poster334

В.Б.КАМЕНСКИЙ, В.М.ЕРМАКОВ, кандидаты техн. наук

За последнее десятилетие интенсивность эксплуатации пути резко упала. В этих условиях увеличились межремонтные сроки, и главным в обеспечении безопасности движения на малозагруженных участках стал фактор выхода из строя деревянных шпал по гнилости. При 70 % общесетевой протяженности пути на таких шпалах эта проблема с каждым годом становится все острее.

Задача усиления пути на деревянных шпалах с костыльным скреплением стояла всегда. Основные недостатки конструкции — возможность напрессов-ки снега на подкладке, раскантовки рельса и малый срок службы шпал. Один из способов решения задачи — частичная замена деревянных шпал железобетонными. Так делают на зарубежных дорогах (в том числе в Германии и Франции). В России первый серьезный опыт эксплуатации такой конструкции в начале 90-х годов накопили на Южно-Уральской магистрали: замена каждой пятой шпалы на железобетонную в целом усилила колею в кривых малого радиуса. Аналогичные участки имеются на направлении Ряжск—Чертково Юго-Восточной дороги и других магистралях. Однако при равномерном распределении железобетонных шпал появляется постоянная динамическая неровность длиной около 2,5 м, которая в определенных условиях может способствовать возникновению резонансных процессов при взаимодействии пути и подвижного состава.

Следующий этап в исследовании особенностей упомянутой конструкции — комплекс работ, проведенных в 1994—1998 гг. на Октябрьской дороге, включавший в себя: разработку методики и расчет условий взаимодействия пути с комбинацией деревянных и железобетонных шпал (КРШР) и подвижного состава; определение оптимального сочетания деревянных и железобетонных шпал; укладку в путь опытной конструкции; динамические испытания и эксплуатационные наблюдения.

При расчете в качестве критериев оценки комбинаций деревянных и железобетонных шпал на звене были приняты следующие показатели.

1. Допускаемые скорости движения поездов в зависимости от уклонов динамической неровности пути в вертикальной и горизонтальной плоскостях и от резонансных явлений при колебаниях системы «колесо-путь».

2. Параметры влияния железобетонных шпал на ширину колеи.

3. Уровень напряжений в рельсах.

4. Ограничения в повышении общей жесткости пути.

Всего рассчитали шесть вариантов сочетания деревянных и железобетонных шпал — от одной железобетонной через две деревянные до двух подряд железобетонных через четыре деревянные. По указанным критериям оптимальным оказалось последовательное расположение железобетонных шпал через три и через четыре деревянные. Для обеспечения технически грамотной сборки, укладки и эксплуатации опытной конструкции разработали «Временные технические указания по применению железобетонных шпал на звеньевом пути с деревянными шпалами» № ПДЛ-30/4 от 07.06.94. Летом 1994 г. на участке Энгозеро—Лоухи уложили более 20 км пути с КРШР. В последующие годы полигон был расширен.

Первый опытный участок взяли под наблюдение и на нем в 1995 г. и 1998 г. дорожная лаборатория пути Октябрьской магистрали выполнила два комплекса динамических испытаний. На момент укладки грузонапряженность составляла 36,8 млн. т*км брутто на 1 км в год, средняя осевая нагрузка — 177 кН, скорость движения пассажирских поездов — 90 км/ч, грузовых — 80 км/ч, наработка тоннажа к началу первых динамических испытаний была равна 30 и вторых — ПО млн. т груза. Измеряли напряжения в рельсах, подкладках, железобетонных шпалах, а также отжимы наружной рельсовой нити в кривой радиусом 616 м. Кроме того, ежегодно проводят эксплуатационные наблюдения, при которых в кривых радиусами 616 и 740 м контролируют ширину колеи, угон рельсов, ослабление затяжки закладных и клеммных болтов, боковой износ рельсов, состояние щебеночного балласта. Состояние пути по результатам прохода путеизмерителя, а также по значениям вертикальных и горизонтальных ускорений кузова вагона анализируют на опытных участках с КРШР общим протяжением 9 км и на контрольных протяжением 8 км (типовой звеньевой путь, уложенный при капитальном ремонте в те же сроки).


