Admin

Надежность упругих скреплений

Э.П.ИСАЕНКО, докт. техн. наук, М.В.БЕЗВУКОВ, инженер

В бесстыковом пути основным типом скрепления все еще остается КБ-65, недостатки и достоинства которого общеизвестны, а случаи применения упругих скреплений редкие, опыт их работы анализируется слабо. Для зарубежных скреплений типа Пэндрол, Фоссло, СБ-3 и других нужны железобетонные шпалы с анкерами, и сила прижатия рельса упругими клеммами не регулируется, но остается высокой весь период эксплуатации.

Отечественные железобетонные шпалы типов ШС-1 и ШС-2 сконструированы так, что анкерные болты через сферическую или седловидную шайбу передают на них только вертикальные силы сжатия. Вращаясь в шарнире закладной шайбы, эти болты могут отклоняться (на 5—7 мм) от вертикали, что позволяет уширять колею в крутых кривых укладкой несимметричных резиновых прокладок. При раскантовке рельса закладной болт вызывает в шпале напряжения сжатия, а замоноличенный анкер передает на нее еще и растягивающие усилия. Благодаря работе железобетона вблизи закладного болта в основном на сжатие отечественные шпалы надежны, наработка тоннажа достигает 2 млрд. т груза и более. Нужны четкие научные обоснования сфер применения шпал с замоноличенными анкерами. Выпуск новых типов шпал с такими анкерами потребует больших капиталовложений на замену и реконструкцию форм на шпалозаводах и будет, видимо, осуществляться в плановом порядке по мере замены изношенного оборудования.

Достаточно надежно отечественное упругое скрепление типа АРС (МИИТ) с замополиченным анкером. Оно успешно используется па Юго-Восточной и других дорогах. На Горьковской магистрали эта конструкция не испытывалась, но с 1996 г. по настоящее время проходят проверку модернизированные упругие скрепления БПУ и ЖБР-3, оснащенные закладными болтами.

Разработанное ВНИИЖТом совместно с ПТКБ ЦП еще в 70-е годы и испытанное па Северо-Кавказской дороге скрепление БПУ запатентовано в 1982 г. и разрешено МПС для применения в 1998 г. Оно обладало рядом достоинств по сравнению со скреплением КБ-65: длительное сохранение высокой силы прижатия рельса упругой клеммой, большой ее ход с сохранением достаточной силы прижатия, эффективная переработка боковых усилий, передаваемых на рельс колесами экипажей, пониженное поперечное усилие на шпалу, меньший боковой износ рельсов в кривых и др. Однако верхняя ветвь скрепления была сильно ослаблена отверстием под анкерный болт и под электроизолирующую втулку. В первые же годы опытной эксплуатации на Северо-Кавказской дороге многие клеммы сломались из-за появления трещин по болтовому отверстию (до 30 % упругих клемм), происходили разрушения фланца изолирующей втулки. Значительно меньше возникло трещин в нижней ветви клеммы.

Совместно с сотрудниками ВНИИЖТа и ПТКБ ЦП в 1996 г. НИЦ «Путь» Горьковской дороги изменил форму верхней ветви клеммы, придав ей выпуклость. Это снизило максимальные растягивающие напряжения в сечении по болтовому отверстию с 12000—14000 кгс/см2 до 9000— 10000 кгс/см2. В результате повреждение клемм трешинами в этом месте резко уменьшилось (за два года эксплуатации вышло из строя менее 1 96).
Работники Дзержинской дистанции пути и ОПМС-40, собиравшие на базе путевую решетку со скреплениями БПУ, с опаской отнеслись к этому скреплению. Предполагали, что оно не сможет обеспечить стабильность ширины колеи, и на первом опытном участке длиной 800 м в 1996 г. (425 километр четвертого главного пути перегона Дзержинск—Горький) каждую третью железобетонную шпалу уложили со скреплением КБ. Во время укладки при перевороте звеньев с захватом их в середине зафиксировали уширение колеи с 1518—1520 мм до 1530 мм. Поэтому рельсошпальную решетку пришлось укладывать без переворота, перемещая пакеты звеньев с платформы на платформу по салазкам.

Ежемесячные измерения в первые три зимних месяца эксплуатации инвентарных рельсов не выявили никаких изменений ширины колеи и ослаблений в затяжке анкерных болтов. После укладки рельсовой плети длиной 800 м вновь начали определять ширину колеи на каждой второй шпале. (Состояние пути оценивалось на «отлично».) За три года она находилась в пределах 1518—1522 мм. Опасения о ее нестабильности при скреплении БПУ не подтвердились.

