Совершенствование малообслуживаемых рельсовых скреплений для железобетонных шпал бесстыкового пути

Цикл статей:
Глава 1 – Совершенствование малообслуживаемых рельсовых скреплений для железобетонных шпал бесстыкового пути         

Обзор исследований, посвященных работе промежуточных рельсовых скреплений в пути с железобетонными шпалами

Общие положения о состоянии железнодорожных линий

Одним из авторов проекта первой магистральной железной дороги в России Москва-Петербург П.П. Мельниковым, одним из самых образованных людей своего времени в области транспорта, издавшим в 1835 году сочинение о же­лезных дорогах – первое издание об этом предмете на русском языке – в 1837 году после поездки за границу для изучения путей сообщения в Западной Евро­пе в своем отчете о поездке было сообщено государю императору России сле­дующее: “Глубоко убежден, что железные дороги необходимы для России, что они, можно сказать, выдуманы для нее более, чем для какой-либо другой стра­ны Европы, что климат России и ее пространства, которыми постоянно воору­жались для утверждения железных дорог, соделывают их особенно драгоцен­ными для нашего отечества…” [1]. Вся последующая история существования и развития железных дорог стала живым воплощением с того пророческого опре­деления важности железнодорожного транспорта для России.

До образования суверенных государств, создавших СНГ, развитие железно­дорожного транспорта на их территориях определялось Основными направле­ниями экономического и социального развития на период до 2000 года, в кото­рых были сформулированы общие задачи и роль железнодорожного транспорта и в области путевого хозяйства, в частности “… обеспечить совершенствование организации эксплуатационной работы железных дорог, ремонта и содержания пути. Увеличить скорости движения поездов, ускорить оборот вагонов” [2].

Однако эти задачи далеки от реализации, о чем свидетельствуют большие ежегодные потери из-за задержек поездов по состоянию пути, повышенный расход топлива и электроэнергии, низкие скорости движения поездов [3]. Со­стояние путевого хозяйства серьезно осложняет перевозки и не позволяет уско­рить оборот вагона. Путевое хозяйство железных дорог на территориях госу­дарств СНГ работает неэффективно, о чем говорит соотношение численности занятых в нем категорий работающих на эксплуатации и ремонтах пути. В пу­тевом хозяйстве занято около 440 тыс.чел., в том числе на эксплуатации – 305 тыс.чел., а на ремонте пути – 67 тыс.чел., в промышленности – 20 тыс.чел. [3].

Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта и необ­ходимое для этого ускорение оборота вагонов неразрывно связаны с необходи­мостью непрерывного роста скоростей движения поездов и осевых нагрузок, что в значительной степени повышает уровень силового воздействия подвиж­ного состава на железнодорожный путь, и выдвигают задачу по усовершенст­вованию наиболее прогрессивной конструкции – бесстыкового пути, которая в настоящее время не обладает необходимой эксплуатационной надежностью для обеспечения гарантированной безопасности движения поездов. Промежуточ­ное рельсовое скрепление в недостаточной степени соответствует требованиям, изложенным в “Технических указаниях по укладке и содержанию бесстыкового пути”, а также в технических указаниях по проектированию промежуточных рельсовых скреплений. Кроме того, указанные нормативные источники не со­держат нормированных величин минимальных усилий натяжения прикрепите- лей, а лишь регламентируют число сплошных подкреплений в количестве не менее двух за год, с учетом результатов, полученных д.т.н. Карпущенко Н.И. и д.т.н. Альбрехтом В.Г. [5]. При определении минимального допустимого уровня сил погонного сопротивления – 10 кН/м, существующие конструкции промежуточных рельсовых скреплений требуют проведения работ по сплош­ным подкреплениям гаек после пропуска по пути не менее 35-40 млн.т, брутто тоннажа, а на концевых участках после пропуска каждых 20-25 млн.т.брутто

При этом, по данным д.т.н Шульги В.Я. [6], затраты труда по содержанию промежуточных рельсовых скреплений составляют 20-25 % от общего объема затрат труда по текущему содержанию бесстыкового пути. Недостаточное со­противление силам угона – не единственное отрицательное последствие низкой стабильности прижатия рельсов к шпалам. Высокая неоднородность усилий на­тяжения прикрепителей влечет за собой и адекватную себе неоднородность вибрационных ускорений балласта под шпалами, амплитуды которых во­зрастают по линейной зависимости со снижением уровня натяжения болтов в процессе эксплуатации пути [7]. Следствием этого являются неправомерные остаточные деформации рельсовых нитей и, как правило, значительные объемы работ по выправке пути в плане и по уровню, достигающие 40-50% от общего объема выполняемых работ при текущем содержании бесстыкового пути.

Требования к промежуточным скреплениям

Промежуточные скрепления, выполняя роль связующих элементов между рельсами и основанием, должны обеспечивать [8]:

стабильность ширины колеи;

прижатие рельсов к основанию, исключающее отрыв и угон рельсов;

оптимальные условия температурной работы рельсов;

проведение регулировки положения рельсов по высоте и ширине колеи, за­мену деталей скреплений без перерывов в движении поездов;

механизированную сборку и содержание узлов скреплений;

рациональную пространственную упругость и вибростойкость узлов скреп­лений;

электроизоляцию рельсов от основания;

экономическую эффективность конструкции верхнего строения пути.

Требование обеспечения стабильности ширины колеи важно и очевидно, оно прямо связано с обеспечением безопасности движения поездов из условия недопущения провала колес.

Нарушение требования по обеспечению достаточности прижатия рельсов к основанию приводит к отрыву рельсов от шпал при укладке или разборке пути, а также при его подъемке при проведении выправочных работ. Обусловлено это гниением деревянных шпал, разрушением дюбелей, недостаточной прочно­стью и коррозией прикрепителей на железобетонных основаниях.

