Re: rsw-systems.com - струнный транспорт Юницкого
Конечно, это прекрасно двигаться по полотну без ударов, хотя и, возможно и недостает этого монотонного убаюкивающего постукивания. Но, как в данном случае решается вопрос расширения при нагревании? Чисто из познавательного интереса.
Прошлое и настоящее бесстыкового пути
Н.Б.ЗВЕРЕВ, В.С.ЛЫСЮК, кандидаты техн. наук
Температурные силы
Долгое время изготавливали рельсы длиной не более 10—30 м. Конструкция стыков в разных странах была не одинаковой. Простейший вариант — две плоские накладки с двух сторон рельсов, стянутые двумя болтами, проходящими через отверстия, просверленные в шейках. Такое соединение было не очень ненадежным: в стыках происходили разрывы рельсовой нити нередко со сходами экипажей.
После почти 200 лет существования железных дорог создали путь, лишенный недостатков звеньевого, — бесстыковой (немцы называют его «беззазорный», американцы — «непрерывный сварной рельс», англичане — «длинные сваренные рельсы», болгары, и сербы — «безнакладочный путь» и т.д.). Длина рельсов (плетей) этой конструкции очень большая от нескольких сот метров (в России — не менее 250 м) до целых перегонов (десятки километров).
«Физически» бесстыковой путь отличается от звеньевого тем, что при изменениях температуры удлинения или укорочения рельсов со стыками через каждые 12,5—25,0 м происходят по всей их длине, а в плетях удлиняются или укорачиваются только концевые участки, примыкающие к стыкам (участки «дыхания»). По мере удаления от концов плетей к середине сопротивления перемещениям (по шпалам или вместе со шпалами в балласте) суммируются, и к концам участков «дыхания» достигают действующих температурных сил, пропорциональных изменению температур. В середине плети перемещений нет, а температурная сила одинакова по всей этой части (иногда длиной много километров).
В звеньевом пути длина рельсов при нагреве или охлаждении полностью изменяется на всей их длине за счет стыковых зазоров. При этом в рельсе «нормальной» длины зазоры «выбираются» раньше, чем повышение или понижение температуры достигнет предельных значений. Дальнейший рост (или падение) температуры происходит уже с нарушением целостности пути: зимой — разрыв стыка (излом болтов), летом — выброс рельсошпальной решетки. В «длинном» же рельсе зазоры «выбираются» к моменту завершения нагрева или охлаждения.
Поскольку рельсы в пути — не свободные стержни, длина которых изменяется пропорционально изменениям температуры, а элементы, связанные с основанием и друг с другом, их длина при нагреве (охлаждении) изменяется меньше, чем длина свободных стержней. При этом преодолеваются сопротивления сдвигу концов рельсов в накладках (сопротивления стыков RCT — сосредоточенные реактивные силы), сопротивления сдвигу рельсов по скреплениям гс кр и вместе со шпалами в балласте р.
Сказанное о температурной работе бесстыкового пути наглядно показывает, что нужно уметь правильно определять температуру рельсов, возможную в данном конкретном месте, и оценивать ее допустимость. Для этого существуют технические средства (рельсовые термометры), климатические и другие справочники, материалы местных метеостанций и постов и т.д., а также способы установления допускаемых повышений и понижений температуры (расчеты, испытания, использование имеющихся данных и т.д.).
Нужно также обеспечивать необходимые сопротивления продольным и поперечным деформациям путевой решетки под действием температурных сил (расчеты, подбор готовых данных). И при этом следует помнить о главном — обеспечении бесперебойного пропуска поездов с установленными скоростями. Поэтому бесстыковой путь для каждого конкретного места в первую очередь рассчитывается и проектируется на основную нагрузку — динамическую поездную, а температурные, «ремонтные» и другие силы рассматриваются как дополнительные. В бесстыковом пути (в отличие от звеньевого) надо учитывать возможные ослабления сопротивлений и научиться заранее предупреждать их.