Напряжения в рельсах измеряли в средней части звена по одной рельсовой нити в 15-и смежных шпальных ящиках. Их средние значения равны 63—87 МПа, что значительно ниже допускаемых.

Напряжения в подкладках определяли на деревянных и железобетонных шпалах (8 шпал подряд, из них 2 железобетонные). В целом они не превышали допускаемых значений (240 МПа), хотя в отдельных случаях на железобетонных шпалах приближались к ним. Это объяснимо, так как напряжения в подкладках прямо зависят от жесткости подрельсового основания.

Прогибы рельсов измеряли в 12-и смежных шпальных ящиках, в том числе в стыковой зоне. За период наработки тоннажа форма регулярной вертикальной динамической неровности изменилась, и несколько большие прогибы отмечены именно под железобетонными шпалами, что вызвано следующими причинами. В начальный период эксплуатации наибольшую нагрузку испытывал балласт, находящийся под железобетонными шпалами, что со временем привело к его выдавливанию в шпальные ящики и изменению очертания вертикальной динамической линии прогиба рельса. Однако прогибы находились в пределах расчетных значений как по величине, так и по сочетанию в различных сечениях, и не вызывали опасений.

Отжимы подошвы наружной рельсовой нити в кривой радиусом 616 м определяли в створах с подкладками в восьми смежных шпальных ящиках (из восьми шпал две железобетонные). Средние их значения составили 0,6—0,8 мм, причем на железобетонных шпалах несколько меньше, чем на деревянных.

Прогибы и напряжения в железобетонных шпалах по характеру и величинам почти такие же, как на типовом пути.

Динамические испытания в целом подтвердили теоретические расчеты. Все параметры не превышают расчетные и ниже предельно допустимых. (Эти результаты — характерные для начальной стадии эксплуатации опытной конструкции.)


Ширину колеи анализировали на каждой железобетонной шпале на протяжении 400 м по первому пути и 200 м по второму пути. Разброс значений сразу после обкатки составил от 1513 до 1528 мм, что объясняется большим полем допусков в скреплении типа КБ. Среднее значение равно 1519,1 мм. При наработке до ПО млн. т груза ширина колеи без учета бокового износа увеличилась в среднем до 1524,6 мм, что свидетельствует о высокой стабильности опытной конструкции по этому показателю в кривых радиусом 600—750 м.

Угон рельсов незначителен и меньше, чем на контрольных участках.

Интенсивность ослабления гаек клеммных и закладных болтов составила соответственно 0,7 и 0,3 кгс*м/млн. т груза, что находится в рамках аналогичных показателей для зон уравнительных пролетов и «дышащих» концов плетей бесстыкового пути.

Интенсивность бокового износа рельсов очень неравномерна, что вызвано отступлениями положения рельсовых нитей в плане, особенно в стыковых зонах. Средняя интенсивность была равна 0,71 мм на 10 млн. т груза, что несколько ниже нормативных значений для кривых радиусами 350—650 м. Какой-либо разницы в износе в сечениях с деревянными и железобетонными шпалами не выявлено.

Состояние балластного слоя оценивали по результатам ситового анализа щебня под деревянными и железобетонными шпалами. При высокой изначальной засоренности щебня частицами менее 25 мм (17—25 %) ощутимого различия в количестве мелких фракций, в том числе мельче 10 мм, в зависимости от типа шпал на данном этапе не выявлено.

Состояние пути по результатам прохода вагона-путеизмерителя определяли на опытных и контрольных участках ежемесячно в период с октября 1994 г. по май 1996 г. Для сравнения усреднили показатели за зиму и весну 1995 г. и 1996 г. Они свидетельствуют, что за год средняя балльность на участках с комбинированной рельсошпальной решеткой увеличилась с 50 до 60 единиц, а на контрольных участках (деревянные шпалы) — с 159 до 292 единиц, т.е. опытная конструкция более стабильна.

Горизонтальные и вертикальные ускорения кузова пассажирского вагона измеряли акселерометром типа MAKTRAK при скоростях 80—90 км/ч. Обобщая результаты замеров 1995 г., 1996 г. и 1998 г., можно отметить, что в целом эти ускорения находятся в пределах нормативов, применяющихся на зарубежных железных дорогах, — не выше 0,26 g (в России таких нормативов нет). За три года как на опытных, так и на контрольных участках вертикальные ускорения несколько увеличились и были примерно одинаковыми. Горизонтальные ускорения на пути с комбинированной рельсошпальной решеткой ниже, чем на контрольных участках.