Угон рельсов приводит к изменению их напряженно-деформированного со­стояния, что может вызвать выброс пути при повышении температуры и разрыв стыков при ее понижении. Угон пути приводит к смещению и перекосу шпал, выпадению подрельсовых прокладок. Ликвидация последствий угона рельсов сопряжена с выполнением сложных и трудоемких работ по регулировке зазоров и разрядке температурных напряжений в рельсовых плетях.

Требование оптимизации температурной работы рельсов также связано с величиной усилий прижатая их к основанию. Исключить температурные де­формации рельсов очень сложно, так как это вызывает усложнение кон­струкции пути, удорожание рельсовых скреплений. Недостаточное же прижа­тие рельсов к основанию вызывает чрезмерные деформации концевых участков рельсовых плетей, усложнение конструкции стыковых скреплений, быстрый износ промежуточных скреплений, нарушение равноупругости основания из-за перемещения шпал.

Проведение регулировки положения рельсов по высоте особенно важно на железобетонных подрельсовых основаниях и в зимнее время. В условиях высо­кой грузонапряженности в пути быстро накапливаются остаточные деформа­ции, происходит нарушение проектного положения рельсов. Выправка пути с применением шпалоподбивочной техники сложна в организации, требует пере­рывов в движении поездов, поэтому использование регулировочных прокладок для выправки пути весьма целесообразно. В зимнее время на участках пучино- образования применение регулировочных прокладок является единственным способом исправления пути по уровню и в профиле.

В современных условиях, когда сборка и разборка рельсошпальной решетки ведется на базах с применением поточных линий, требование о необходимости механизации работ по сборке и разборке узлов скреплений совершенно спра­ведливо. Необходимость механизации работ по смене рельсов, замене изно­шенных элементов скреплений, регулировке натяжения прикрепителей при те­кущем содержании пути также не вызывает сомнений.

Обеспечение рациональной пространственной упругости рельсовых скреп­лений чрезвычайно необходимо для того, чтобы упруго перерабатывать дина­мические воздействия колес подвижного состава на рельсы, гасить высокочас­тотные вибрации, расстраивающие путь и особенно его болтовые соединения, а также для того, чтобы создавать равноупругость подрельсового основания.

Упругость, создаваемая скреплениями, отделяет массу рельса от подрельсо­вого основания аналогично тому, как рессоры отделяют кузов экипажа от его ходовых частей. Это существенно снижает силы инерции, образующиеся при движении колес по неровностям пути. Однако при большой вертикальной и го­ризонтальной упругости опор увеличивается статический изгиб рельсовых ни­тей под колесной нагрузкой, увеличивается также поворот поперечных сечений рельсов, создающий угоняющий эффект. Этим и объясняется существование понятия оптимальной пространственной упругости пути, при которой взаимо­действие пути и подвижного состава будет наилучшим, а напряжения, дефор­мации и накопления последних будут минимальными.

Кроме того, неизменная упругая связь элементов скреплений с рельсами, подрельсовыми опорами и друг с другом с заданным натяжением необходима для обеспечения нормальной работы скреплений, предотвращения неупругих колебаний элементов и связанных с этим расстройств узлов скреплений.

Передача боковых сил на бетон должна осуществляться через упругие амортизаторы (прокладки, подклеммники), обеспечивая при этом величины удельных давлений на них в допускаемых пределах.

При нашпальных прокладках из резины усилие прижатия подкладки к же­лезобетонной шпале должно быть не менее 20 кН на один болт.

Скрепления железобетонных шпал должны обеспечивать возможность ре­гулировки положения рельсов по высоте в пределах 10—20 мм. Прокладки- регуляторы должны изготавливаться из жестких материалов. Их типоразмеры должны обеспечивать уклоны отводов при исправлении пути в соответствии с действующими нормативами.

Для использования в бесстыковом пути рельсовые скрепления должны со­здавать монтажное натяжение прикрепителей, обеспечивающее погонное со­противление продольным перемещениям рельсов не менее 30 кН/м [9].

На звеньевом пути в целях предотвращения угона рельсов необходимо, что­бы погонное сопротивление продольным перемещениям было не менее 15 кН/м. Если сила прижатия рельса с учетом коэффициента трения между рель­сом и основанием недостаточна, то необходимо предусматривать до­полнительные противоугонные устройства (противоугоны).

На участках с автоблокировкой скрепления для железобетонных шпал должны обеспечивать электрическую изоляцию рельсов от шпал с сопротив­лением не ниже 1 Ом на километр пути.

Требование к скреплениям о необходимости обеспечения экономической эффективности конструкций пути очевидно. Скрепления должны способство­вать достижению высоких сроков службы всех элементов пути (в частности, они сильно влияют на сроки службы деревянных шпал) и оптимальных условий их эксплуатации.

Обзор работ, посвященных рельсовым скреплениям

Применение железобетонных шпал в конструкции бесстыкового пути по­ставило новые технические требования к промежуточным рельсовым скрепле­ниям. К одному из важнейших технических требований относится обеспечение надежной и постоянной связи рельсов с основанием, при котором минимально снижается прижимное усилие при воздействии всего комплекса сил и обеспе­чивается стабильность положения рельсовых нитей [10].

В исследованиях А.Я Когана., Н.И. Карпущенко [4], A.A. Покацкого, М.Ф. Вериго [11], В.Г. Альбрехта [12, 13, 14, 15], М.С. Боченкова [16, 17], М.Г. Анд­риевского [18], Г.М. Шахунянца [19, 20] были определены силы угона, дейст­вующие на рельс, а так же влияние элементов рельсовых скреплений на проти­водействие силам угона, как при деревянных, так и при железобетонных шпа­лах [21]. Главную роль в формировании сил сопротивления угону при железо­бетонных шпалах играют прикрепители рельсов к основанию, в отличие от противоугонов при деревянных шпалах. При этом необходимое усилие прижа- стройств, но не может коренным образом улучшить работу скреплений, так как приводит к нарушению прочности болтов, шайб, клемм, повышению жесткости соединения, увеличению затрат труда и энергии на подтягивание гаек с боль­шими усилиями. Поэтому наиболее целесообразным (радикальным), по мнению С.П. Першина, является уменьшение соотношения жесткости клемм и проклад­ки. При этом а нужно уменьшить за счет снижения жесткости клемм. Рекомен­дуется ориентировочно Ж^ = (2-3)10⁴ кН/м, Ж_пр = (10-15)10⁶ кН/м с затяжкой гаек клеммных болтов 15-18 кгс*м (150-180 Нм). При дальнейшем уменьшении жесткости клемм условия силового замыкания могут быть еще более благопри­ятными [25].