Достоинства этой конструкции проявляются только при соблюдении многих условий, определяемых особенностями работы. Главное — ее зависимость от колебаний температуры рельсов. Очень длинные рельсовые плети начинают работать в «стесненном» режиме, т.е. выбирают все зазоры и люфты раньше, чем рельсы в звеньевом пути. И основное протяжение плети (без концевых участков «дыхания») быстро становится «температурно-напряженной» зоной, в которой повышения или понижения температуры создают температурную силу Nt' = -2,5 (±At) ■ F, где 2,5 кН/’С — коэффициент перехода от изменений температуры к силам; ±At — повышение или понижение температуры рельсов, °С; F — площадь поперечного сечения рельса, см2. В основном рельсе типа Р65 с F = 82 см2 это соответствует ±20 кН (2 тс) при изменении температуры на At = ±1°С. Если же температура повышается на 70°С и рассматривается работа всей путевой решетки (т.е. двух рельсов), то Nt = -2800 кН (« -280 тс). Знаком минус обозначают сжимающие напряжения.
С такими силами приходится считаться, так как они вполне возможны, а запасы прочности или устойчивости типового пути ограничены.
От коротких рельсов к длинным
Создать путь без стыковых неровностей пытались сразу после сооружения первых железных дорог — в XVIII—XIX вв. в США, Германии и других странах, в том числе в России на Уральских заводах Демидовых. Попытки стали особенно настойчивыми после изобретения паровой тяги (локомотивов с паровым двигателем Черепановых на Урале, Стефенсона — в Англии и др.). До этого по рельсовым путям шахт ходили маленькие вагонетки, толкаемые людьми или лошадьми, или тянули тросами (лебедками, приводимыми в движение разными способами).
Рельсы тогда были очень короткие (иногда — меньше 1 м), потому что сначала были чугунными и отливались в коротких формах. После освоения производства стали («ковкого чугуна») начали применять прокат рельсов. Но в начале XIX в. прокатные рельсы тоже оставались короткими (в России до 5 м). Накладки стягивали стыковыми болтами (2, 4 или 6 шт.). В зоне стыков быстро образовывались просадки, концы рельсов сминались или выкрашивались. Опоры под рельсами («стулья», потом шпалы) изнашивались или разрушались в этой зоне быстрее, а балласт и земляное полотно расстраивались чаще, чем в середине звена. Стыковые неровности создавали дополнительное сопротивление движению экипажей. Это ощущали «кататели» вагонеток. Позже, с появлением паровозов, тепловозов и электровозов неровности сказались на расходах угля, воды, солярки, электроэнергии. Так, на магистральных железных дорогах «перерасход» энергии из-за стыков может достигать 10—15 % при рельсах длиной 25 м, а при более коротких еще больше. «Неработоспособен» такой путь с железобетонными шпалами: весь узел стыка «разрабатывается» после пропуска вдвое меньшего тоннажа, чем при деревянных шпалах.
Естественно, возникает вопрос: если рельсовые стыки нежелательны, то почему же звеньевой путь до сих пор продолжает оставаться основным? Причин несколько.
Первая. Долгое время не было способов надежного соединения одиночных коротких рельсов в непрерывные плети в пути. Делались попытки склепывания рельсов, «замораживания» стыков (соединения без зазоров с туго затянутыми высокопрочными стыковыми болтами обычных накладок с нанесением шеллака на контактные поверхности пазух рельсов. Пробовали использовать «подхватывающие» накладки, кузнечную сварку. Но все эти приемы не создавали непрерывной поверхности катания и необходимого сопротивления прогибу рельсовой нити под колесом. Кроме того, сборные стыки плохо сопротивлялись растяжению или сжатию продольными силами, образующимися при изменении температуры.
Частично решала эту проблему термитная сварка рельсов, изобретенная К.Гольдшмидтом в Германии и примененная для устройства плетей до 150 м на станции Будапешт в 1902 г. Позже подобные опыты проводили во многих странах, в том числе в Германии, Швейцарии, Англии и СССР (в 1926 г. на станции Конотоп). Однако длиннее 60—100 м плети сделать не удавалось. Этому мешала вторая причина — отсутствие конструкций пути, способных оказывать необходимые сопротивления удлинению или укорочению рельса при изменениях температур. Прежние «слабые» рельсы, скрепления нельзя было нагружать продольными силами без угрозы разрыва стыков, угона пути, смещений шпал в балласте и т.д.