Полученные положительные результаты позволили по запросу Восточно-Сибирской дороги разрешить укладку в 1998 г. опытных участков на Транссибирской магистрали в кривых радиусом около 300 м. Однако главным результатом опыта и исследований работы комбинированной путевой решетки на Южно-Уральской, Юго-Восточной и Октябрьской дорогах стал вывод о возможности усиления пути на деревянных шпалах укладкой железобетонных шпал на участках с соответствующими грузонапряженностью и скоростью движения. Другими словами, технических ограничений укладки железобетонных шпал на пути с деревянными шпалами, в том числе бессистемно, на участках 3—5 классов нет.


Сфера повторного применения старогодных железобетонных шпал и скреплений достаточно широка: укладка старогодной путевой решетки, усиление закрестовинных кривых; усиление переводных кривых стрелочных переводов на станционных путях и др. Проблема заключается в их недостатке для удовлетворения всех потребностей. В связи с этим важно наиболее рационально распределять такие шпалы и скрепления между двумя основными сферами — укладкой перебранной решетки и усилением пути на деревянных шпалах с постепенным переходом полностью на железобетонные шпалы и бесстыковой путь. Первый этап работы — разрядка кустов негодных деревянных шпал железобетонными.

На 01.01.99 на сети железных дорог России протяженность путей 3 класса составила 54,64 тыс. км, в том числе на железобетонных шпалах — 16,16 тыс. км и на деревянных — 38,48 тыс. км; 4 класса — 12,07 тыс. км (2,03 тыс. км на железобетонных и 10,04 тыс. км на деревянных шпалах); станционных и подъездных путей — 66,54 тыс. км (12,84 тыс. км и 53,70 тыс. км). На дорогах востока России, начиная с Красноярской, старогодную решетку на железобетонных шпалах в ближайшее время снимать не будут, поэтому следует рассматривать полигон западнее Красноярской. Там протяженность путей на деревянных шпалах и потребность в оздоровлении шпального хозяйства, исходя из норматива для главных путей 3 и 4 классов в среднем 1 раз в 15 лет и для станционных путей 1 раз в 30 лет, таковы:

3 класс — 20,1 тыс. км / 15 лет =1,33 тыс. км в год;

4 класс — 8,17 тыс. км / 15 лет = 0,54 тыс. км в год;

станционные и подъездные (5 класс) — 31,52

тыс. км / 30 лет = 1,05 тыс. км в год.

В таблице приведены данные об использовании старогодной решетки с железобетонными шпалами в 1997—1998 гг. Результаты их анализа следующие.

1. Повторно укладывается 96 % решетки (1—2 % — списание, 2—3 % — переходящие остатки), что в целом приемлемо.

2. Перебирается 86 % решетки.

3. Укладывается в главные пути 3 класса — 25 % (что недопустимо мало), из них с переборкой 96 %.

4. Укладывается в главные пути 4 класса — 16 %, из них с переборкой — 89 %. (Всего в главные пути 3 и 4 классов — 41 %.)

5. В станционные и подъездные пути укладывается 59 % старогодной решетки, из которой, по отчетам дорог, перебирается 75 %.

Как уже отмечалось, оптимальным было бы, если на путях 3 класса рассматриваемых дорог ежегодно укладывали по 1,33 тыс. км старогодной решетки с железобетонными шпалами. Фактически же укладывают 240 км или 18 % норматива, что недопустимо мало.

В настоящее время в условиях снижения объемов ремонтов (из-за падения грузонапряженности) и значительной протяженности путей 3—5 классов на деревянных шпалах, которые в этих условиях выходят из строя не по наработке, а по сроку службы, разрешена укладка старогодной решетки с железобетонными шпалами на путях 4—5 классов. Эта система приводит к нерациональному ее использованию, причем на путях 3 класса либо растет запущенность шпального хозяйства и снижается уровень безопасности движения, либо увеличивается межремонтный период за счет разрядки кустов негодных шпал деревянными (новыми или старогодными) шпалами, либо выполняется менее эффективный ремонт с укладкой новых и (или) старогодных шпал. Кроме того, такое положение провоцирует работников дорог на нарушение жестких требований к качеству переборки решетки и на ее укладку в станционные пути практически без переборки.