Рекомендуется а_тах >а> a_min и ориентировочно а = 0,05 – 0,1.

Отмечено, что при увеличении колесных давлений (при более высоком мо­дуле упругости пути) необходимо увеличивать и силу прижатия или изменить а, уменьшая жесткость клемм. В противном случае неизбежно увеличение ин­тенсивности расстройств, что имеет место на пути с железобетонными шпала­ми. Уменьшение расстройств в связях рельсов с опорами способствует повы­шению устойчивости колеи, снижению расходов по содержанию и ремонту пу­ти, общему росту экономической эффективности его эксплуатации.

Выводы С.П. Першина в работе [25] явились основополагающими в даль­нейшем развитии теории проектирования упругих элементов промежуточных скреплений.

По исследованиям МИИТа и ВНИИЖТ при современных конструкциях скреплений модуль упругости подрельсового основания в пути с железобетон­ными шпалами (без учета работы земляного полотна [36]) находится в пределах 140 – 180 МПа (летом) и 250 – 280 МПа (зимой). Оптимальный вертикальный модуль упругости подрельсового основания при железобетонных шпалах для современного подвижного состава по результатам совместных исследований МИИТа и ДИИТа находятся в круглогодичном цикле в пределах 50 – 100 МПа [37, 38]. Исследованиями ДИИТа [39, 41] это значение несколько уточнено и составляет 30 -40 МПа, вычисленное исходя из ряда основных критериев ма- тия рельсов к подкладкам или непосредственно к шпалам определяется из ус­ловия, что силы трения между подошвой рельса и тем элементом, на который она опирается, исключали возможность ее проскальзывания по основанию при изгибе рельса в процессе прохода колеса подвижного состава и образованию сил угона пути [22]. Кроме этого в [16] отмечено, что если в продольном на­правлении имеется достаточно упругая связь между основанием и рельсом, то рельс не будет срываться со своего основания, в последнем возникнут упругие горизонтальные реакции, которые после снятия нагрузки вернут рельс в перво­начальное положение. В исследованиях МИИТа [23] указано влияние элемен­тов скреплений на величину вертикального модуля упругости подрельсового основания. Снижение высокого значения модуля упругости подрельсового ос­нования в пути с железобетонными шпалами явилось дальнейшей задачей ис­следований в области совершенствования конструкции скреплений. Но как по­казали исследования [24, 19, 25], а также [22, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35] на жесткость пути существенное влияние оказывают силы натяжения прикре- пителей, а также жесткость пружинных элементов, работающих вместе с ними пружинных шайб, клемм.

Так, в работе С.П. Першина [25], посвященной исследованию промежуточ­ных скреплений на деревянных шпалах под нагрузкой, рассмотрено влияние соотношения жесткости клемм и прокладок на выполнение условия силового замыкания и отсутствие его «разрыва», а также предложена методика расчета необходимой жесткости прикрепителей и прокладок для заданных условий. В частности показано, что с уменьшением жесткости (Ж_пр) прокладок при неиз-

Ж

менной жесткости клемм, величина соотношения жесткостей а = —— увеличи-

^Жпр

вается, в связи с чем возможно более интенсивное ослабление первоначального натяжения при менее жестких прокладках, что подтверждается опытами [25]. Если же, наоборот, при неизменной жесткости (Ж_пр) снизить жесткость клемм, то вследствие уменьшения «расстройства должны проходить медленнее [25].

Повышение усилий затяжки способствует снижению интенсивности рас- тематическими методами получения оптимальных решений. Такими критерия­ми явились следующие условия: обеспечение наименьших силовых воздейст­вий на путь, наименьших изгибных напряжений и контактных напряжений, наименьшего сопротивления движущегося поезда, наименьших напряжений в шпалах, балласте, на основной площадке земляного полотна. Исследованиями A.A. Демидова (МИИТ) [40] определены необходимые упругие характеристики пружинных элементов и подрельсовых прокладок, исходя из задачи снижения жесткости пути и уменьшения перепада монтажных усилий в прикрепителях под поездами. При этом предполагалось, что если упругие характеристики про­кладок и пружинных элементов под прикрепителями в лучшем соответствии, то это позволит свести к минимуму расстройство узла скрепления. Приводится методика и результаты исследований работы прокладок и узла скрепления КБ в целом. Установлено также, что при прокладках повышенной упругости увели­чиваются напряжения в опасных сечениях путевых подкладок на 10,8 %.

Автором работы [40] предложена также методика расчета необходимой уп­ругой характеристики пружинных элементов под прикрепителями, при которой снижение монтажных усилий не превышало бы установленного уровня при любой монтажной затяжке прикрепителей. При этом за критерий принят предел монтажных натяжений 0,5 кН на 10 кН нагрузки на опору. В этом случае, по расчетам автора работы [40], для закладных болтов необходимы шайбы с жест­костью 90,7 кН/см (с учетом изгиба подкладок) на интервале нагрузок на болт (шайбу) 10 – 20 кН при прокладках повышенной упругости. При этом для под­кладки толщиной 7 мм требуемое значение жесткости составляет 180 кН/см. И далее даются выводы о том, что пружинные элементы, рассчитанные по пред­ложенной методике, позволят обеспечить длительное сохранение монтажных натяжений болтов. Вместе с тем в указанных исследованиях не приводятся рас­четы необходимых характеристик, описывающих зависимость натяжения бол­товых соединителей от пропущенного тоннажа. Несмотря на это работа [40] все же является определенным вкладом в развитие общей теории расчета промежу­точных рельсовых скреплений для железобетонных шпал. Ряд рекомендаций, вытекающих из указанной работы и касающихся проектирования упругих па­раметров узла скрепления, вписаны в «Технические требования на проектиро­вание промежуточных рельсовых скреплений», разработанные ВНИИЖТ, МИИТ, ДИИТ.

