из-под подкладок резиновых прокладок ЦП-158 толщиной 8 мм. Это характерно и для наружной, и для внутренней нитей, и не только в кривых, т. е. дефект не связан с кривизной пути.
Общая оценка состояния бесстыкового пути в опытных кривых большей частью отличная (с учетом рихтовки — 24—36 баллов на 1 км), хотя многие участки сильно засоряются сыпучими грузами. Кратковременные повышения балльности бывают только после сильных ливней. На контрольных же участках состояние пути лишь удовлетворительное и часто неудовлетворительное. Содержать путь здесь гораздо сложнее. Работы текущего содержания на опытных кривых сводятся в основном к выправке пути в профиле карточками, замене нашпальных прокладок, довинчиванию гаек клеммных болтов.
Таким образом, внедрение бесстыкового пути в кривых радиусом 300—349 м, как и в прямых участках, может дать по сравнению со звеньевым путем значительный экономический эффект.