Начали детально изучать особенности температурной работы пути с рельсами очень большой длины и возможные режимы его укладки и эксплуатации в конкретных условиях трассы, климата, перевозок. Такие исследования продолжаются до сих пор во всем мире. В результате создаются способы расчета, проектирования, устройства, содержания и ремонта бесстыкового пути с выбором необходимой его мощности и конструкции при заданных элементах плана (радиусы кривых) и продольного профиля (величины уклонов на подъемах или спусках), серии обращающихся локомотивов и скорости движения поездов.
В России получаемые данные обобщаются в периодически обновляемых Технических указаниях, утверждаемых министерством путей сообщения. Четкое соблюдение этих указаний — одно из условий обеспечения высокой надежности пути.
Реальное применение бесстыкового пути стало возможно лишь в 20—30-х годах нашего столетия, когда после опустошительной Первой мировой войны в мире началось массовое восстановление промышленности. Металлургия осваивала выпуск новых типов рельсов и скреплений. Появились рельсы массой 45—50 кг/м и больше: S49 — в Германии, U41 — во Франции, RE100, RE110 — в США; двухголовые — в Англии. В СССР увеличили прокат рельсов типа 1-А. Рельсы стали длиннее: до 12,5 м в СССР, до 30 м (и даже — 60 м) — в Германии; до 25 м — во Франции и т.д. Изобрели новые раздельные скрепления: марка К — в Германии; М и L — в США и пр. Они лучше обеспечивали связь рельсов с основанием, чем нераздельные костыльные (СССР, США) и шурупные (Германия, Франция).
В последующие годы в США, Канаде, а затем и в СССР появились пружинные противоугоны, которые несколько уменьшили недостатки нераздельных скреплений. В нашей стране начали выпускать более мощные шпалы (типы «I» и «II»), которые укладывали по 1840 шт/км на прямых участках и по 2000 шт/км — в кривых радиусом менее 1200 м. Для пропитки использовали новые виды антисептиков (в СССР на линиях с автоблокировкой и электротягой — «масляные»: креозот и антраценовое масло; в США — «соляные»: хлористый калий, хлористый натрий и т.п.).
Более широкое применение балласта из щебня, сортированного гравия, доменных шлаков обеспечило повышенное по сравнению с песком, ракушкой, галькой погонное сопротивление сдвигу путевой решетки.
Со временем на трамвайных путях, в метрополитенах, на мостах и в тоннелях успешно освоили термитную сварку рельсов. В опытном порядке начали внедрять электродуговую сварку («сэшерон» во Франции, «ванный» способ — в Германии и немного в СССР).
Непрерывно исследовали особенности работы пути с рельсами большой длины при действии продольных температурных сил. Так, было установлено, что на открытом воздухе (на солнце) температура рельсов больше температуры воздуха в среднем на 20“С. Определили, что коэффициент линейного расширения рельсовой стали (в зависи- * мости от ее марки и качества) в разных странах находится в пределах а = (1,09 - 1,68)’10"5 градус1. В России приняли а = 0,0000118-1/Х = 1,18*10-5 град.-1, а модуль упругости рельсовой стали при растяжении или сжатии Е = 210 ГПа = 2,1-103 МПа. (Поэтому аЕ = 2,5 МПа/вС.)
Возможные расчетные погонные сопротивления сдвигу рельсов по скреплениям различных типов в разных странах получены равными г = 12 + 40 кН/м.
У нас г = 25 + 30 кН/м. Сопротивления одиночных деревянных шпал сдвигу в щебеночном балласте вдоль пути в разных исследованиях составили qдш = =2,80 + 7,2 кН. В нашей стране приняли погонное сопротивление qдш = 13 и 14 кН/м при эпюре шпал 1840 и 2000 шт/км. При железобетонных шпалах тоже ржб = 13 и 14 кН/м. Сопротивления сдвигу деревянных шпал поперек пути в щебне приняли qдш = 8,5 и 9,0 кН/м соответственно при эпюре 1840 и 2000 шт/км. При железобетонных шпалах = 8,5 + 9,0 кН/м.
