Анализ особенностей промежуточных рельсовых скреплений

б) качество деталей в части минимизации размеров допусков. При современном уровне требований к деталям скрепления типа КБ-65, теоретически разброс ширины колеи может составлять порядка 50 мм;

в) качество деталей в части минимизации интенсивности их износа в процессе эксплуатации. Это определяется качеством применяемых материалов, в первую очередь полимерных;

г) величина пространственной упругости (или жесткости) рельсовой нити в данной конструкции скрепления. Чем больше вертикальная и горизонтальная поперечная жесткость, тем большая доля сил, действующих от колеса на рельс, передается на один узел скрепления.

На железных дорогах Российской Федерации эксплуатируется температурно-напряженная конструкция бесстыкового пути. Основное отличие работы бесстыкового пути от обычного звеньевого состоит в том, что в рельсовых плетях действуют значительные продольные усилия, вызываемые изменениями температуры. При повышении температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой закрепления в них возникают продольные силы сжатия, которые могут создать опасность выброса пути. При понижении температуры — появляются растягивающие силы, которые могут вызвать излом плети и образование большого зазора, опасного для прохода поезда, или разрыв рельсового стыка из-за среза болтов. Дополнительное воздействие на бесстыковой путь оказывают силы, создаваемые при выправке, рихтовке, очистке щебня и других ремонтных путевых работах [133].

Промежуточные рельсовые скрепления, применяющиеся на бесстыковом пути, должны обеспечивать нагрузки, действующие на узел скрепления:

• горизонтальных продольных сил — 14 кН;
• боковых сил в прямых и в кривых радиусами 500 м и более — не менее 50 кН, в кривых радиусами менее 500 м — не менее 100 кН [1].

Невыполнение этих требований может привести к подвижкам рельсов относительно шпал на отдельных участках, например, при одновременном действии сил угона и температурных сил без возврата на место после прекращения сил угона (сил сопротивления будет достаточно, чтобы не допустить подвижку только от действия температурных сил) [122].

Необходимые силы сопротивления перемещению рельсов относительно шпал обеспечиваются за счет соответствующих:

• величины давления клеммы на подошву рельса;
• коэффициента трения подошвы по прокладке;
• эпюры шпал.
• При обеспечении оптимальной пространственной упругости пути, под которой понимается сочетание вертикальной, поперечной и продольной упругости (или ее обратной величины — жесткости) рельсовой нити. Уменьшение вертикальной жесткости пути в целом обеспечивает снижение жесткости на контакте колеса и рельса и, соответственно, меньшие силы их динамического взаимодействия. Кроме того, при уменьшении вертикальной жесткости пути за счет более упругих прокладок скрепления снижается доля давления рельса на одну шпалу. С другой стороны, заниженная вертикальная жесткость приводит к росту сил сопротивления движению поезда, а также к повышенным требованиям к сочетаниям материалов и конструкций клемм и прокладок-амортизаторов.

Сегодняшние отечественные скрепления для железобетонных шпал имеют вертикальную статическую жесткость 50-150 МН/м [2]. Эти нормативы были разработаны в 70-х годах прошлого века, на первом этапе внедрения железобетонных шпал и бесстыкового пути.

Требования к динамической жесткости узла скрепления отсутствуют.

Степень виброгашения скрепления оказывает влияние как на состояние подвижных единиц, так на состояние подрельсового основания. Действующие нормативные документы, содержащие требования к узлу скрепления, не содержат требований к параметрам виброгашения. Этот параметр отсутствует в перечне действующих в настоящее время технических требований к промежуточным рельсовым скреплениям. В зарубежных нормативах этот показатель является одним из важнейших, определяющих потребительские характеристики скреплений, особенно для высокоскоростных линий[130].

• Возможность регулировки положения рельсовых нитей по высоте и в плане необходима, так как позволяет исправлять локальные отступления положения рельсовых нитей от нормативного.

На принятие решения о возможности регулировки положения рельсовых нитей в узле скрепления влияют:

• состояние подшпального основания, которое планируется обеспечить после ремонта участка пути;
• принятая технология выправки локальных отступлений;
• интенсивность бокового износа рельсов.

Скрепление, состоящее из большого количества деталей, имеет два системных недостатка.

