Путь и путевое хозяйство. - 2016. - № 1. - С. 2-7.

Рекомендации по усилению пути на линиях с тяжеловесным движением

Развитие тяжеловесного движения для повыше­ния провозной способности грузонапряженных на­правлений — одна из ключевых задач Стратегии развития холдинга «РЖД» на период до 2030 г.

Железнодорожная линия с тяжеловесным грузо­вым движением — это линия, по которой осущест­вляется движение грузовых поездов массой 6300 т и более, включающих вагоны с нагрузкой на ось до 25 тс. Классификацию и специализацию железнодо­рожных линий разработало АО «ИЭРТ» в соответ­ствии с Методикой по статистической отчетно­сти на 1 января 2015 г. Протяженность линий с тяжеловесным движением составляет 8272 км из классифицированных 84752 км эксплуатационной протяженности сети железных дорог.

При определении специализации линий с тяже­ловесным грузовым движением в Методике 3048р принята доля размеров движения поездов мас­сой 6300 т и более в размере 15 % и более от сум­марных объемов движения грузовых поездов по линии. В Генеральной схеме развития сети железных дорог ОАО «РЖД» на период до 2020 и 2025 гг. опре­делен перспективный полигон обращения тяжело­весных поездов. При этом в качестве первоочередно­го участка сети по организации тяжеловесного дви­жения рассматривается направление Кузбасс—Усть-Луга. Обращение поездов массой 7100 тс осевой на­грузкой 25тс, предусматривается на Восточном полигоне для обеспечения перевозки массовых экспорт­ных грузов в порты Дальнего Востока.

Планируемая на перспективу протяженность полигона обращения грузовых тяжеловесных поез­дов к 2025 г. должна достигнуть 28650 км, что со­ставит около 33,6 % от эксплуатационной протя­женности сети дорог.

На заседании научно-технического совета ОАО «Российские железные дороги», прошедшего 22 марта 2013 г., было отмечено, что «важнейшей задачей эффективной работы инфраструктурного комплекса, в том числе путевого хозяйства компа­нии, является обеспечение заданного уровня объе­ма перевозок с минимизацией затрат на эксплуата­цию объектов инфраструктуры на всех стадиях жизненного цикла. При этом основной задачей данного процесса становится снижение его стои­мости за счет оптимизации ресурсов с требуемым уровнем надежности, обеспечивающим безопас­ность движения с установленными скоростями движения».

Комплексная программа повышения эффектив­ности эксплуатации и применения инновационных технологий при техническом обслуживании желез­нодорожного пути с поэтапным переходом на малообслуживаемые конструкции предусматривает к 2020 г. увеличение ресурса пути до 1,5 млрд. т груза брутто, а к 2030 г. — до 2,5 млрд. т со снижением стоимости жизненного цикла. При сегодняшней среднесетевой норме периодичности реконструкции и капитальных ремонтов на новых материалах 700 млн. т груза брутто/км. (Распоряжение ОАО «РЖД» от 18 января 2013 г. № 75 р) становится очевидной сложность поставленной задачи. Достичь таких результатов можно только при комплексном подходе к проектированию верхнего строения пути для тяжеловесного движения. Верхнее строение пути, земляное полотно и искус­ственные сооружения должны иметь согласован­ные между собой технические параметры, исклю­чающие избыток или недостаток мощности.

Необходимо определить основные технические параметры малообслуживаемого пути для линий различных классов и специализаций. Для создания новых конструкций или усовер­шенствования существующих необходимо знать следующее:

действующие на путь наибольшие и средние силы (вертикальные, горизонтальные, продоль­ные и поперечные, в том числе осевую и погон­ную нагрузки);

физико-механические характеристики мате­риалов;

условия работы пути (скорость движения поез­дов, грузонапряженность, амплитуда температуры рельсов и др.);

заданный срок службы пути;

физическую модель конструкции пути;