В соответствии с “Техническими требованиями к промежуточным рельсо­вым скреплениям” конструкция скреплений должна обеспечивать: стабиль­ность ширины колеи в период эксплуатации; прижатие рельса к основанию, ис­ключающее возможность проскальзывания подошвы рельса по подкладке (или прокладке) при воздействии проходящих поездов и температурных сил; рацио­нальную пространственную упругость узла скрепления с целью снижения виб­рационного воздействия на подшпальное основание; электроизоляцию рельсов от железобетонных шпал по условию устойчивой работы автоблокировки; за­мену деталей скрепления без перерывов в движении поездов; механизирован­ную сборку и разборку узла скрепления. Скрепления для железобетонных и раздельные скрепления для деревянных шпал должны обеспечивать возмож­ность регулировки положения рельса по высоте в пределах до 10-15 мм. При этом вероятность безотказной работы металлических и трудносменяемых элек­троизолирующих элементов скреплений до конца межремонтного периода должна быть не менее 0.95.

Технические требования к промежуточным рельсовым скреплениям, при­меняемым в России, по большинству параметров совпадают с рекомендациями, принятыми на совещании рабочей группы экспертов IX Комиссии Комитета ОСЖД по теме “Упругие рельсовые скрепления”, состоявшемся в марте 1987 г. в Варшаве. Вместе с тем, на дорогах стран Западной Европы исключаются та­кие требования к промежуточным скреплениям, как возможность производить выправку рельсовой нити по высоте, снижение жесткости пути за счет узла скрепления. Большинство зарубежных железных дорог придерживается тен­денции применения бесподкладочной конструкции скреплении для железобе­тонных шпал с использованием упругих элементов (клемм) для прикрепления

рельсов к основанию.

Исследованиями [42] установлено, что интенсивность снижения монтажных усилий в клеммных болтах скрепления КБ-65 в 1,5 раза выше, чем в закладных, а в уравнительном пролете в 2 раза выше, чем в средней части плети. При этом натяжение болтов с двухвитковыми шайбами сохраняется лучше, чем с более жесткими одновитковыми. Многочисленными исследованиями установлено, что с уменьшением жесткости прокладок интенсивность падения монтажных усилий в соответствующих им креплениях возрастает, а снижение жесткости пружинных элементов при прикрепителях способствует снижению интенсив­ности падения монтажных натяжений [31, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55]. Как показывают исследования [32, 33, 56, 57, 58], ослабление мон­тажных усилий в закладных болтах приводит к значительному увеличению из- гибных напряжений в подкладках, что и способствует их излому в пути. Конеч­но, при достижении высокой стабильности сохранения монтажных усилий в прикрепителях затраты труда в пути с железобетонными шпалами могли быть намного меньше, чем с деревянными, особенно при прокладках повышенной упругости [57, 59]. Однако, исследования, на которые указано выше, не содер­жат научно-методических разработок, направленных на увеличение стабильно­сти монтажных усилий в прикрепителях.

В работах [60, 61, 62] изложены технические требования на проектирование промежуточных рельсовых скреплений железных дорог России. Промежу­точные рельсовые скрепления должны обеспечивать: оптимальную пространст­венную упругость пути и надежную связь рельса с опорами, неизменность ши­рины колеи и подуклонки, устойчивость рельсовых нитей от их продольного смещения по опорам под воздействием проходящих поездов и температурных сил. Кроме того, скрепления не должны затруднять укладку рельсовых плетей и разрядку напряжений в бесстыковом пути, должны допускать замену деталей без перерывов в движении поездов, а также регулировку положения рельсовых нитей по высоте. В этих же работах приведены конкретные параметры, кото­рым должен удовлетворять узел рельсового скрепления.

В работе [63] приведены конструкции некоторых безболтовых рельсовых скреплений железных дорог США и описаны лабораторные испытания по тех­ническим условиям AREA и NECIP. Эти испытания обеспечивают получение информации о работоспособности новых скреплений быстрее и с меньшими за­тратами, нежели натурные испытания в эксплуатационных условиях.

В статье [64] описаны новейшие разработки нераздельных скреплений раз­личных американских фирм. Отмечается, что развитие -конструкций нераз­дельных скреплений направлено на совершенствование эксплуатационных ха­рактеристик в отношении шума и вибраций, что возможно при применении скреплений повышенной упругости.

В статье [65] обобщены результаты исследований отечественных и зару­бежных скреплений за последнее время.

В этой же работе приведены конструкции и характеристики наиболее пер­спективных скреплений – БПУ, Пандрол, Фоссло, Набла, ЭВЕМ, АРС, СБ-3. Делается вывод о необходимости разработки набора малоообслуживаемых кон­струкций верхнего строения пути, оптимальных для различных условий экс­плуатации. Новые скрепления должны обладать малоэлементностью, на­дежностью и долговечностью. На звеньевом пути целесообразно перейти к раз­дельному скреплению с пружинной клеммой, а на бесстыковом пути с же­лезобетонными шпалами – с анкерами и пружинной клеммой. Этим требовани­ям в значительной мере удовлетворяют разработки [66, 67].

В монографии В.Г. Альбрехта и А .Я. Когана [68] описаны способы борьбы с угоном рельсовых плетей с помощью современных конструкций пружинных противоугонов, а также пружинных скреплений противоугонного типа. Приве­дены характеристики упругости клемм современных отечественных и за­рубежных скреплений и методика расчета параметров скреплений.

Особое место среди промежуточных рельсовых скреплений занимают без­болтовые скрепления, имеющие ряд очевидных преимуществ по сравнению с другими их видами. К числу наиболее известных можно отнести разработанное МИИТом скрепление АРС , широко применяющиеся за рубежом скрепления «Пандрол» и «Фист», а также ряд опубликованных патентов. Одной из наибо­лее перспективных разработок последнего времени является польское скрепле­ние “СБ-3” [68].

