Admin

Прогиб рельса под поездной нагрузкой при безбалластной конструкции пути

ПЕТРОВ А.В., ООО «ГРУППА ОТР», технический директор,
ГУСАРОВ О.А., ООО «ГРУППА ОТР», генеральный директор, САВИН А.В., Российский университет транспорта (МИИТ), докт. техн, наук

Аннотация. Для реализации проекта высокоскоростной магистрали Москва—Санкт-Петербург, который предусматривает строительство безбалластного участка пути, необходимо разработать требования к характеристикам упругих рельсовых скреплений. В статье рассмотрен наиболее простой метод моделирования прогиба рельса при безбалластной конструкции пути. На основе теоретических и экспериментальных исследований, а также результатов моделирования сформированы требования к характеристикам упругих рельсовых скреплений для отечественных условий эксплуатации.
Ключевые слова: прогиб рельса, рельсовые скрепления, математическая модель прогиба рельса, безбалластный путь, жесткость узла рельсового скрепления, статическая жесткость, динамическая жесткость.

Для комфортного и плавного хода высокоскоростного подвижного состава по безбалластному пути необходимо обеспечить равномерное распределение поездной нагрузки на нижние структурные слои. Заданная распределенная нагрузка должна гарантировать многолетнюю эксплуатацию рельса без перенапряжений и изломов. С этой точки зрения для безбалластного полотна необходим относительно большой прогиб рельса, который позволит выполнить заданное условие не в ущерб надежности [1]. На практике подтверждено, что для монолитной и/или плитной безбалластной конструкции пути основные упругие свойства опорного слоя приходится формировать в узлах рельсового скрепления [2]. В результате упругость эластичной прокладки скрепления формирует до 90 % всей упругости безбалластной конструкции.
Зарубежные источники справочно указывают, что целевым показателем прогиба рельса для безбалластного полотна является 1,2—1,5 мм [3, 4]. Необходимо понимать, что данные значения носят рекомендательный характер, и для каждого частного случая определяются, исходя из ряда вводных параметров. Для российских реалий с практической точки зрения необходимо оперировать экспериментально полученными данными в условиях действующего пути, что не всегда выполнимо. К сожалению, в настоящее время на сети ОАО «РЖД» не представляется возможным провести полноценные эксперименты по определению прогибов рельса на безбалластном пути под воздействием динамической нагрузки от высокоскоростного подвижного состава. По этой причине целесообразно для этой цели использовать математические модели, имитирующие процесс взаимодействия пути и поезда. Для безбалластного полотна наиболее подходит модель Винклера-Циммерманна [5], где рельс представлен в виде балки на модифицированном основании Винклера. Применительно к нашим условиям эксплуатации также необходимо учитывать воздействие низких температур на упругие свойства узлов скреплений [6]. Таким образом, математическая модель определения прогиба рельса под поездной нагрузкой для безбалластного верхнего строения пути представляет собой систему уравнений.
Первоначально определяется так называемая упруго работающая длина рельса по следующей формуле:



течение около 10 лет при интенсивном движении.
Взяв за основу условия, аналогичные экспериментальным, было выполнено моделирование прогиба рельса под воздействием поездной нагрузки (рис. 3). Расчет провели в два этапа. Первоначально определяли прогибы рельса при статическом нагружении, а затем с помощью перемножения их на динамические коэффициенты получали динамические прогибы. При этом динамические коэффициенты зависели от типа подвижного состава (грузовой или пассажирский), а также скорости движения поезда. Согласно моделированию максимальный статический прогиб рельса под колесами тележек составил для заданных условий 1,57 мм, а динамический —
1,47 мм. Эти значения показали высокую сходимость с результатами натурных измерений 94,8 %.
Понятно, что тот или иной результат вычислений зависит от принятых коэффициентов, поэтому их выбор имеет для расчета чрезвычайно важное, а зачастую даже решающее значение. Ведь на основе полученных численных значений формируются лимиты или «пределы» — предельно допустимые нормы прогибов. По этой причине для российских условий эксплуатации необходимо провести серию экспериментов на действующем пути при различном подвижном составе и различных скоростях, и только после этого можно говорить о требованиях, которые должны лечь в основу нормативов. Но эти документы пока не созданы. В таком случае, на какой целевой прогиб рельса следует ориентироваться проектировщикам безбалластного верхнего строения пути для высокоскоростной магистрали Москва— Санкт-Петербург?


