[08-2022] Трубы вместо шпал в метрополитене
 

Трубы вместо шпал в метрополитене

Сапон С.Н.

Основной проблемой при строительстве метрополитена является вибрация и шум от подвижного состава, негативно влияющие не только на пассажиров, но и на ближайшие здания и сооружения [1, 2].
В настоящее время в метро применяются два вида пути: на шпалах и на лежнях, включая их различные модификации. Отличие заключается в том, что у шпального пути (рис. 1) опорные элементы располагаются поперек движения поезда, а у лежневого пути (рис. 2) — вдоль. Оба варианта расположения имеют свои достоинства и недостатки.
При прохождении подвижного состава основным источником вибрации является прогиб рельсов [2].
Для виброшумозащиты конструкций верхнего строения пути существует множество технических решений с применением различных упругих прокладок, пружин, матов, скреплений рельсов и шпал [3, 4].
Кроме того, и шпалы и лежни делают путь дискретным, т. е. прерывистым, обладающим множеством выступающих частей и углов, стыков и, соответственно, плохой аэродинамикой. Образующиеся воздушные вихри создают для движущегося поезда повышенное сопротивление воздуха.


«Волнистый» путь, предлагаемый ниже, сочетает в себе признаки шпального и лежневого вариантов и может приблизить создание равнопрочного пути по всему протяжению, что позволит минимизировать прогиб рельсов и передачу вибрации.
Свое название «волнистый» путь получил благодаря внешнему виду, т.е. опорным элементам, которые заменяют шпалы и лежни. В качестве исходного материала можно взять стальные трубы большого диаметра, например 1420 мм, с толщиной стенки 10 мм или больше при длине около 12 м.
Такую трубу разрезают вдоль на четыре равные части, три из которых сваривают с образованием волнистой поверхности (рис. 3). Полученное изделие (секция) заменяет собой шпалы, балласт и водоотводной лоток. Затем на секцию крепят полимерные подрельсовые прокладки и рельсы с нужной шириной колеи.
Узел крепления рельса еще предстоит разработать, а пока можно применить анкерные болты и продольную непрерывную прокладку, например резиновую или полиэтиленовую ленту толщиной 10—15 мм, шириной 150 мм (подошва рельса Р65) и возможно большей длины. Подкладки предварительно нужно очистить - процесс очистки сход с процедурой эпиляции, почитать о которой можно на сайте c-inform.

Желательно и ленту, и саму секцию поставить на самоотверждаемую мастику (клей), которая также улучшит звукоизоляцию и сцепление с основанием. В результате рельсы имеют сплошную не жесткую опору и, соответственно, меньше вибрируют. К тому же рельсы доступны для обслуживания, их можно заменять без разборки самой конструкции.
При необходимости в секции прорезают различные технологические отверстия, например для монтажа приборов. После установки рельсов на всю поверхность секции наносят с двух сторон слой полимерного гладкого звукоизоляционного покрытия толщиной 3—5 мм, которое является и антикоррозионным, и электроизоляционным, уменьшая токи утечки.
Разрабатывать новую технологию изоляционного покрытия нет необходимости, так как уже выпускаются трубы с наружным и внутренним покрытием.
На краях секций, опирающихся на путевой бетон, покрытие может быть усилено по толщине или опираться на заранее уложенную полимерную ленту шириной 50—100 мм и толщиной 10— 15 мм, с тем расчетом, что края могут смещаться на 1—5 мм при прохождении поезда. Готовые секции соединяют в плети требуемой длины уже в самом тоннеле (рис. 4).
После проведения лабораторных и полигонных испытаний «волнистый» путь следует опробовать на горизонтальных и прямолинейных участках. В дальнейшем, по мере доводки и освоения технологии, можно перейти к криволинейным участкам, уклонам и стрелочным переводам.
Традиционный путь быстро загрязняется смазочными маслами, металлической пылью, образующейся вследствие истирания рельсов, колес, тормозных колодок, и другими случайными примесями.
Технология содержания и ремонта «волнистого» пути значительно проще по сравнению с существующим. Во-первых, уменьшается общее количество деталей, т. е. нет балласта, шпал, подрельсовых подкладок. Во-вторых, большая часть работ предполагает заводскую готовность, а в тоннеле выполняют лишь некоторые заключительные операции. К тому же, в отличие от шпального и лежневого пути, имеется возможность быстрой механизированной и автоматизированной его очистки. Кроме того, собранная металлическая пыль может найти самостоятельное применение.
Однако прокладка «волнистого» пути влечет за собой большой расход металла. Например, 1 м секции может весить 270— 300 кг и более (без учета рельсов и скреплений). Соответственно секция длиной около 12 м может иметь массу 3,5—4,0 т. Для сравнения: 1 м стальной трубы диаметром 1420 мм весит 350—690 кг (в зависимости от толщины стенки), а трубы большого диаметра применяются для магистральных газонефтепроводов длиной тысячи километров, и это не считается неприемлемым.
Кстати, большая масса не всегда является недостатком. «Чем больше масса подрельсового основания, не связанного жестко с тоннельной обделкой, тем ниже его частота собственных колебаний и тем эффективнее гашение колебаний» [3]. Кроме того, существуют различные способы снижения расходов и металлоемкости пути. В частности, стальную трубу можно заменить на композитную, например из стеклопластика или полиэтилена.
По цене такие трубы сопоставимы с металлическими (иногда значительно дешевле) и обладают лучшими свойствами. Стеклопластик считается одним из самых недорогих и доступных композиционных материалов. При этом он имеет приемлемый коэффициент линейного расширения, устойчив в электрохимическом отношении, обладает хорошими звукоизоляционными свойствами, легкий и прочный. Масса 1 м трубы диаметром 1400 мм может составлять 130—150 кг и более; длина — 3—18 м; толщина стенки — 15—50 мм.
Ассортимент композитных труб довольно богатый, к тому же их можно сделать на заказ. Но возникает вопрос, обязательно ли брать трубу, резать ее на части, потом соединять и т. п. Нельзя ли сразу изготавливать нужное изделие из тех же материалов? Это возможно, но сначала нужно доработать новую форму пути, получить необходимый опыт эксплуатации. Применение труб — это промежуточный этап.