• повышенная интенсивность расстройства узла из-за того, что каждая деталь изготавливается с допусками и накопление этих допусков приводит к появлению люфтов, тем более, по мере износа.
• необходимость увеличенных затрат на его сборку при монтаже, введении в эксплуатацию и демонтаже.

За рубежом применяют специальный термин, который в дословном переводе звучит как «установил и забыл». Это означает, что после монтажа скрепление не требует какого-либо штатного обслуживания.

Применение таких конструкций крайне важно. Ключевые признаки малообслуживаемых скреплений:

• отсутствие соединений, требующих периодического обслуживания;
• в качестве крепежного элемента должны использоваться анкеры, замоноличенные в шпалу или шурупы, вворачиваемые в замоноличенный полимерный дюбель;
• упругая клемма.

Основными слагаемыми стоимости жизненного цикла скрепления являются:

• первоначальная стоимость;
• затраты на монтаж скрепления;
• затраты на содержание в период межремонтного срока;
• остаточная стоимость скреплений.

Классификация основных типов скреплений на железобетонных шпалах

Анализ конструкций скреплений

На рисунке 1.1 представлены конструкции промежуточных рельсовых скреплений, эксплуатируемых на сети железных дорог ОАО «РЖД» [10].

Рисунок 1.1 — Основные конструкции скреплений для Российских железных дорог

Следует отметить на российском рынке успехи зарубежных фирм, которые являются лидерами мирового рынка сбыта рельсовых скреплений. Они десятилетиями работают в этом направлении, имеют собственные конструкторские, научно-исследовательские подразделения, испытательную базу. Их изделия применяются почти во всех климатических поясах, при всех реализуемых скоростях, грузонапряженности и осевых нагрузках.

На железных дорогах развитых зарубежных стран применяется несколько основных типов промежуточных рельсовых скреплений, представленных в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Мировая практика применения рельсовых скреплений для скоростного и тяжеловесного движения

Например, в Финляндии, Литве, Латвии, Казахстане, странах сходных с Россией по климату, и, что крайне важно, где обращаются российские грузовые вагоны с соответствующим уровнем динамики воздействия на путь, также применяют скрепления типа Pandrol, Vossloh различных модификаций.

Применяемые на сети железных дорог ОАО «РЖД» промежуточные рельсовые скрепления были сгруппированы по ряду ключевых признаков.

1. вид прикрепления:

• нераздельное прикрепление, при котором подкладку к опоре и рельс к подкладке прикрепляют одними и теми же прикрепителями, например ЖБР-65Ш, ЖБР-65ПШМ;
• раздельное прикрепление, при котором подкладки к опоре и рельс к подкладке прикрепляют различными прикрепителями, например КБ-65;
• смешанное прикрепление, при котором рельс через подкладки крепят к опорам, кроме того, подкладки дополнительно крепят к опорам, например Д-0;

2. наличие подкладки:

• бесподкладочное (ЖБР-65, АРС);
• подкладочное (ЖБР-65ПШМ, КД, КБ-65);

3. тип прикрепителя к опоре:

• шурупно-дюбельное (ЖБР-65Ш, ЖБР-65ПШМ);
• анкерное (АРС-4, ПФК-350);;
• болтовое (ЖБР-65, КБ-65).

На рисунке 1.2 представлена схема классифицирования промежуточных рельсовых скреплений в зависимости от конструкции.

Анализ опыта эксплуатации скреплений

На рисунке 1.3 представлено распределение, характеризующее протяженность пути с различными типами промежуточных рельсовых скреплений на железобетонных шпалах

Рельсовые скрепления при износе и старении прокладок, изломах подкладок, коррозии и ослаблении резьбовых соединений не обеспечивают стабильности ширины колеи, ухудшается динамика взаимодействия пути и подвижного состава, не обеспечивают требуемое усилие прижатия рельса к шпале и сопротивление продольному угону плети, скрепления не обеспечивают поперечную удерживающую способность, что приводит к сверхнормативному уширению рельсовой колеи. В таких случаях дальнейшая эксплуатация недопустима по условиям безопасности движения. Указанные расстройства скреплений приводят к снижению их срока службы.

С учетом того, что грузонапряженность на ряде направлений значительно возрастает, возрастают и требования к скреплениям по долговечности и технологичности обслуживания.

