Бесстыковой путь и особенности его конструкции (стр. 3 из 5)

Требуют дальнейшего совершенствования технология укладки плетей бесстыкового пути, система его диагностики и т. д. Многие из поставленных задач находятся в различной стадии проработки и внедрения. Задача ближайшей перспективы - их комплексная реализация.

Устойчивость бесстыкового пути. Экспериментальные и теоретические исследования температурной устойчивости бесстыкового железнодорожного пути при отсутствии на нем подвижного состава проводились многократно с использованием многочисленных методов и допущений. Все эти методы и получаемые с их помощью результаты опубликованы и общеизвестны. Но если современные методы исследования устойчивости бесстыкового пути, не нагруженного движущимся подвижным составом (особенно методы математического компьютерного моделирования) уже позволяют решать огромное количество различных практических задач, то в исследованиях устойчивости бесстыкового пути под движущимся поездом, по-видимому, в настоящее время делаются только первые шаги. По существу же нарушение устойчивости бесстыкового пути с образованием выброса рельсо-шпальной решетки под движущимися поездами до сих пор почти не подвергалось достаточно глубокому научному исследованию, если не считать упрощенного решения этой задачи.

Между тем такого рода крушения поездов — явление совсем нередкое и в зарубежной, да и в отечественной практике эксплуатации железных дорог. В связи с этим следует вспомнить слова римского оратора Квинтилиана: «Практика без теории ценнее, чем теория без практики». Рассмотрим статистику и примеры такого рода сходов и крушений на зарубежных железных дорогах в 1979 – 1981 гг. и на отечественных дорогах с начала 1998 до конца 2001 г.

По-видимому, на железных дорогах всего мира исследуются причины каждого случая выброса пути и по ним делаются соответствующие практические выводы. Однако выполнить сквозной систематизированный анализ причин и следствий всех таких происшествий на каждой железной дороге невозможно, поскольку эти материалы не публикуются в открытой печати. Исключением являются публикации в бюллетенях Американской железнодорожной инженерной ассоциации и некоторых других изданиях статей о работе по этим проблемам специалистов США и Канады. Так, в одном из указанных бюллетеней был опубликован весьма интересный материал исследователей А. М. Зарембски и Д. М. Меги. Они приводят не только итоговые результаты проведенных ими исследований, но и подробнейшие первичные материалы наблюдений, положенные в основу обобщения и анализа. Свои исследования эти авторы проводили в течение 2,5 лет (с 1976 по 1979 г.) на нормально эксплуатируемых участках бесстыкового пути, специально выделенных на железных дорогах США и Канады. Общая протяженность участков 17,5 тыс. км. За указанное время на них произошло 479 температурных выбросов пути, т. е. по два выброса на 160 км в год. Из общего числа этих выбросов около 80 % зафиксировано в кривых, в то время как 65 % протяженности рассматриваемого полигона расположено в прямых. При этом интенсивность возникновения выбросов пути очень сильно возрастала с уменьшением радиуса кривых. Из материалов наблюдений следует, что в круговых кривых радиусом более 580 м интенсивность выбросов была больше в 3 раза, в кривых радиусом от 350 до 580 м — в 7 раз и в кривых радиусом до 350 м — в 20 раз, чем на прямых участках. Максимальное количество выбросов наблюдалось на участках бесстыкового пути, где максимальная скорость движения поездов составляла от 48 до 72 км/ч.

Далее приведем лишь результаты наблюдений для тех условий опытов, при которых происходили крушения поездов. Всего из 479 выбросов пути под поездами только в 65 случаях произошли крушения; в 17 случаях не удалось установить, под каким вагоном, считая от локомотива, возник выброс, на котором произошло крушение. Из оставшихся 48 случаев четыре выброса наблюдались впереди поезда, а остальные 44 схода с рельсов начинались за десятым и следующими за ним вагонами. По месяцам года крушения распределялись следующим образом: в апреле — 4, в мае — 17, в июне и июле — по 15 и в августе — 6. Более 90 % сходов произошло с 10.00 до 18.00. В 41 случае крушения произошли при нормальной тяге поездов, в 12 случаях режим ведения поезда был неизвестен и еще в 12 случаях производились торможение или «другие действия». В 37 случаях крушения произошли в кривых и в 28 случаях на прямых участках пути.

Приведенные далее сведения заимствованы из официальных материалов Департамента пути и сооружений МПС РФ за период с начала 1998 до конца 2001 г. В 1998 г. по одному крушению на выбросе пути под поездами произошло на Приволжской и Северо-Кавказской железных дорогах, в 1999 г. — в общей сложности пять подобных крушений на Юго-Восточной, Восточно-Сибирской и Московской дорогах. В 2000 г. одно такое же крушение было на Северо-Кавказской дороге, а в 2001 г. — еще одно на Юго-Восточной. Все эти крушения происходили на выбросах типовых конструкций верхнего строения бесстыкового пути, уложенных рельсами Р65 на щебеночном балласте в основном на железобетонных шпалах в прямых, и лишь два из них в круговых кривых радиусами от 400 и 650 м. Все выбросы пути возникали в интервале между апрелем и сентябрем от 12.00 до 16.00. Первыми, как правило, сходили с рельсов хвостовые вагоны поезда и реже примыкающие к ним вагоны хвостовой части. Среди сошедших вагонов были пассажирские и грузовые, цистерны, платформы-контейнеровозы и вагон-зерновоз. В обобщенных материалах МПС РФ по этим крушениям отсутствуют сведения о состоянии пути и сошедших с рельсов единиц подвижного состава, необходимые для соответствующего полного анализа причин этих сходов с рельсов. Однако ценно прежде всего то, что сходы с рельсов произошли и начинались с образования выбросов пути и не перед поездом, а в его концевой части.

Приведенные примеры сходов с рельсов и крушений из практики отечественных железных дорог с полной очевидностью свидетельствуют о том, что крушения поездов из-за выбросов бесстыкового пути под движущимися поездами были и могут возникать в будущем, если не будут приняты соответствующие меры по их предотвращению.

Все приведенные факты не могут быть неизвестны тем, кто утверждает, что невозможны выбросы и, как их следствие, крушения под движущимися поездами. Несоответствие теоретических положений, на которых базируется гипотеза о невозможности выброса бесстыкового пути под поездами, реальным процессам заключается, во-первых, в том, что, как утверждает ее автор, «при расследовании крушений и аварий поездов на бесстыковом пути необходимо руководствоваться прежде всего законами механики с проявлением потенциальной энергии, накапливаемой в рельсовых плетях от нагревания». Это означает исключение из рассмотрения всех других сил и перемещений во времени, влияющих на кинетику механических процессов сил и моментов сил инерции в конструктивных элементах пути и вагона, динамических сил угона в рельсовых плетях и еще ряда механических факторов, входящих в единую механическую систему путь — подвижной состав.

Во-вторых, в расчетной схеме реальная конструкция вагонов, состоящих из кузова, отдельных тележек, колесных пар, рессорного подвешивания и т. п., заменена неким неопределенным понятием «пригруз», не имеющим конкретного смысла с точки зрения механики. Между тем опыты, проведенные Федеральной железнодорожной администрацией США, показали, что наличие движущегося экипажа, создающего динамическую нагрузку, может весьма заметно понижать устойчивость бесстыкового пути по сравнению с той, которая у него была при отсутствии поездной нагрузки (рис. 1). Это происходит из-за образования волны подъема рельсо-шпальной решетки над ее основанием. При большой длине вагонов температура динамического выброса пути может быть на 20 – 30 % ниже соответствующей для статики. Как указывает в своей статье А. Зарембски, это согласуется и с результатами опытов, проводившихся в Западной Европе.

Рис. 1. Боковое сопротивление пути под открытым хоппером:

1 — в статике (без экипажа); 2 — при поднятии рельсо-шпальной решетки под поездом

В-третьих, автором гипотезы из рассмотрения исключается продолжительность прохождения межтележечными пространствами вагонов по горизонтальным и вертикальным неровностям пути; однако в ряде случаев возможен практически мгновенный выброс рельсо-шпальной решетки, когда продольные силы в плетях находятся на критическом уровне.

Кроме того, при некоторых размерах и формах неровностей в продольном профиле рельсовых плетей, в случае действия в рельсовых плетях больших продольных сжимающих сил, происходят отрыв некоторых подошв шпал, прекращение действия на них вертикальных нагрузок, а иногда и отрыв некоторых групп шпал от балластных постелей. Это вполне может произойти в момент прохода данного места межтележечными пространствами, а в результате сопротивление таких шпал поперечному сдвигу становится практически равным нулю.

Еще в 30-е годы и несколько позже, когда применялись легкие типы рельсов, вертикальное выпучивание звеньевого пути под действием продольных сжимающих сил в рельсах изучали многие ученые-путейцы, решая вопрос о возможности использования так называемых длинных рельсов (профессора Н. Т. Митюшин, К. Н. Мищенко, доценты М. П. Никифоров, М. Т. Членов и др.). Однако вначале проблему выпучивания связывали с так называемой обратной волной изгиба балок, лежащих на сплошном упругом основании, при их нагружении вертикальными силами. Лишь К. Н. Мищенко в 1950 г. опубликовал расчеты устойчивости бесстыкового пути в вертикальной плоскости при действии продольных сжимающих температурных сил в рельсовых плетях бесстыкового пути. Однако и методы расчетов К. Н. Мищенко были неточны, поскольку основывались на гипотезе Винклера. Эти «неточности» выявил проф. В. Н. Данилов, используя предложенный им совершенно новый и оригинальный математический аппарат — теорию функций абсолютного переменного. Но главный шаг в этом направлении был сделан в 1961 – 1962 гг. канд. техн. наук Е. М. Бромбергом, который впервые в мире с помощью прибора, предложенного инж. В. В. Богословским, исследовал и зарегистрировал результаты вертикального выпучивания рельсовых плетей реальных конструкций бесстыкового пути в эксплуатационных и лабораторных условиях на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа и в Институте пути. На рис. 2 приведены траектории горизонтальных поперечных и вертикальных перемещений рельсовых плетей бесстыкового пути при нагреве их до критической температуры. Этот график заимствован из статьи Е. М. Бромберга, в которой он пишет, что процесс выброса весьма сложен, развивается на значительной длине пути и протекает не во всех опытах одинаково. Например, в одном опыте поднятие рельсо-шпальной решетки на высоту 12 – 15 мм наблюдалось даже на расстоянии 45 м от центра развивающегося выброса пути; в другом такое же выпучивание наблюдалось на расстоянии 43 м, в третьем поднятие рельсо-шпальной решетки на 11 – 13 мм происходило на расстоянии 35 м и т. д.