оптимальные (по критерию минимума суммар­ных эксплуатационных затрат за жизненный цикл конструкций) технические параметры пути и под­вижного состава, в том числе момент инерции рельса относительно горизонтальной оси (см4), мо­дуль упругости рельсового основания (МПа), вер­тикальную жесткость пути (кН/мм), вертикальную жесткость узла скрепления (кН/мм), сопротивление продольному к оси пути перемещению шпал в бал­ласте (кН/м), сопротивление продольному переме­щению рельсовой плети относительно рельсовых опор (Н/м), погонное поперечное сопротивление рельсошпальной решетки без вертикальной нагруз­ки (кН/м), глубину неровности на поверхности ка­тания головки рельса на длине 1 м (мм) и др.

Подшпальное основание малообслуживаемого пути должно обеспечивать для заданных поездных нагрузок стабильное состояние рельсошпальной решетки с минимальной интенсивностью накопле­ния остаточных деформаций в межремонтный пе­риод, а также надежность пути в целом при мини­муме суммарных затрат на сооружение и техниче­ское обслуживание. При этом вертикальные и го­ризонтальные деформации в послеремонтный пе­риод после стабилизации должны быть упругими.

Требования к инновационным элементам верхнего строения пути для организации тяже­ловесного движения были приняты в 2014г. на заседании научно-технического совета ОАО «РЖД» (табл. 2) .

Некоторые приведенные в табл. 2 технические требования к элементам пути, на наш взгляд, дис­куссионные, другие требуют корректировки и до­полнения.

В существующих нормативных документах от­сутствует описание технических параметров верх­него строения пути, земляного полотна и искус­ственных сооружений для линий с тяжеловесным движением, не представлено оно и в проектах раз­рабатываемых документов.

По данным А.Я. Когана, с введением тяжело­весного движения поездов растут вертикальные и боковые силы, передаваемые от вагона на путь. Особенно это проявляется в кривых участках.

В результате испытаний, проведенных ВНИИЖТом в 2014—2015 гг., «...было установлено, что верти­кальные силы, действующие от колеса на рельс, в поезде массой 6000 т при скорости движения 40—60 км/ч возрастают пропорционально осевой нагрузке».

В.А. Лазарян приводит следующие данные: при неустановившемся режиме торможения и скорости 15—20 км/ч в поезде возникают значи­тельные продольные силы, которые могут быть в 2,0—2,5 раза больше максимальной силы тяги локомотива по сцеплению. По сведениям ОАО ВНИКТИ, максимальные продольные уси­лия сжатия в составах превысили норматив 50 тс и достигли 120 тс в поезде массой 12600 т и 140 тс в поезде массой 14200 т.

На участках тяжеловесного движения отмечен рост на 17—18 % эксплуатационных расходов на те­кущее содержание 1км пути, на некоторых участ­ках происходит осадка пути, ухудшается покило-метровая балльная оценка, ускоряется накопление деформаций земляного полотна и верхнего строе­ния пути. Увеличение прогибов рельсов ведет к снижению ресурса наработки тоннажа рельсами* и шпалами.

Обобщение мирового опыта тяжеловесного дви­жения показало, что оптимальный модуль упруго­сти пути должен возрастать при тяжеловесном движении, а оптимальный прогиб рельса под коле­сом вагона должен находиться в диапазоне от 1,3 до 3,8мм.

Нашими расчетами установлено, что при кон­струкции пути по СТО ОАО «РЖД» 107.002.2010, вер­тикальном давлении колеса 16,3 тс, модулях деформа­ции грунтов земляного полотна от 10 до 30 МПа и высоте насыпи 4 м на прочном основании, прогиб рельсов Р65 составляет от 5 до 9 мм (без учета сжатия подрельсовой и нашпальной прокладок), и это намного больше, чем рекомендуется при тяже­ловесном движении.