Рассмотрим основные характеристики конструктивных элементов безбалластного полотна, которые принимаются в качестве расчетных зарубежными коллегами. Немецкие специалисты для высокоскоростного движения и безбал-ластной конструкции пути установили целевой показатель прогиба рельса в 1,5 мм [3]. При этом базовыми элементами является рельс UIC 60, расстояние между опорами 650 мм, статическая жесткость узлов скрепления 22,5 кН/мм для осевых нагрузок 18 тс. Китайские железнодорожники принимают в расчет рельс массой не менее 60 кг/м, расстояние между опорами не более 650 мм, статическая жесткость эластичной прокладки скрепления должна находиться в диапазоне от 20 до 30 кН/мм. Все расчеты по умолчанию рассматриваются для условий комнатной температуры 23 °C. Результаты моделирования показывают, что прогиб рельса для немецких параметров составляет 1,36 мм, для китайских [4] — 1,04—1,56 мм.
Специалисты Росжелдорпроекта при проектировании высокоскоростной магистрали Москва—Санкт-Петербург рассчитали, что для оптимальных температурных режимов работы рельса Р65 рекомендуется установка узлов скреплений на расстоянии не более 550 мм. Принимая во внимание успешный китайский опыт и результаты эксплуатации без-балластной конструкции на Экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ», следует предварительно рассмотреть целевой прогиб рельса в диапазоне от 1,0 до 1,5 мм. Для заданных условий выполним расчеты согласно математической модели. Результаты моделирования представлены на рис. 4.
Исходя из результатов моделирования, можно сформулировать следующий вывод: для высокоскоростной магистрали Москва—Санкт-Петербург следует предусмотреть в проектной документации диапазон жесткости узлов рельсовых скреплений в пределах от 16 до 27 кН/мм.

Список источников

1. Eisenmann J., Leykauf G. Feste Fahrbahn fur Schienenbahnen. Berlin : Ernst, 2000. 36 S.
2. Петров А.В., Михайлов С.В., Савин А.В. Жесткость рельсовых скреплений безбалластной конструкции пути // Путь и путевое хозяйство. 2022. № 1. С. 8—10.
3. Feste Fahrbahn in Betonbauweise / S. Freudenstein, K. Geisler, T. Multer, M. MiHler, Ch. Stolz // Beton-Kalender 2015 : Schwerpunkt: Bauen im Bestand, Вгьскеп. 2015. S. 529—584, 2015. DOI: 10.1002/9783433603406.chlO.
4. TB/T 3395.1-2015. Скрепления для высокоскоростных железных дорог. Часть 1. Общие технические условия. Введ. 01.02.2016. 2015. (Отраслевой стандарт железных дорог КНР).
5. Eisenmann J. Die Schiene als Tragbalken // Eisenbahningenieur. 2004. № 5 (55). S. 22-25.
6. Петров А.В. Влияние температур на упругие характеристики рельсовых скреплений безбалластного верхнего строения пути // Транспортное строительство : сборник статей второй всероссийской научно-технической конференции. М.: Перо, 2021. С. 215-221.
7. Петров А.В., Савин А.В., Лебедев А.В. Рельсовые скрепления безбалластных конструкций пути на экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ» // Путь и путевое хозяйство. 2015. № 12. С. 2-5.
8. Савин А.В., Петров А.В., Третьяков К.И. Испытания безбалластных конструкций пути // Вестник Института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. 2016. № 2 (34). С. 46-56.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК