КОНСТРУКЦИЯ КРИВОЙ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
DESIGN OF CURVE OF TRACK STRUCTURE

Конструкция кривой верхнего строения железнодорожного пути является основным железнодорожным оборудованием и относится к железнодорожной области техники, т.е. строительству железных дорог, верхнего строения пути, а именно к конструкции железнодорожного пути в кривых.
Данное предложение является промышленно применимым, так как при конструировании модели кривой верхнего строения железнодорожного пути использовались известные в мировой технике конструктивные методы, способы, приемы и расчеты.
По уровню техники кривая верхнего строения железнодорожного пути относится к путевым устройствам для изменения направления железнодорожного пути с необходимым набором условий геометрии для создания наиболее благоприятного взаимодействия пути и подвижного состава.
Аналогом для расчета конструкции кривой верхнего строения железнодорожного пути послужило «Временное руководство по определению возвышения наружного рельса и допускаемых скоростей движения в кривых» от 22 августа 2009 года № ЦПТ-44/17, утвержденное распоряжением ОАО «РЖД» от 24 августа 2009 года №1758р «Об утверждении временного руководства по определению возвышения наружного рельса и допускаемых скоростей движения в кривых».
2
Исходя из многолетнего опыта эксплуатации кривых верхнего строения пути (далее ВСП), собранных на основании расчетов этих документов, срок службы всех элементов ВСП снизился, что привело к увеличению расходов денежных средств и материальных ресурсов на ремонт и содержание пути. По существующим методикам расчета возвышений, величина возвышения наружного рельса в кривой, как правило, определяется по максимальной скорости движения пассажирского поезда при нормативе непогашенных ускорений 0,7 м/с. При максимальной скорости пассажирских поездов, заложенных в дорожных приказах по скоростям 120 км/ч, для данной кривой (Фиг.1.) возвышение будет 100 мм.
2
При таком возвышении наружных рельсов в кривой радиусом 800 м величина непогашенных ускорений для грузовых поездов окажется в диапазоне ±0,3 м/с, при котором сроки службы всех элементов ВСП уменьшаются почти в 2 раза, ухудшается взаимодействие пути и подвижного состава.
Из сведений об известных устройствах патент на изобретение RU №2478149 U1 МПК: B61K 3/02 «Конструкция железнодорожного пути в кривых», который принят за прототип к предложенной модели кривой верхнего строения железнодорожного пути. Недостатками данной конструкции железнодорожного пути в кривых являются появление сдвигов и распоров рельсовой колеи при прохождении подвижного состава, значительный боковой износ рельсов и ходовых частей подвижного состава, большие эксплуатационные расходы, связанные с текущим содержанием пути в кривых.
Техническим результатом при использовании предложенной конструкции кривой верхнего строения железнодорожного пути является снижение трения между колесом подвижного состава и рельсом железнодорожного пути в кривой, и как следствие этого - снижение износа в системе «колесо-рельс».
Общественно полезным эффектом, как следствие данного технического результата при использовании предложенной конструкции кривой верхнего строения железнодорожного пути, является продление сроков службы пути между ремонтами, улучшение взаимодействия пути и подвижного состава, сокращение расходов денежных средств и материальных ресурсов на ремонт и содержание пути в исправном состоянии.
Для достижения данного технического результата при использовании предложенной конструкции кривой верхнего строения железнодорожного пути необходимо:
- изменить расчет возвышений наружных рельсов в кривых и вести его по средневзвешенным скоростям движения грузовых поездов;
- сделать корректировку скорости пассажирских поездов.
Предлагается примерная конструкция кривой железнодорожного пути с расчетом возвышения наружного рельса при радиусе кривой R=800 м и средневзвешенной скорости движения грузовых поездов 62,5 км/ч (Фиг.1.),
где обозначения для Фиг.1:
R - радиус кривой в метрах;
к
L - длина круговой кривой;
п
L - полная длина кривой;
кр
F - стрела изгиба кривой, 62,5 метров;
кр1,2
i - уклоны отвода кривых;
кр1,2
l - длины переходных кривых;
h - возвышение наружного рельса;
отв1,2
l - длина отвода возвышения;
отв1,2
i - уклоны отвода возвышения наружного рельса;
где a - хорда, равная 20 метрам;
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1000</mn><mo>×</mo><mn>20</mn><mo>×</mo><mn>20</mn></mrow><mrow><mn>8</mn><mo>×</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>50000</mn></mrow><mrow><mn>62</mn><mo>,</mo><mn>5</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>800</mn></mrow>
отсюда:
тогда:
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>12</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mtext> взв</mtext></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>12</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mo>⋅</mo><mn>62</mn><mo>,</mo><msup><mn>5</mn><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>800</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>60</mn><mtext> мм</mtext></mrow>
где:
R - радиус кривой;
ср взв
V - средневзвешенная скорость движения грузового состава;
h - величина возвышения наружного рельса;
12,5 - коэффициент.