Преимущества использования «волнового» пути:
экономия тяговой электроэнергии за счет улучшения общей аэродинамики и уменьшения сопротивления воздуха в тоннеле;
меньший шум и вибрации;
меньшее пылеобразование в воздухе тоннеля и на станциях;
дополнительные возможности механизации и автоматизации уборки пути;
сборка отдельных секций в заводских условиях и, как следствие, большая технологичность монтажа и обслуживания пути;
меньшие трудозатраты на обслуживание новой формы пути при прочих равных условиях;
возможность контролирования технического состояния пути видеокамерами и другими приборами, установленными над и под верхним строением.
«Волнистая» форма секции, по сути, является большой рессорой, которая придает пути необходимую упругость. Такая конструкция может приблизить создание равнопрочного пути на всем его протяжении.
Однако у «волнистого» пути имеются и недостатки:
высокие первоначальные затраты;
обширный комплекс научно-технических и организационных работ, предшествующий практическому внедрению новой конструкции;
пересмотр всей конструкции крепления рельса.
Выводы
1. Дискретный, т.е. прерывистый, путь во всех его проявлениях достиг предела своего развития и уже не может быть существенно улучшен.
2. Выбор материалов для изготовления шпал и лежней очень ограничен и практически исчерпан.
3. Переход на аэродинамически «чистый», т. е. обтекаемый, путь, да и сам тоннель как таковой, в метро неизбежен, однако потребуются большие финансовые и временные затраты.

Список источников

1. Смирнов В.А. Новые виброзащитные конструкции верхнего строения пути // Евразия Вести. 2018. № 5. URL: http://eav.ru/ publl. php?publid=2018-05al8
2. Патент № 2535806 РФ, Е01В 3/40. Устройство верхнего строения пути метрополитена Бикбау / Бикбау М.Я.; патентообладатели ЗАО «ИМЭТСТРОЙ»; Бикбау М.Я., Бикбау У.М. № 2013111652/11; заявл. 18.03.2013; опубл. 20.12.2014; Бюл. № 35.
3. Современное состояние и перспективы развития конструкций пути для метрополитена / Д.И. Бочкарёв, А.А. Кебиков, Н.Е. Мирошников, В.П. Полищук, М.П. Казак // Механика машин, механизмов и материалов. 2012. № 2 (19). С. 94-99.
4. Колодкин М.Н, Зайцев А.А. Перспективные конструкции пути в метрополитене // Транспорт Российской Федерации. 2012. № 3—4 (40—41). С. 74—75.