Экономически обоснованные сферы укладки перебранной решетки и разрядки кустов негодных деревянных шпал железобетонными (далее разрядка кустов) определяли на основе следующих исходных данных.

1. Годовая потребность в ремонте путей 3—5 классов с деревянными шпалами на рассматриваемых дорогах: 1,33 + 0,54 + 1,05 = 2,91 тыс. км.

2. Годовая «переработка» (96 % от съема) решетки — 961 км или 33 % потребности.

3. При разрядке кустрв в среднем укладывается по 25 % железобетонных шпал (каждая четвертая) в четыре приема (по 25 %) в 1-й, 4-й, 7-й и 10-й годы.

4. При существующей системе на полигоне, который может быть «закрыт» разрядкой кустов, используются старогодные отремонтированные деревянные шпалы со сроком службы 5—6 лет в объемах, равных количеству укладываемых железобетонных при разрядке кустов (см. п.З), плюс число заменяемых старогодных, вышедших в течение принятого срока перехода на участке пути полностью на железобетонные шпалы — 10 лет. А именно: 1-й год — 25 %; 4-й год — 25 %; 7-й год — 25 % + 25 % уложенных в первом году; 10-й год — 25 % + 25 % уложенных в четвертом году. Кроме того, при разрядке кустов железобетонными шпалами после 10-го года работы практически прекратятся, а на участках с укладкой старогодных деревянных шпал процесс замены бесконечен (13-й год — 50 %, 16-й год — 50 % и т.д.). Однако это обстоятельство в расчете не учтено, что дает значительный запас достоверности изложенного ниже результата.

5. Полигоны укладки перебранной решетки и разрядка кустов должны «пересекаться» для обеспечения возможности выбора на дорогах, исходя из конкретных условий. Наиболее обоснован по протяженности и условиям эксплуатации «пересекающийся» полигон — пути ЗГ4 и ЗД4 (скорость не более 80 км/ч, грузонапряженность — не более 25 млн. т км брутто на 1 км в год), протяженность которых на деревянных шпалах на рассматриваемых дорогах составляет 8,8 тыс. км.

6. Цена старогодной железобетонной шпалы (13,5 % новой) со скреплением (10 % новой) с учетом новых прокладок и шайб — 39 руб. Цена старогодной деревянной шпалы (с учетом затрат на ремонт) со скреплением — 29 руб.

7. Затраты на замену 468 железобетонных шпал (25 %) с использованием комплекса GEISMAR, досыпку щебня, выправку пути — 68 тыс. руб/км. Затраты на те же работы с использованием старогодных деревянных шпал — 63,3 тыс. руб/км. Затраты на те же работы при замене 50 % шпал деревянными старогодными — 93,7 тыс. руб/км.

8. Стоимость капитального ремонта с укладкой перебранной путевой решетки — 508 тыс. руб. Стоимость разрядки кустов на 1 км: замена в первый год 25 % шпал — 68 тыс. руб. плюс еще три замены в 4-й, 7-й и 10-й годы с коэффициентом дисконтирования, принятым 0,1, — 68 + 68x0,735 + 68x0,584+ + 68x0,463 = 189,2 тыс. руб. Стоимость тех же работ с укладкой старогодных деревянных шпал: 63,3 + +63,3x0,735 + 93,7x0,584 + 93,7x0,463 = 207,9 тыс. руб.

9. Минимальный допустимый объем оздоровления пути на рассматриваемом полигоне — 60 % нормативной потребности или 1746 км. Рассмотрены 3 следующих варианта.

А. Укладка перебранной старогодной решетки на всех путях 3 класса (полигон 20,1 тыс. км), а на путях 4 и 5 классов (полигон 39,79 тыс. км) — разрядка кустов негодных деревянных шпал железобетонными и старогодными деревянными. При этом потребность в ремонтах (см. п.1) равна: 3 класс — 1,33 тыс. км; 4 класс — 0,54 тыс. км; 5 класс — 1,05 тыс. км в год.