Во многих странах экспериментально установлены максимально возможные и требуемые сопротивления сдвигу концов рельсов в накладках стыков. Они колеблются (в зависимости от типов стыков) в пределах RCT = 4,5 + 70,0 кН.
Отечественные исследования позволили уже в 1940 г. создать временный «Проект инструкции по расчету пути на прочность для установления допускаемых скоростей движения различных экипажей». В первые послевоенные годы издали постоянные «Правила производства расчетов верхнего строения пути на прочность». Основные их положения были основаны на принципиально новых — вероятностных — методах учета характеристик пути и подвижного состава, получаемых при натурных испытаниях. Авторы этих методов — Г.М.Шахунянц, М.Ф.Вериго, Е.М.Бромберг и др. Испытания проводили на опытных участках по всей сети дорог, на экспериментальном кольце в Щербинке, на скоростном полигоне в Белореченской и т.д. «Правила расчета» в основном действуют до сих пор (с «привязкой» к новым типам пути и подвижного состава).
Первым опытом применения бесстыкового пути на действующей линии можно считать его укладку в 1933 г. вблизи станции Олбэни железной дороги Дэ-лавэр—Хадсан в США. Там сварили термитным способом две плети из рельсов типа RE-130 (близких по весу к нашим Р65) общей длиной 3000 футов (« 900 м). Шпалы были деревянные до 2000 шт/км; балласт щебеночный слоем 45—35 см под шпалой. Промежуточные скрепления — раздельные упругие типов М и L. В мае 1934 г. дополнительно устроили еще плети длиной 2000 футов в Мэкэниксвилле.
В обоих случаях температура закрепления (начальная) около 125°F (52°С) и выше (июнь и май). Это было сделано для обеспечения запасов устойчивости против выброса. Первые же 2 года эксплуатации выявили много достоинств бесстыкового пути. Главное из них — экономия на текущем содержании; в звеньевом пути на уход за стыками в США приходилось 45 % всех расходов на текущее содержание. Протяженность пути без стыков стала ежегодно расти и к 1975 г. она достигла 86368 км.
В ФРГ, Франции, Чехословакии, Японии, Австралии уже в 60—70-х годах доля бесстыкового пути составляла 70—90 % общего протяжения главных путей.
В СССР эта цифра превысила 35 % (общее протяжение приближалось к 70 тыс. км). Рельсы сваривали в главных, станционных, подъездных и промышленных путях, на лесовозных и прочих линиях. Сферами рационального применения бесстыкового пути были признаны равнинные, горные и перевальные участки с кривыми радиусом по 300 м и более без ограничения уклона, грузонапряженности, скорости, веса грузовых поездов и т.д.
Ограничение укладки по климатическим условиям распространялось лишь на районы Севера и Востока, где годовые амплитуды колебаний температур рельсов превышают 110вС. В настоящее время это ограничение в основном снято. Прогрессивную конструкцию укладывают на Севере, в Сибири и на Дальнем Востоке.
Преимущества
Устранение стыков позволяет получить большую экономию средств. Вот ее составляющие.
1. Уменьшение расхода черных металлов на стыковые скрепления (при рельсах типа Р65 до 7,5 т/км).
2. Уменьшение расхода цветных металлов (меди, алюминия) на стыковые электросоединители (на участках с электротягой на постоянном токе при рельсах длиной 12,5 м — до 20 кг/км).
3. Продление сроков службы элементов верхнего строения пути (рельсов — до 25 % и даже 50 %; деревянных шпал — до 50 %; деталей промежуточных скреплений — до 25 %; балласта — до 20 %).
4. Уменьшение износа ходовых частей подвижного состава (до 20—25 %).
5. Увеличение электропроводности, а значит, надежности и долговечности электрических рельсовых цепей (10—15 %).