Рассмотрим возможности снижения упругих прогибов рельсов под колесами при тяжеловесном движении поездов. Сегодня величина прогиба рельса существенно зависит от деформации под­рельсовых и нашпальных прокладок. Сжатие про­кладок достигает 50 % общей вертикальной дефор­мации рельса под поездной нагрузкой. Длительное время в России считалось, что снижение верти­кальной жесткости прокладок и увеличение их толщины способствуют лучшему распределению поездной нагрузки на шпалы, увеличивая длину волны прогиба рельса. В расчетах последней не учитывалась деформация земляного полотна. Также не учитывалось, что большой диапазон на­пряжений в клеммах и рельсах при значительном сжатии прокладок существенно снижает ресурс упругих клемм и рельсов при наработке тоннажа.

Нелинейность характеристики нагрузка—дефор­мация при взаимодействии подвижного состава и пути создает эффект зазора в узле скрепления и ухудшает распределение давления колес на шпалы. Зарубежные прокладки, как видно из анализа дан­ных В.К. Финка, отличает линейность характери­стики нагрузка—деформация и на порядок мень­шие вертикальные деформации. Известные за­рубежные изготовители узлов рельсовых скрепле­ний Pandrol и Vosslo применяют подрельсовые прокладки из линейно деформируемых пластиков с вертикальной жесткостью 200—300 тс/см. и максимальным сжатием до 0,5 мм. Была получе­на экспериментальная кривая Велера для упру­гих клемм. В результате циклических испыта­ний выяснилось, что для наработки клеммой Vosslo 1 млрд т (40—50млн циклов) ее упругий ход при проходе колеса не должен быть больше, чем 0,7 мм .

На участках тяжеловесного движения поездов ОАО «РЖД» очевидна необходимость повышения жесткости подрельсовых и нашпальных прокладок и уменьшения их толщины до 6—8 мм. Снижение остаточной осадки пути при увеличении модуля упругости подрельсового основания подтверж­дено в ходе испытаний, проведенных в 2014— 2015 гг. ВНИИЖТом на участке Ковдор—Пинозеро с вагонами, рассчитанными на осевые нагрузки 23,5, 25 и 27 тс.

Для увеличения устойчивости бесстыкового пути против выброса промежуточные рельсовые скрепления должны обеспечивать максимальную рамную жесткость рельсошпальной решетки.

Исследования сопротивления повороту рельсов в узлах скрепления показали, что максимальную рамную жесткость пути обеспечивают подкладоч­ные скрепления. Если между клеммой и рельсом находится пластиковый электроизолирующий эле­мент, то рамная жесткость узла скрепления снижа­ется в 3 раза, а предельно допустимая температура нагрева плети уменьшается на 10—15°С.

На значительном протяжении бесстыкового пути в России используется скрепление КБ65, которое характеризуется ослаблением прижатия рельса к шпале в период эксплуатации. Для обе­спечения большей и постоянной силы прижатия рельса к шпале НИЦ «Путь» Горьковской дороги разработал упругую пластинчатую клемму, кото­рая изготавливалась на заводе «Инструмент» в Нижнем Новгороде из стальной полосы шириной 8 см и толщиной 5 мм, прокатанной в «Ижсталь». Клемма, создающая усилие на рельс 1200—1400 кгс, успешно испытана на грузонапряженном участке бесстыкового пути Кировского отделения Горьков­ской дороги. Расчетный ресурс наработки тон­нажа у этой клеммы составляет более 1 млрд т.

Этот пример показывает, что традиционное скрепление КБ65 вполне доступно для модерниза­ции. Вместо закладного болта можно предусмо­треть шурупно-дюбельное прикрепление подклад­ки шурупом ЦП 54 с двухвитковой шайбой или упругой клеммой. За более чем полувековой пери­од применения КБ на отечественной сети это скрепление на ряде участков нарабатывало более 1,2 млрд т пропущенного груза, а при модерниза­ции эта цифра может быть больше.