Второй опытный участок только со скреплением БПУ (на каждой третьей шпале уложили подкладку) общей длиной 1600 м заложили в 1997 г. при капитальном ремонте второго главного пути перегона Ильино— Дзержинск на 382—383 километрах. Так же как и на первом участке предварительно сделали глубокую вырезку асбестового балласта. Путь поставили на слой щебня толщиной 40 см под шпалой. Опасаясь угона пути, дорожный мастер между плетями устроил уравнительные пролеты из пяти 12,5-метровых звеньев. В дальнейшем только па этих пяти звеньях он и вынужден был выполнять ремонтные работы. Так как сезонные и суточные перемещения концов плетей со скреплением БПУ оказались меньше, чем при скреплении КБ, летом 1999 г. в уравнительном пролете четыре

12,5-метровые звена заменили двумя 25-метровыми. Ни угона пути, пи существенного изменения ширины колеи па этом опытном участке с августа 1997 г. до октября 1997 г. (до укладки рельсовой плети) не наблюдалось. После укладки плетей взамен инвентарных рельсов путь выправили машиной Duomatic. Вот уже почти три года он оценивается на «отлично». Ремонтные работы выполняли только в пределах уравнительных пролетов.

На контрольном участке пути со скреплением КБ быстрее накапливались остаточные деформации. В пределах плети появились просадки и перекосы второй степени. Осенью 1999 г. второй опытный участок со скреплением БПУ проверяла комиссия Департамента пути и сооружений МПС. Она установила, что у 85 % анкерных болтов усилие затяжки равно 13 кге-м и более и только у 15 % — от 8 до 13 кге-м, а ширина колеи находилась в пределах 1518—1522 мм. На контрольном участке, обслуживаемом той же бригадой путейцев, только 80 % болтов имели затяжку около 8 кге-м, а остальные от 6 до 8 кге-м. Оказалось, что «бытовое» прижатие рельсов к шпалам клеммами скрепления БПУ примерно вдвое выше, чем клеммами КБ. Это вызвано более медленным ослаблением натяжения благодаря упругой работе клеммы. Ее взаимодействие с рельсом при проезде колеса подвижного состава продолжительнее, а опорная площадь существенно больше. В месте контакта клеммы с рельсом не возникают натиры и остаточные деформации. Снижение силы прижатия клеммы скрепления КБ к рельсу вызвано не столько ослаблением гайки анкерного болта, сколько остаточными деформациями рельса и клеммы.

Летом 1998 г. по заданию Департамента пути и сооружений на втором главном пути 409—410 километров участка Дзержинск—Горький при капитальном ремонте с глубокой вырезкой асбестового балласта уложили бесподкладочное скрепление ЖБР-3. После замены инвентарных рельсов плетями высокоточно выправили путь машиной Duomatic. В отличие от скрепления БПУ, в процессе эксплуатации сопротивление узла скрепления ЖБР-3 поперечному перемещению рельса было недостаточным до тех пор, пока подошва рельса не упиралась в скобу. Из-за этого в первый же год работы насчитывалось 40 мест с уширением колеи до 1527 мм.

Многие путейцы предполагали, что наличие металлической подкладки на каждой третьей шпале в скреплении БПУ значительно повлияет на жесткость под-рельсового основания, вызовет существенный неравномерный износ рельсов и усилит вертикальные колебания подвижного состава. Наши расчеты показали, что осадки пути, когда подкладок нет или когда они есть на каждой шпале, различаются несущественно.

Летом 1999 г. лаборатория инженерно-геологического обследования земляного полотна (Л ИГО) на Горьковской дороге провела нагрузочные испытания опытных участков с разными типами промежуточных скреплений и оценила «вклад» деформации каждого элемента верхнего строения в общую деформацию.

В соответствии с оценкой лаборатории, исходя из неравноупругости основания и по аналогии с практикой Октябрьской дороги были рекомендованы следующие максимально возможные скорости движения поездов по участкам: со скреплениями БПУ — 250 км/ч, со скреплениями ЖБР-3 — 160 км/ч, со скреплениями КБ — 120 км/ч. Опытный участок со скреплением БПУ на третий год эксплуатации после капитального ремонта находится в лучшем состоянии, чем участок со скреплением ЖБР в первый год. Если при скреплении КБ образуются люфты в узле скрепления или между подошвой шпалы и балластом, то при упругих скреплениях люфтов пет, и обеспечивается более равномерное распределение осевого давления на шпалы. Так, если При скреплении КБ нагрузка от оси распределяется в основном на две шпалы, то при БПУ приблизительно на 3—4, т.е. удельное давление на балластный слой ниже, меньше его деформации. Поэтому темпы накопления остаточных деформаций балласта при скреплении КБ в 3—4 раза выше, чем при БПУ.