Из имеющихся (см. п.2) 961 км перебранной решетки 798 км укладывается на путях 3 класса, что составляет 60 % норматива (1,33 тыс. км). Остающиеся 163 км используются для оздоровления путей 4—5 классов (каждая четвертая шпала — железобетонная) протяженностью 652 км или 41 % норматива (1,59 тыс. км). На недостающих до задания (см. п.9): 1746 - 798 - 652 = 296 км делается разрядка старогодными деревянными шпалами. Затраты (см. п.п. 7, 8) на 1746 км — 589 млн. руб.

Б. Укладка перебранной решетки на всех путях 3 класса, кроме Г4 и Д4, на 50 % которых используется эта решетка, а на 50 % — делается разрядка кустов железобетонными шпалами. На путях 4 и 5 классов — разрядка кустов железобетонными и старогодными деревянными шпалами. Потребность в ремонтах:

3 класс, за вычетом 50 % протяженности путей Г4 и Д4 — 1,05 тыс. км; 4 класс плюс 50 % протяженности путей Г4 и Д4 — 0,84 тыс. км; 5 класс — 1,05 тыс. км в год.

Из имеющихся 961 км решетка укладывается на 735 км (70 % норматива). Остающиеся 226 км идут на разрядку кустов на 904 км — 48 % норматива. На недостающих до задания 107 км делается разрядка кустов старогодными деревянными шпалами. Затраты на оздоровление 1746 км — 566 млн. руб.

В. Базовый вариант — оздоровление 1746 км укладкой решетки на железобетонных шпалах на 961 км, на остальных 785 км — укладка старогодных деревянных шпал. Затраты — 651 млн. руб.

Из рассмотренных вариантов очевидные преимущества имеет вариант «Б», как обеспечивающий большие объемы оздоровления пути с укладкой железобетонных шпал (на 189 км по сравнению с «А» и на 678 по сравнению с базовым) в пределах принятых исходных данных и наименьших затратах.

Предлагаемая схема распределения старогодных железобетонных шпал обоснована:

1. Балансом снимаемых материалов верхнего строения пути;

2. Рациональным распределением материалов в зависимости от степени их годности и загруженности пути;

3. Увеличением и доведением до приемлемых объемов оздоровления укладкой железобетонных шпал как путей 3 класса (до 70 % норматива), так и 4—5 классов (до 48 % норматива);

4. Сокращением затрат на оздоровление путей 4—5 классов;

5. Оздоровлением шпального хозяйства путей 4—5 классов и обеспечением безопасности движения на них.

Порядок переборки старогодной решетки с железобетонными шпалами и разрядки кустов негодных деревянных шпал железобетонными приведен в соответствующих технических условиях, введенных в действие Указанием МПС № С-204у от 25.02.99. Ключевые позиции новых ТУ:

1. Вся старогодная решетка с железобетонными шпалами подлежит полной разборке, выбраковке и сортировке элементов скреплений и шпал;

2. Укладка перебранной решетки допускается только на путях 3 класса. При этом используются элементы решетки только первой группы годности, а детали, обеспечивающие упругость узла (двухвитковые шайбы, нашпальные и подрельсовые прокладки) — полностью новые;

3. Элементы решетки второй группы годности (в среднем их 15—25 %), отсортированные при переборке, применяются при разрядке кустов негодных деревянных шпал железобетонными, как правило, на путях 4—5 классов. При этом допускается укладка новых железобетонных шпал второго сорта;

4. Для дорог восточного региона (начиная с Красноярской), на которых решетка с железобетонными шпалами в ближайшие годы сниматься не будет, при условии технико-экономического обоснования допускается использование новых железобетонных шпал 1 и 2 сорта и новых скреплений при разрядке кустов негодных деревянных шпал на путях 3—4 классов.

Опыт массовой замены шпал, в том числе деревянных на железобетонные, с применением машин имеется на Октябрьской, Северо-Кавказской, Юго-Восточной, Приволжской, Куйбышевской и Горьковской дорогах. Остальным дорогам нужно приобрести такие машины, стоимость которых невелика, а срок окупаемости всего 1—2 года.

Таким образом, комплексный подход к повторному использованию высоконадежных элементов старогодной путевой решетки с железобетонными шпалами позволит получить наибольший эффект.

СЦБот

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

Перенес: Admin