Известно, что массовая российская железобе­тонная шпала типа ПН (в отличие от брусковых шпал) имеет недостаточную высоту в середине

Из-за этого давление колеса вагона на одну опор­ную площадку шпалы почти не распределяется на вторую опорную площадку, что повышает макси­мальные давления шпалы на балласт и ускоряет темп расстройств пути.

Отечественные железобетонные шпалы типа Ш1 были разработаны для осевой нагрузки ваго­нов до 20 тс и имели наработку тоннажа до 2 млрд т. Повышение вагонной нагрузки до 25—27 тс/ось существенно снижает ресурс железобетонной шпалы. Для уменьшения прогиба рельса и созда­ния равнопрочной конструкции пути с наработкой 1,5—2,0 млрд.т. требуется усиление несущей спо­собности шпалы.

В Китае на линии Датун—Циньхуандао с тяже­ловесным движением поездов применены усилен­ные железобетонные шпалы массой 360 кг, имею­щие расчетный изгибающий момент в подрельсовом сечении на 40 % выше, чем ранее применяв­шиеся шпалы массой 250 кг Исследованиями НИЦ «Путь» Горьковской дороги была доказана возможность повышения несущей способности шпалы типа Ш1 не менее чем на 40 % без повыше­ния ее массы за счет изменения высоты арматур­ного струнопакета (рис. 1). Циклические ис­пытания шпал с увеличенной высотой арматурно­го струнопакета, изготовленных Каликинским шпалозаводом Горьковской дороги, подтвердили во ВНИИЖТе в 1999 г. правильность расчетов НИЦ «Путь». Увеличив высоту струнопакета с 75 до 90 мм, при, том же количестве струн мы полу­чаем необходимое увеличение несущей способно­сти железобетонной шпалы.

Большая высота струнопакета увеличивает мо­мент сопротивления и расчетный изгибающий мо­мент шпалы. Усиленные шпалы имеют меньший прогиб, большее по площади пятно контакта с балластом и примерно на 7 % меньшие максималь­ные контактные напряжения между шпалой и бал­ластом. В результате снижается темп накопления деформаций в балласте и затраты на выправку пути. Желательна модернизация форм для изготов­ления шпал с доведением высоты шпалы в середине до 170 мм и высоты струнопакета до 120 мм.

Повышение же класса бетона от В40 (применяе­мого сегодня шпалозаводами) до В50 не даст ощу­тимого эффекта, но повысит стоимость шпалы.

Типовая балластная призма имеет модуль дефор­мации, по данным ВНИИЖТа, от 170 до 300 МПа и не препятствует попаданию воды от снеготая­ния и дождей к земляному полотну. Толщины щебеночного слоя в 40 см под шпалой недостаточно для существенного гашения коле­баний, передающихся от подошвы железобетон­ной шпалы к земляному полотну. Переход от де­ревянных шпал к железобетонным увеличил ускорения колебаний в контакте железобетонной шпалы и балласта в 2,5 раза. Для исключения тиксотропного разжижения глинистых грунтов основной площадки земляного полотна, при ре­конструкции пути под тяжеловесное движение толщину щебеночного слоя под шпалой целесообразно увели­чить до 60 см или повысить прочность верха земляного по­лотна. Для увеличения мо­дуля деформации щебеночного слоя до 800 МПа нижние 30 см щебня можно уложить на гео­сетку, которая улучшит распре­деление поперечных сил на путь. Используя технологию, применяемую при строитель­стве автодорог, следует уплот­нить щебень виброкатком врас­клинку и пропитать горячим битумом. При этом можно сни­зить технические требования к нижнему слою щебня. Это при­ведет к уменьшению объема работ и снижению затрат при среднем ремонте пути.

Земляное полотно железных дорог ОАО «РЖД» — наиболее слабый элемент пути. Примерно 70 % земляного полотна дорог России построено из гли­нистых, суглинистых и супесчаных грунтов. В пе­риод эксплуатации отмечаются просадки, переко­сы и выплески.