6. Уменьшение основного удельного сопротивления движению поездов на 15—20 % (и, соответственно, сокращение расхода топлива, электроэнергии, смазки на тягу поездов).
7. Уменьшение толчков и шума при движении поездов.
8. Отсутствие углов в плане, ударов колес в кривых, т.е. улучшение плавности хода поездов.
9. Возможность широкого применения железобетонных шпал, плит, лежней, рам.
10. Уменьшение напряжений в элементах ферм металлических мостов на 8—12 %.
11. Ликвидация очагов интенсивной коррозии рельсов и элементов конструкции в тоннелях.
Невозможность устройства монолитных настилов на переездах с соответствующим повышением безопасности движения и уменьшением расходов на содержание.
13. Рациональное использование коротких кусков рельсов при сварке их в плети.
14. В перспективе — возможность изменения поперечного профиля рельса — без пазух и накладок.
15. Улучшение условий работы на станциях составителей поездов благодаря более надежной работе тормозных башмаков (при маневрах).
16. Устранение возможности соскакивания башмаков на стыках и схода вагонов на подгорочных путях.
17. Уменьшение задержек вагонов из-за отсутствия просевших стыков на подгорочных путях.
Следует добавить также, что стоимость среднего и подъемочного ремонтов бесстыкового пути значительно меньше, чем звеньевого.
Особенности работы
Применяя бесстыковой путь, нужно учитывать некоторые обстоятельства, которые иногда оцениваются как «дополнительные трудности». Все они связаны с особенностью работы длинных рельсовых плетей. Эти обстоятельства следующие.
1. Наличие в плетях значительных продольных сил, которые обусловленны изменениями температуры и зависят от температурных напряжений at = ±2,5 • (±At) и площади поперечного сечения рельса. Эти силы в рельсах типа Р65 могут быть равны 1,6—2,0 МН в одном рельсе и 3,2—4,0 МН в обеих рельсовых нитях.
2. Такие силы могут способствовать (при неблагоприятном стечении обстоятельств) выбросу рельсошпальной решетки (при повышении температуры рельсов по сравнению с температурой закрепления на 50—80°С в зависимости от кривизны пути и других факторов). Такие же по величине, но противоположные по знаку температурные силы в холодную погоду могут вызвать разрыв (излом) плети с образованием зазора, опасного для прохода даже одного поезда. Поэтому некоторые путевые работы приходится выполнять при строго определенных (расчетных) температурах рельсов, что требует выбора соответствующих дней и часов для назначения «окон».
3. Для восприятия температурных сил в сочетании с основной (поездной) нагрузкой необходимо более мощное верхнее строение, чем в звеньевом пути. В связи с этим первоначальная стоимость бесстыкового пути на 10—15 % выше.
4. Длинные плети, железобетонные шпалы с тяжелыми скреплениями «нуждаются» в специальной ремонтной технике (рельсовозные составы, рельсосварочные машины, моторные гайковерты и т.д.).
5. Бесстыковой путь требует повышенной культуры содержания, более строгих и четких количественных характеристик его состояния (расчетные интервалы температур закрепления плетей, наивысшие и наинизшие температуры, при которых допускаются отдельные работы по условиям устойчивости пути и т.д.). Необходимы дополнительные технические средства контроля (диагностики) состояния пути — рельсовые термометры, тензометры (измерители напряжений), различные приборы (шаблоны) для измерения перемещений плетей вдоль и поперек оси пути, а также в вертикальной плоскости (вверх). Кроме того, нужны приборы для измерения износа элементов верхнего строения, проверки силы прижатия плетей к основанию (измерением натяжений клеммных болтов) и т.д.
Но все эти дополнительные затраты с лихвой окупаются преимуществами бесстыкового пути.
добавлено через 3 минуты
В частности, обратите внимание, что играют роль шпалы и насыпь. Частично за счёт мощных шпал и креплений к ним, да и сама насыпь играет роль, так как она не так нагревается, как отдельный рельс, компенсирует частично его нагрев.
Ничего этого нету в висящих рельсах, ни насыпи, ни шпал, зацепиться им не за что. И в них расширение будет сильнее, чем в обычной железной дороге.