До последнего времени расчеты деталей рельсовых скреплений проводи­лись с помощью простых расчетных схем сопротивления материалов и рас­сматривались по отдельности [69, 70, 71, 72, 73].

Исследование надежности современных конструкций пути и рельсовых промежуточных скреплений приведено в монографии Н.И. Карпущенко [4].

Стремительное развитие вычислительной техники привело к значительному прогрессу методов строительной механики, использующихся для расчетов раз­личных сложных конструкций. Появилась возможность создания уточненных моделей работы конструкций, выяснение влияния различных факторов, быст­рая проверка различных инженерных решений, оптимизация параметров путем многовариантных расчетов, что позволяет сократить путь от идеи до ее практи­ческой реализации. Применение современных расчетных вычислительных ме­тодов для расчетов деталей скреплений и компьютерное моделирование на­пряженно-деформированного состояния упругих элементов рельсовых скреп­лений приведено в работах Кравченко Н.Д, Антонова Н.И. [74, 75, 76].

Исследование жесткости упругих элементов рельсовых скреплений для же­лезобетонных шпал приведено в работах Карпущенко Н.И., Антонова Н.И., Чижова A.B. [77, 78, 79, 80, 81, 82].

Анализ работы отечественных скреплений

Длительное время развитие и совершенствование отдельных элементов верхнего строения пути — стрелочных переводов, рельсов, шпал, брусьев, скреплений, балластного слоя, а также земляного полотна и искусственных со­оружений — шло параллельно, но не комплексно. В последние десятилетия пы­тались, и небезуспешно, за счет увеличения мощности верхнего строения обес­печить надежную работу железнодорожного пути. Делались попытки за счет создания универсального скрепления решить задачу стабильной работы пути и уменьшения затрат на текущее содержание. Разработаны десятки конструкций скреплений, многие из которых прошли лабораторные, полигонные и эксплуа­тационные испытания, но по ряду причин не получили широкого внедрения. При дальнейшем совершенствовании конструкции верхнего строения пути проблема рельсовых скреплений остается наиболее острой [60, 83].

Сложности при конструировании узла прикрепления рельса к основанию определяются также особенностями наших железных дорог по сравнению с за­рубежными, в частности —- более разнообразными и тяжелыми климатически­ми условиями, в том числе продолжительностью периода отрицательных тем­ператур; применением деревянных шпал из древесины мягких пород (ель, со­сна); достаточно высокими осевыми нагрузками; плохими ходовыми качества­ми подвижного состава и др. Эти особенности ограничивают возможность пря­мого использования зарубежного опыта. Разработка и обоснование технических требований базировались на результатах теоретических и экспериментальных исследований, проводившихся во ВНИИЖТе и транспортных вузах, а также на зарубежном опыте.

Исследования, проведенные во ВНИИЖТе, МИИТе , НИИЖТе и ДИИТе, показали, что при замене деревянных шпал на железобетонные существенно повышается жесткость пути и в этом случае, особенно при наличии неровно­стей на пути и на колесах подвижного состава, значительно ухудшаются усло­вия работы элементов верхнего строения (рельсы, шпалы, балласт и др.) и взаимодействие пути и подвижного состава. По результатам исследований, с учетом существующих возможностей использования материалов для подрель- совых и нашпальных прокладок, было рекомендовано принять вертикальную жесткость узла скрепления (5 … 6) *10⁴ кН/м [44]. Это относится к магистраль­ным линиям со скоростями движения до 160 км/ч. Такая величина соответству­ет нижнему пределу жесткостей, принимаемых для скреплений в странах, яв­ляющихся лидерами в области разработки и создания прогрессивных упругих промежуточных рельсовых скреплений, характеристики которых приведены в табл. 1.1.

Обеспечение рекомендуемой жесткости узла скрепления осуществляется за счет использования резиновых и резинокордных прокладок. Повышенная жест­кость прокладок, используемых в ряде стран Европы (Англия, Германия, Фран­ция), и, соответственно, повышенная жесткость узла скрепления облегчает ра­боту пружинных прикрепителей и оправдана более высокими требованиями к содержанию пути, поверхностям катания рельса и колеса, состоянию земляного полотна и балластного слоя. За прошедший период с момента утверждения технических требований в процессе проведения испытаний новых скреплении и анализа зарубежного опыта возникла необходимость корректировки отдельных параметров, особенно это связано с разработкой конструкции верхнего строе­ния пути для скоростных и высокоскоростных магистралей.

В силу сложившихся обстоятельств в настоящее время в постоянной экс­плуатации находятся только два типа промежуточных скреплений: костыльное Д-0 (рис. 1.1) для деревянных шпал и КБ (рис. 1.2) для железобетонных. Эти рельсовые скрепления, над совершенствованием которых работали специали­сты ВНИЖТа, ПТКБ ЦП и ряда транспортных вузов (МИИТ, ДИИТ, НИИЖТ и др.), сыграли положительную роль в освоении перевозочного процесса, во вне­дрении железобетонных шпал и бесстыкового пути. Применение простого по конструкции костыльного скрепления было оправдано по технико- экономическим соображениям и, очевидно, в будущем до разработки новых более совершенных типов будет иметь свою рациональную сферу применения. Поэтому задача повышения эксплуатационных качеств этого скрепления оста­ется актуальной.

Длительная эксплуатация скрепления КБ (рис. 1.2) позволила всесторонне изучить эту конструкцию, оценить ее положительные качества и недостатки, улучшить ряд эксплуатационных характеристик. К числу мер, направленных на улучшение эксплуатационных характеристик конструкции КБ и получивших массовое внедрение, следует отнести: создание подрельсовых и наишальных прокладок повышенной упругости и долговечности, что позволило снизить вертикальную жесткость пути и сократить эксплуатационные расходы; замена одновитковых шайб на двухвитковые; улучшение качества подкладок за счет термообработки; новой технологии образования паза в реборде для клеммных болтов; повышение устойчивости к воздействию поперечных сил за счет углуб­ления подрельсовых площадок в шпале до 25 мм.