Известно, что вода — враг № 1 для глинистого земляного полотна, но до сих пор это не учтено в конструкции пути. Чтобы исключить сезонные ос­лабления верха земляного полотна и загрязнение нижнего слоя щебня разжиженным глинистым грунтом, а также уменьшить прогиб рельса, целе­сообразно выполнять стабилизацию верха земля­ного полотна, повысив модуль деформации грунта с 20—30 МПа до 150 МПа. Стабилизацией можно сделать глинистый грунт гидрофобным и морозо­устойчивым. Существует много типов добавок и ферментов, успешно применяемых для стабилиза­ции грунтов во многих странах мира. ОАО «РЖД» утверждены нормативы стабилизации верха земля­ного полотна. По экспериментальным данным А.Д. Омарова, защищенное от увлажнения через балластную призму земляное полотно осушается, снижая влажность через 2—3 года на 2—4 %. При этом прочность глинистых грунтов возраста­ет. Стабилизация местных грунтов основной пло­щадки взамен устройства подбалластного слоя из привозных дренирующих грунтов эффективна, так как существенно уменьшает количество и стои­мость привозных материалов.

Для экономии балластных материалов целесо­образно при реконструкции пути усовершенство­вать технологию выравнивания верха основной площадки земляного полотна и песчаной подушки, применив для планировки автогрейдеры с трехмерной автоматической системой управления (например, BladePro 3D). В сочетании с электрон­ным тахеометром ATS точность проведения земля­ных работ может быть доведена до ±5 мм (вместо допускаемых сегодня ±5 см). Предлагаем норма­тивно установить допускаемые отклонения отме­ток бровки земляного полотна и песчаной подуш­ки ±1 см от проекта.

На рис. 2 приведен, для примера, профиль предлагаемой конструкции второго пути на на­сыпи для участка с тяжеловесным движением поездов.

Расчеты прогиба рельсов Р65 численными ме­тодами под рекомендуемой вертикальной на­грузкой от колеса на рельс в 16,33 тс для кон­струкции пути, приведенной на рис. 2, показали, что данный вариант позволяет получить опти­мальный для тяжеловесного движения прогиб рельса (табл. 3) по сравнению с конструкцией, ре­комендуемой СТО ОАО «РЖД» 107.002.2010.

Подводя итоги, можно предложить в качестве подготовки железнодорожного пути к тяжеловес­ному движению следующее.

▪Определить и нормировать основные техни­ческие параметры малообслуживаемого пути, включив их в разрабатываемые нормативные до­кументы. Утверждение технических параметров позволит оптимизировать расходы жизненного цикла железнодорожного полотна как единой конструкции.

▪Внести дополнения в систему технического обслуживания пути с учетом различных сочетаний элементов верхнего строения, состояния земляно­го полотна и конструкции балластной призмы.

▪При проведении ремонтов пути заменять резиновые подрельсовые и нашпальные про­кладки пластиковыми линейно-деформируемы­ми прокладками с динамической жесткостью до 250 кН/мм.

▪Модернизировать массовое промежуточное рельсовое скрепление для железобетонных шпал КБ65 установкой упругих клемм взамен жестких П-образных и шурупно-дюбельным прикреплени­ем подкладки к шпале.

▪При изготовлении железобетонных шпал уве­личить высоту арматурных струнопакетов с 75 до 90 мм, что приведет к росту несущей способности шпалы, уменьшит затраты на подбивку и повысит ресурс шпал.

▪Для повышения несущей способности бал­ластного слоя перейти к устройству двухслойной щебеночной призмы общей высотой 60 см под шпалой (без песчаной подушки), укладываемой на стабилизированную основную площадку зем­ляного полотна. Нижний слой щебня предлага­ется уплотнять виброкатком и пропитывать сверху битумом для достижения модуля дефор­мации 800 МПа.

Предусмотреть стабилизацию верха основ­ной площадки земляного полотна на глубину 0,25—0,3 м с доведением модуля деформации ста­билизированного грунта до 150 МПа.

Шарапов С.Н.