Мы подсчитали, как распределяется давление от оси подвижного состава (при разных типах грузовых тележек) с использованием конечно-элементной модели пути, включающей как верхнее строение, так и Земляное полотно. Результаты расчетов для летних и зимних условий и для разного числа осей в грузовой тележке вагона различаются. Распределение давления на шпалы, определенное нашим методом, ближе к фактическому (по данным ЛИ ГО), чем к результатам расчетов по «Правилам». Этот факт очень важен для совершенствования скрепления, так как результаты расчетов существенно зависят от точности исходных данных, от наиболее опасного случая. Имеется в виду, что расчетные нагрузки при проектировании железобетонных шпал и скреплении не должны быть одинаковыми, так как для шпалы «опаснее» оттаявший балласт, а для скрепления наиболее неблагоприятно зимнее более жесткое основание. Приведенные сведения касаются малых скоростей (5—10 км/ч) движения нагрузочного устройства Л И ГО. Для сравнения характеристик разных типов скреплении при более высоких скоростях движения поездов и выяснения причин медленного накопления остаточных деформаций пути со скреплением БПУ, были измерены низкочастотные колебания (до 30 Гц).

Традиционные расчеты пути по «Правилам» не учитывают колебаний рельсошпальной решетки, балласта и земляного полотна. Но этот процесс играет важную роль в уплотнении щебня под поездами, в накоплении остаточных деформаций и повреждении ближайших к пути зданий и сооружений. Для оценки ускорений низкочастотных колебаний рельса и шпал в главных путях Горьковской дороги сделали соответствующие измерения при скреплениях БПУ, ЖБР-3, КБ-65 и костыльных (на деревянных шпалах). Установлено, что вертикальные ускорения шпал при скреплении БПУ и ЖБР-3 не намного меньше, чем при КБ, а поперечные ускорения шпал со скреплением БПУ значительно ниже. Видимо это и объясняет, почему при скреплении БПУ ширина колеи стабильнее, чем при ЖБР-3, и почему медленнее накапливаются остаточные деформации пути. Упругая клемма БПУ лучше гасит колебания, перпендикулярные оси пути, чем жесткая клемма скрепления ЖБР-3.

Скрепление АРС, обладая примерно такой же вертикальной жесткостью, что и скрепление ЖБР-3, исключительно хорошо сохраняет ширину колеи, в нем нет резьбовых соединений, постоянно требующих защиты от коррозии. При скреплении ЖБР-3 ширина колеи нестабильна. Этот недостаток может быть исключен, если при сборке рельсошпальной решетки на трех—четырех шпалах звена установить скрепление КБ с упругой клеммой. Опасаться неравноупругости основания при таком чередовании шпал без металлических подкладок и с подкладками не следует. После укладки рельсовой плети на маячные шпалы упорные скобы скрепления ЖБР можно будет закрепить вплотную к подошве рельса, тем самым обеспечив необходимые условия для стабильности ширины колеи.

В настоящее время для одной железобетонной шпалы комплект скрепления КБ-65 стоит примерно 125—150 руб., ЖБР-65 — 140—150 руб., БПУ — 100—110 руб., АРС — 100 110 руб. (без дополнительных затрат на устройство двух анкеров в шпате). По нашему мнению, выбирать типы упругих промежуточных скреплений надо с учетом их цены и особенностей работы пути в зависимости от плана линии. Так, на прямых участках и в кривых радиусом 2000 м и более следует применять скрепление БПУ, в кривых радиусом менее 2000 м и более 800 м — ЖБР-65 (каждая шестая шпала — со скреплением КБ с упругой клеммой), в кривых радиусом менее 800 м — АРС.

Конечно, сборка комбинированной рельсошпаль-пой решетки создаст неудобства на базе ПМС, снизит сменную выработку, но эти недостатки возместятся экономией затрат труда при текущем содержании пути благодаря его стабильности и замедлению накопления осадок и смещений. Нужно отказаться от укладки па всем направлении только одного типа скреплений. В кривых путь работает более напряженно, и дополнительным нагрузкам необходимо противопоставить более надежное скрепление АРС. На прямых же очевидны преимущества скрепления БПУ.

Таким образом, теоретические расчеты, производственная проверка и нагрузочные испытания скреплений БПУ, ЖБР-3, КБ-65, позволяют сделать следующие выводы.

Упругие скрепления заметно улучшают взаимодействие пути и подвижного состава, увеличивают ресурс рельсов, снижают сопротивления движению поезда, уменьшают затраты на текущее содержание.

Применение скрепления БПУ с подкладкой на каждой третьей шпале сберегает на километре пути около 15 т металла. Укладка на каждой третьей или хотя бы на шестой шпале подкладок не нарушает равноупругости основания пути.

Целесообразно разработать более совершенную теорию расчета промежуточных скреплений.

Опыт Горьковской дороги свидетельствует о том, что уже есть хорошие отечественные упругие скрепления. Пора налаживать их массовый выпуск.

г. Нижний Новгород

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Путь и путевое хозяйство".

Перенес: Admin