Проведены исследования по совершенствованию узла скрепления подкла­док КБ на железобетонной шпале, в результате рекомендовано применение «седловидной» закладной шайбы. Были также повторены испытания шурупно- дюбельного закрепления, которые показали отрицательные результаты (выход шурупов после пропуска 300 – 350 млн.т брутто груза).

Однако, несмотря на совершенствование скреплений КБ, устранить прису­щие этой конструкции недостатки не удалось. Так, степень натяжения клемм­ных и закладных болтов быстро ослабевает (интенсивность удельного ослабле­ния составляет 1.4-2.0 кгс -м на 10 млн.т брутто), что требует регулярной и час­той проверки, смазки и дотяжки гаек болтов. Имеют место многодетальность скрепления (23 элемента); сложность и трудоемкость извлечения закладных болтов для замены нашпальных прокладок-амортизаторов и железобетонных шпал; большая металлоемкость (11.3 кг на узел скрепления). В результате этих недостатков высока трудоемкость при эксплуатации.

Принимая во внимание, что скрепление КБ еще какое-то время будет по­ставляться на дороги, исследования по его совершенствованию продолжатся. Ведется работа по замене жесткой клеммы и двухвитковой шайбы на упругую прутковую клемму ОП-Ю5 по типу фирмы Фоссло (Германия).

Кардинальным решением в области разработки новых скреплении, удовле­творяющих современным требованиям эксплуатации, является переход на пру­жинные упругие скрепления, которые нашли широкое применение в зарубеж­ной практике.

Для пути с железобетонными шпалами в настоящее время эксплуатацион­ную проверку проходит скрепление БПУ (рис. 1.3), которое может применяться как с подкладкой, так и без нее, бесподкладочные скрепления с пластинчатой клеммой (типа RN) ЖБ (рис. 1.4), ЖБР (рис. 1.5), с прутковой клеммой ЖБР-3 (рис 1.6), а также подкладочные скрепления с прутковыми клеммами конструк­ции ВНИИЖТа БП (рис. 1.7) и скрепление БС-1 (рис. 1.8) с безребордной под­кладкой.

Достоинством этих скреплений является большая, чем у КБ стабильность натяжения болтов, но имеются у них и существенные недостатки. Сборка рель- сошпальной решетки на базах ПМС с этими скреплениями имеет существенно большую трудоемкость, чем при скреплениях КБ. Смену инвентарных рельсов на плети осуществить при этих скреплениях гораздо сложнее, чем при КБ. Не­достаточно стабильна ширина колеи в кривых.

Все это вызывает необходимость продолжить поиск упругих бесподкладоч­ных скреплений для железобетонных шпал.

Цикл полигонных и эксплуатационных испытаний прошло скрепление АРС, разработанное в МИИТе, а также его новая модификация АРС-4 (рис. 1.9). Это бесподкладочное безболтовое анкерное скрепление, которое может найти свою сферу применения в существующих условиях эксплуатации, хотя и оно не ли­шено недостатков: достаточно высокая горизонтальная жесткость, наличие ли­тых деталей.

До недавнего времени, к сожалению, все разработки новых упругих скреп­лений не выходили за рамки опытной эксплуатации. Серийное внедрение но­вых конструкций сдерживалось отсутствием производственной базы по изго­товлению упругих элементов. В настоящее время, благодаря перестройке и конверсии, имеется возможность размещения заказов практически на любые детали скреплений. Поэтому ближайшей задачей в области рельсовых скрепле­ний является выбор и внедрение конструкций из уже отработанных для различ­ных условий эксплуатации с учетом классности линий, предусмотренных при­казом МПС № 12Ц [84].

Анализ зарубежных конструкций рельсовых скреплений

Анализ исследований, выполненных за рубежом, говорит о том, что наме­тилась общая тенденция к снижению жесткости пружинных элементов (либо клемм). Ниже приведены упругие характеристики основных скрепляющих пружинных прикрепителей, жесткость которых при приведенных типах скреп­лений следующая:

НМ (Германия) – 8 кН/см (11 кН/см);

ДЕ тип                        – 11 кН/см;

Тип 4 (Япония) – 8 кН/см;

Тип 5 (Франция) – 23 кН/см;

Тип 6 (Англия) – 7 кН/см;

Тип 102 (Япония) – 5 кН/см;

Тип 7 (Япония) – 6 кН/см. В скобках указана жесткость при расчетной силе прижатия.

Скрепления НМ, тип 4, тип 5, тип 7 показаны на рис. 1.10-1.13 [8].

По многочисленным исследованиям [85-100] установлено, что при приме­нении упругих прокладок элемент скрепления, прижимающий рельс к шпале тоже должен быть упругим. Для этих целей за рубежом разработаны упругие рельсовые скрепления, обладающие зачастую многодетальностью, которая не сказывается на увеличение трудовых затрат по содержанию пути в целом, так как применение упругих элементов снижает эти затраты, способствуя лучшему сохранению первоначальных натяжений и, следовательно, основных техниче­ских характеристик пути во времени.

Рассмотрим и проанализируем некоторые типы зарубежных промежуточ­ных рельсовых скреплений.

На Германских железных дорогах широкое распространение получило бес­подкладочное промежуточное рельсовое скрепление по типу Vossloh (рис. 1.14). Скрепление Vossloh, показанное на рис. 1.15, содержит упругие прутковые клеммы, обеспечивающие прижатие подошвы рельса к подрельсовому основанию с нормируемым усилием с помощью шурупов, завинчиваемые в замоноли- ченные в бетон дюбели. В подрельсовой зоне содержатся две прокладки, между которыми помещена опорная плита [8].