При капитальных ремонтах пути на новых материалах, капитальных ремонтах 1 уровня (КРН), рельсошпальная решетка укладывается с железобетонными шпалами и нераздельными скреплениями с упругими клеммами: ЖБР-65Ш и его модификациями с подкладкой (ЖБР-65ПШМ и ЖБР-65ПШР), АРС-4, ^-30 и ПФК-350. Именно эти типы скреплений приняты к рассмотрению.

Сферы рационального применения промежуточных рельсовых скреплений на сети железных дорог ОАО «РЖД», представленные в таблице 1.2, установлены распоряжением ОАО «РЖД» от 28.06.2018 г. №1362/р [4,67].

Таблица 1.2 — Сферы рационального применения промежуточных рельсовых скреплений на сети дорог ОАО «РЖД»

Примечания

* Специализация железнодорожных линий в соответствии с таблицей 3.2 распоряжения ОАО «РЖД» от 31 декабря 2015 г. № 3212р.

** Применение на линиях «В» допускается только при условии получения сертификата соответствия требованиям технического регламента ТС «О безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта» (ТР ТС 002/2011) [5].

Выводы

Выявлены основные факторы, ограничивающими срок службы рельсовых скреплений:

• интенсивность снижения удерживающей способности в поперечном направлении, определяемая как относительное изменение остаточного поперечного перемещения головки и подошвы рельса в узле скрепления;
• интенсивность снижения усилия продольного сдвига рельса в узле скрепления;
• не полное соответствие вертикальной и горизонтальной поперечной жесткости скрепления условиям эксплуатации.

Увеличение протяженности полигона бесстыковой конструкции пути на железобетонных шпалах, в том числе за счет укладки рельсовых плетей в кривых малого радиуса, рост осевых нагрузок и объемов тяжеловесного движения определяет необходимость усиления эксплуатационной стойкости промежуточных рельсовых скреплений, в первую очередь за счет совершенствования технических требований к ним, обеспечивающих повышение технических характеристик скреплений.

Исходя из условий применения при капитальных ремонтах пути 1 -го уровня (КРН), к рассмотрению приняты нераздельные скрепления с упругими клеммами типа: ЖБР-65Ш и его модификации с подкладкой, АРС-4, ^-30 и ПФК-350.

Используемая Литература

• О сферах рационального применения промежуточных рельсовых скреплений и унификации вариантов комплектации ими железобетонных шпал: распоряжение ОАО «РЖД» от 28.06.2018 № 1362р.
• Заграничек, К. Л. Сравнительная оценка сопротивления износу дифференцированно термоупрочненных рельсов общего и специального назначения в лабораторных условиях / К. Л. Заграничек, А. И. Борц, И. Е. Перков // Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений: сборник научных докладов по материалам заседания
  некоммерческого партнерства «Рельсовая комиссия» (Новокузнецк, 26-27 сентября 2019 г.). — Екатеринбург: УИМ, 2020. — С. 94-114.
• Купцов, В.В. Универсальное рельсовое скрепление БПУ/В.В. Купцов// Сб. трудов ВНИИЖТ Совершенствование конструкции и эксплуатация бесстыкового пути М. Транспорт., -1988, -С. 129-135 с.
  105
• Лысюк, В.С. Методика расчета эквивалентных поездных нагрузок на путь / В.С. Лысюк // Вестник ВНИИЖТ. — \о.5. — 1973. — С.17-21.
• Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути: утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 14.12.2016 № 2544/р. — Москва, 2016. — 185 с.
• ГОСТ Р 59482-2021 «Скрепление рельсовое промежуточное железнодорожного пути. Общие технические условия» — Москва: Стандартинформ, — 2021. 12 с.
• Виноградов, С.В. Цифровые технологии повышения энергетической эффективности железнодорожных перевозок/ С.А. Виноградов, К.М. Попов //Железнодорожный транспорт. — 2019. — № 9. — С. 42-45.
• Бондаренко, И.А. Предложения по оценке деформативности железнодорожного пути / И.А. Бондаренко // Наука и прогресс транспорта. Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта. -2008. — \о23. — С.117-122
• Обобщение мирового опыта тяжеловесного движения. Управление
  содержанием системы колесо — рельс. / пер. с англ. под. ред. С.М. Захарова — Москва: Интекст, 2017. — 420 с.