При этом скорость пассажирского поезда в этой кривой должна быть не более:
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>max</mi><mtext> пасс</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mn>3</mn><mo>,</mo><mn>6</mn><msqrt><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>7</mn><mo>+</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>00613</mn><msub><mi>h</mi><mrow><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>R</mi></mrow></msqrt><mo>=</mo><mn>100</mn><mtext> км/ч</mtext></mrow>
где:
0,7, м/с - величина непогашенного ускорения для пассажирского поезда;
гр
h - возвышение, определенное для грузовых поездов по их средневзвешенной скорости движения.
При таком соотношении скоростей как грузовых, так и пассажирских поездов, получаются наиболее благоприятные условия для взаимодействия пути и подвижного состава и, как следствие, увеличиваются сроки службы пути между очередными ремонтами до двух раз.
2
2
При таких параметрах устройства пути в кривых грузовые поезда в основном следуют с непогашенными ускорениями в диапазоне ±0,1 м/с, вместо рекомендованных ±0,3 м/с.
В целях недопущения внезапного возникновения дополнительных сил в кривой и для плавного перехода поезда с прямого участка пути в кривой или из кривой, одного радиуса в кривую другого радиуса устраиваются переходные кривые. Их делают путем смещения круговой кривой к ее центру.
Для снижения бокового воздействия на рельсы наружной рельсовой нити, уменьшения перегрузки рельсов наружной нити, обеспечения равномерного износа рельсов обеих нитей и устранения неприятных для пассажиров воздействий от толчков, устраивают возвышение наружной нити кривой h (Фиг.2.).
ц
Внешней дополнительной силой, воздействующей на экипаж в кривой являются центробежная сила F
<mrow><mi>F</mi><mi>ц</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Q</mi><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>R</mi></mfrac></mrow>
где Fц - центробежная сила экипажа;
Q - масса;
V - скорость движения;
R - радиус кривой.
Эта сила прижимает экипаж к наружной рельсовой нити, перегружая ее и увеличивая сопротивление подвижного состава, что ускоряет износ наружного рельса. Кроме того, эта сила может оказывать неблагоприятное воздействие на пассажиров.
Для уменьшения воздействия центробежной силы и неблагоприятных последствий, которые она вызывает, в кривых участках пути устраивают возвышение наружного рельса h. Экипаж на пути устанавливается с наклоном. При этом возникает сила Т (составляющая от веса экипажа G), направленная внутрь кривой, которая полностью или частично уравновешивает центробежную силу. Из подобия треугольников (Фиг.2.) ΔАБВ и ΔГДЕ видно, что:
<mrow><mfrac><mi>T</mi><mi>G</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>h</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow>
где T - сила, воздействующая при наклоне экипажа (составляющая от G=Qq);
h - величина возвышения наружного рельса;
S - расстояние между осями рельсовых нитей по центру головок рельсов, равное 1600 мм;
Q - масса экипажа;
2
q - коэффициент ускорения свободного падения (9,8 м/сек). откуда сила T равна:
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><mi>G</mi><mfrac><mi>h</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><mi>Q</mi><mi>q</mi><mfrac><mi>h</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow>
или
.
H
При недостатке возвышения наружного рельса остается непогашенная центробежная сила F:
H
ц
ц
F=F-T, подставляя значения F и T,
получаем:
<mrow><mi>F</mi><mi>н</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Q</mi><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>−</mo><mi>Q</mi><mi>q</mi><mfrac><mi>h</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow>
или
<mrow><mi>F</mi><mi>н</mi><mo>=</mo><mi>Q</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>−</mo><mi>q</mi><mfrac><mi>h</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
где:
Q - масса экипажа в тоннах;
V - скорость движения экипажа в км/час;
R - радиус кривой в метрах;
2
q - ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с;
h - возвышение наружного рельса в мм;
S - расстояние между осями рельсовых нитей в мм, равное 1600 мм.
НП
Выражение в скобках представляет собой непогашенное поперечное ускорение - A.
НП
H
В идеале, боковое воздействие будет наименьшим, когда непогашенное поперечное ускорение будет стремиться к нулю, т.е. A и F → 0, тогда, в идеале, должно выполняться условие:
<mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>Н</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>−</mo><mi>q</mi><mfrac><mi>h</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
тогда:
<mrow><mfrac><mrow><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>=</mo><mi>q</mi><mfrac><mi>h</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow>
Отсюда возвышение наружного рельса равно:
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>R</mi></mfrac><mfrac><mi>S</mi><mrow><mn>3</mn><mo>,</mo><msup><mn>6</mn><mn>2</mn></msup><mi>q</mi></mrow></mfrac></mrow>
где 3,6 - коэффициент перевода км/час в м/с.
Подставляем значения S и q, получаем:
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mn>12</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mfrac><mrow><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>R</mi></mfrac></mrow>
2
По этой формуле определяется возвышение наружного рельса для грузовых поездов, где скорость определяется по средневзвешенной скорости движения поездов. Допускаемая скорость движения пассажирского поезда определяется исходя из величины непогашенного ускорения для пассажирских поездов - 0,7 м/с.
ГР
Подставляя в формулу непогашенного ускорения пассажирского поезда возвышение h, получаем максимальную допустимую скорость пассажирского поезда:
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>max</mi><mtext> пасс</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mn>3</mn><mo>,</mo><mn>6</mn><msqrt><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>7</mn><mo>+</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>00613</mn><mi>h</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>R</mi></mrow></msqrt></mrow>