Фиксированное положение рельсовых нитей в плане обеспечивают угловые вкладыши, которые могут быть изготовлены из металла или полимерных мате­риалов. Для снижения удельной боковой нагрузки на бетонный упор, его пло­щадь контакта с вкладышем увеличена. При затяжке шурупа каждая клемма обеспечивает упругое прижатие рельса с усилием 10 кН, чем достигается нор­мируемое сопротивление угону рельсовых нитей. Большой ход прутковой клеммы практически исключает возможность ее ослабления из-за отвинчивания шурупа. Форма пружинной клеммы и вкладыша позволяют осуществлять пред­варительный монтаж скрепления на железобетонном подрельсовом основании непосредственно на заводе-изготовителе.

Обеспечивая безопасность движения поездов, приведенный на рис. 1.15, ва­риант промежуточного скрепления, исключает возможность регулировки рель­совой нити в плане. Весьма затруднительна и регулировка в вертикальном на­правлении. На рис 1.16 показано бесподкладочное скрепление, используемое на Германских железных дорогах, отличающееся от предыдущего, в основном, формой прутковой клеммы.

Для обоих вариантов сходными являются их зависимости упругих переме­щений концевых частей серединных ветвей клеммы от вертикальной нагрузки, направленной по оси шурупа, но при увеличении нагрузки свыше 12 кН, жест­кость клеммы резко увеличивается. При этом срединные ветви касаются высту­пающей части углового вкладыша, и дальнейшая затяжка шурупа практически не увеличивает усилие прижатия внешней ветвью клеммы подошвы рельса к основанию. Как и в скреплении, показанном на рис. 1.15, здесь невозможно ре­гулировать положение рельсовой нити в вертикальном и поперечном горизон­тальном направлении.

На Французских железных дорогах находит применение скрепление Nabla (рис. 1.17), отличающееся малой материалоемкостью. Это скрепление также не позволяет регулировать положение рельсовой нити в вертикальном и попереч­ном горизонтальном направлениях [8, 107].

Широкое распространение на британских железных дорогах получило бес­подкладочное безрезьбовое промежуточное рельсовое скрепление Pandrol PIO (рис. 1.18) для железобетонных шпал, и его подкладочный вариант для дере­вянных шпал (рис. 1.19), а также подкладочный вариант для железобетонных шпал (рис 1.20).

В настоящее время имеется несколько подвариантов этого скрепления, ко­торые отличаются:

• формой и размерами клемм;
• конструкцией подклеммной электроизолирующей прокладки;
• возможностью использования в пути с железобетонными подрельсовыми основаниями (в подкладочном и бесподкладочном вариантах);
• возможностью использования в пути с деревянными шпалами и др.

В последние годы этой же фирмой разработано и в настоящее время прохо­дит испытание бесподкладочное промежуточное рельсовое скрепление Pandrol Fastclip [107]. На рис. 1.21 показан общий вид этого скрепления. От описанных выше вариантов оно отличается меньшей высотой над подрельсовой площад­кой. Кроме того, здесь создаются более благоприятные условия для механиза­ции работ при монтаже и демонтаже узла скрепления.

Скрепление обеспечивает возможность его использования при рельсах с различной шириной подошвы. Это достигается изменением толщины электро­изолирующего элемента, а также возможна регулировка рельсовой нити по ши­рине за счет набора электроизолирующих прокладок различной ширины; для оценки эффективности регулировки требуется проведение испытаний. Регули­ровка рельсовой нити по высоте невозможна. В последние годы получило широкую известность бесподкладочное без­резьбовое промежуточное рельсовое скрепление СБ-3 [107], разработанное польскими специалистами. Приведенный на рис. 1.22 вариант испытан в поли­гонных условиях экспериментального кольца ВНИИЖТа и прошел эксплуатационные испытания в условиях Белорусской железной дороги. Он может быть использован прежде всего в облегченных условиях (низкий годовой перепад температуры рельсов, невысокая грузонапряженность и др.).

Как и в большинстве приведенных выше скреплений, в СБ-3 невозможна регулировка рельсовой нити в вертикальном и поперечном горизонтальном на­правлениях; к недостаткам также следует отнести наличие в узле скрепления литых элементов.

Следует также упомянуть нидерландское безболтовое промежуточное рель­совое фирмы Эвем (рис. 1.23).

Кроме того, за рубежом большое внимание уделяется теоретическому обос­нованию выбираемых жесткостных параметров как пути в целом, так и отдель­ных его элементов. Это связано, прежде всего, с необходимостью снижения виброускорений нижнего строения пути из-за статических и динамических не­ровностей.

Следует отметить, что практически во всех странах проводились исследова­ния по разработке упругих скреплений. Однако большинство образцов не вы­шло за рамки опытного применения в ограниченных объемах.

Российским специалистам была предоставлена возможность детально изу­чить работу конструкций скреплений ряда ведущих фирм при испытаниях на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа (Щербинка) и железных дорогах. Это следующие конструкции: скрепление В – было закуплено во Франции, англий­ское скрепление Пэндрол с железобетонными шпалами.

Задачи по совершенствованию конструкции промежуточных рельсовых скреплений

Выполненный анализ отечественных и зарубежных конструкций рельсовых скреплений показал, что, несмотря на огромное количество моделей скрепле­ний, они не вполне удовлетворяют требованиям жестких условий эксплуатации отечественных железных дорог. Необходимо дальнейшее снижение затрат на изготовление и эксплуатацию рельсовых скреплений.

Актуальной остается задача по повышению надежности и долговечности рельсовых скреплений.

Для железобетонных шпал необходимо решить задачи:

• по совершенствованию конструкций подкладочных рельсовых скреплений, и частная задача по модернизации рельсового скрепления КБ-65;
• по совершенствованию конструкций бесподкладочных рельсовых скрепле­ний;
• по модернизации и внедрению перспективных безболтовых, а по возможно­сти и безрезьбовых конструкций рельсовых скреплений.

Следует также уделить внимание на исследование и внедрение рельсовых скреплений с анкером, замоноличенным в бетон, как для резьбового, так и для безрезьбового соединения, позволяющих резко сократить объем работ при сборке рельсошпальной решетки.

Задачей данной диссертационной работы, является:

• разработка и исследование новых упругих элементов позволяющих заме­нить не удовлетворяющую новым условиям эксплуатации двухвитковую пру­жинную шайбу скрепления КБ-65;
• исследования новых и существующих стандартных упругих элементов рельсовых скреплений для возможности их применения в перспективных кон­струкциях рельсовых скреплений;

проведение цикла лабораторных исследований новых конструкций рельсо­вых скреплений, разработанных совместно специалистами СГУПСа и Горнов- ского завода «Спецжелезобетон», для оценки их экономической эффективности и возможности внедрения в производство и эксплуатацию на участках дорог Сибири.

Список литературы

1. Зензииов H.A. Рыжак С.А. Выдающиеся инженеры и ученые железнодорожного транспорта. М.: Транспорт. 1990 – С. 17.
2. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года // Правда . – 1986. 9 марта. – С. 1-6.
3. Лынев Р.Н. Критический путь экономики // Известия 1986. – 18 января.
4. Карпущенко Н.И. Надежность связей рельсов с основанием. М. 1986. 150с.
5. Альбрехт В. Г. Виноградов Н.П. Проблеммы бесстыкового пути // Путь и путевое хозяйство. – 1985. – №1. – С. 28-30.
6. Бесстыковой путь / Под ред. Альбрехта В.Г. и Бромберга Е.М. – М.: Транспорт 1982. – 193 с.
7. Белорусов А И , Колосов А.П. Влияние уровня монтажных усилий на вибрационное ускорение балласта // Сб. Науч. тр. / ХИИТ. – 1988. – Вып. 5. – С. 38-45.
8. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М. Транспорт, 1987.
9. Технические указания по устройству, укладке и содержанию бесстыково­го пути / ЦП МПС РФ. М.: Транспорт, 1992 г. 72 с.
10. Крейнис 3.JT. Бесстыковой путь. – М.: Знание 1967. – 48 с.
11. Вериго М.Ф. Методика проектирования промежуточных рельсовых скре­плений и расчеты параметров к ней: Рукопись ЦНИИ МПС, 1954. – 84 с.
12. Альбрехт В.Г. Угон железнодорожного пути и борьба с ним. – М.: Транс- желдориздат, 1962. – 142 с.
13. Альбрехт В.Г. К вопросу о вертикальной жесткости узла скрепления // Сб. науч. тр, / ВНИИЖТ. – 1973. – Вып. 501. – С. 77-86.
14. Альбрехт В.Г., Карпущенко Н.И. Силы угона и схемы расстановки про- тивоугонов на участках обращения составов из шестиосных вагонов // Сб. науч. тр. / НИИЖТ. -1964. – Вып. 40.-С. 8-18.
15. Альбрехт В.Г. Бромберг Е.М., Иванов К.Е. и др. Бесстыковой путь и длинные рельсы. – М.: Транспорт, 1967. -260 с.
16. Боченков М.С. Определение упругих характеристик промежуточных скреплений // Вестник ВНИИЖТа. – 1965. – №7. – С. 34-37.
17. Боченков М.С. Угон пути, возникающий в результате продольных пере­мещений подошвы рельса при его изгибе подвижной нагрузкой // Сб. науч. тр. / НИИЖТ. – 1966. – Вып. 58. – С. 92-119.
18. Андреевский М.Г. Влияние продольной упругости рельсового основания на угон пути: Автореф. дис…. канд. техн. наук. – Ташкент. 1962. – 16 с.
19. Шахунянц Г.М. К расчету противоугонных характеристик скреплений // Сб. науч. тр. /МИИТ. -1968. – Вып. №72. – С. 3-5.
20. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. – М,: Трансжелдориздат, 1961. 612 с.
21. Совершенствование существующих и разработка новых конструкций промежуточных рельсовых скреплений для железобетонных шал // Сб. науч. тр. / ВНИИЖТ. – 1979. – Вып. 616. – С. 10-39.
22. Современные конструкции верхнего строения железнодорожного пути / Под ред. проф. В.Г.Альбрехта и проф. А.Ф.Золотарского. – М.: Транспорт, 1975. -278 с.
23. Шахунянц Г.М. Работа пути с железобетонными шпалами под нагрузкой // Сб. науч. тр. / МИИТ. – 1965. – Вып. 178. – 252 с.
24. Эрадзе Б. Г. Исследование влияния конструкции промежуточных рельсо­вых скреплений на угон рельсов и некоторые параметры.: Автореф. дис. … канд. техн. наук. – Новосибирск, 1966. – 16 с
25. Перший С.П. О работе промежуточных скреплений на деревянных шпа­лах под поездной нагрузкой // Сб. науч. тр. /МИИТ. – 1968. – Вып. 272. – С. 6-22.
26. Влияние жесткости и неровности пути на деформации вибрации и силы взаимодействия его элементов / Под ред. В.С.Лысюка // Сб. науч. тр. / ВНИИЖТ. -1969. – Вып. 370. – С. 167.
27. Исследование работы верхнего строения пути на монолитном основании / Под ред. проф. Г.М.Шахунянца и проф. М.А.Фришмана // Сб. науч. тр. / ДИИТ. – 1971. – Вып. 132. – 142 с.
28. Шахунянц Г.М., Демидов A.A. Некоторые вопросы исследования работы резиновых прокладок повышенной упругости для пути с железобетонными шпалами // Сб. науч.тр. / МИИТ. -1971. – Вып. 354. – С. 3-78.
29. Щульга В.Я. Лаптев В.Д., Жарнов В.М. О целесообразных сроках затяж­ки гаек клеммннх и закладных болтов на участках бесстыкового пути // Сб. на­уч. тр. / МИИТ. – 1972. – Вып. 383. – С. 24-43.
30. Крысанов Л.Г. Боковая жесткость стрелочных переводов // Путь и путе­вое хозяйство. – 1974. – и 8. – С. 31.