Admin

О нормативах на прокладки рельсовых скреплений

ЕРМАКОВ В.М., управляющий директор ООО НПП «АпАТэК», докт. техн, наук, ЛЕВИНЗОН М.А., научный руководитель ООО «ИЦ ВЭИП», докт. техн, наук

Прокладки рельсовых скреплений (далее — прокладки) являются важнейшим элементом верхнего строения пути, обеспечивающим в летних условиях около 50 % вертикальной податливости рельса под воздействием поездной нагрузки, а зимой, при смерзшихся балласте и верхней части земляного полотна, — практически все 100 %.
В свою очередь упругая осадка рельса под колесом определяет уровень динамической добавки к статической вертикальной силе воздействия колес на рельсы. При этом на величину динамической добавки существенное влияние оказывает размер неровностей на колесах и рельсах. А от суммарной вертикальной силы на контакте колеса и рельса (статическая осевая нагрузка плюс динамическая добавка) напрямую зависит интенсивность целого ряда деградационных процессов:

• образования контактно-усталостных (поверхностных и внутренних) дефектов в рельсах;
• изнашивания и смятия прокладок;
• образования дефектов железобетонных шпал (трещин в подрельсовой зоне и средней части);
• истирания и излома щебенок с развитием отступлений в геометрии рельсовой колеи (просадки, перекосы);
• проявления остаточных деформаций основной площадки земляного полотна.

Кроме того, повышенные динамические силы на контакте колеса и рельса по принципу противодействия передаются от колеса вверх на систему подвешивания тележек подвижного состава, приводя к повышенному износу ходовых частей экипажей.
При этом важно не только обеспечить некую оптимальную величину упругой осадки рельса под колесом для конкретных условий эксплуатации, но и ее стабильность («одинаковость») по длине пути. Если величина упругой осадки рельса будет периодически меняться с шагом в несколько метров, а это возможно, если укладывать прокладки с разной жесткостью в пределах допуска, то появляется еще одна динамическая добавка, увеличивающая суммарную вертикальную силу от колеса на рельс и все верхнее строение пути, а также земляное полотно. Эти негативные явления повышают силы сопротивления движению и расходы на тягу поездов.
Таким образом, можно перечислить ключевые служебные характеристики прокладок, которые должны быть нормированы:
1) оптимальная величина динамической вертикальной жесткости для конкретных условий эксплуатации;
2) минимальный разброс жесткости для каждой партии прокладок, предназначенных для конкретных условий эксплуатации;
3) минимальное варьирование жесткости при изменении температуры, в особенности в зимних условиях, когда вся упругость пути обеспечивается только прокладками.
Проанализируем действующий ГОСТ 34078—2017 «Прокладки рельсовых скреплений железнодорожного пути» [1] на предмет обеспечения перечисленных служебных свойств этого важного элемента верхнего строения. При этом речь будет идти только о прокладках для железобетонных шпал.
Классификация прокладок включает их дифференциацию по долговечности (700 млн т брутто пропущенного тоннажа для обычных прокладок, 1,1 млрд т — для прокладок повышенной долговечности) и по климату (I категория — от -40 до +60 °C, II — от -60 до +60 °C). Но при этом для всех прокладок установлен один диапазон статической жесткости — 50—150 МН/м. Получается, что при любых условиях эксплуатации (тяжеловесное, пассажирское, скоростное и высокоскоростное движение) прокладки могут иметь жесткость в указанном диапазоне. При этом не исключена ситуация (например, при частичной замене прокладок при текущем содержании), когда на соседних шпалах окажутся изделия со значениями статической жесткости, отличающимися в 3 раза.
Далее рассмотрим вопрос обеспечения упругости пути и минимизации динамической добавки вертикальных сил в зимних условиях при смерзшихся балласте и земляном полотне. Коэффициент изменения статической жесткости — отношение значений статической жесткости при температурах -40 °C и +(23±2) °C — может достигать 4. Это означает, что статическая жесткость, равная 150 МН/м летом при +23 °C, может возрасти в 4 раза и составить 600 МН/м зимой при -40 °C.
Кроме этого, коэффициент жесткости — отношение динамической жесткости при определенной температуре к статической при той же температуре — может изменяться от 1 до 6,1. В результате при первоначальном значении 150 МН/м жесткость может с учетом коэффициентов 4 и 6,1 достигнуть 3660 МН/м, или стать в 24,4 раза больше.



В настоящее время указанный ГОСТ 34078—2017 пересматривается, и в первой редакции нового документа предложено вообще исключить коэффициент изменения статической жесткости, который, как отмечено выше, допускает увеличение статической жесткости при -40 °C в 4 раза. Тогда при отсутствии ограничений статическая жесткость может возрасти, например, в 10 раз, а динамическая — в 61 раз.
Оценим, как изменяется силовое взаимодействие пути и подвижного состава при различных вариантах жесткости прокладок в летних и зимних условиях. Расчеты выполнены двумя методами:
по Методике оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения надежности, утвержденной Распоряжением ОАО «РЖД» от 22.12.2017 № 2706/р [2] (далее - ПРПП);
с использованием программного комплекса «Воздействие экипажа на путь при пространственных колебаниях подвижного состава» [3] (далее — ВЭИП).


Вычисления проводили для жесткостей прокладок 150 МН/м (летние условия) и 1200, 3600 МН/м (зима). При расчетах обоими методами определяли вертикальные силы на контакте колеса и рельса, вертикальные силы давления на подрельсовые прокладки и шпалы, напряжения в балласте (табл. 1).
Оценим полученные результаты, которые по обоим методам оказались весьма близкими. Вертикальные силы с ростом жесткости прокладок в 8 раз (со 150 до 1200 МН/м) увеличиваются незначительно — в среднем в 1,1 раза, зато при росте жесткости прокладок в 24 раза (до 3600 МН/м) они повышаются уже заметно — в 1,4 раза. Вертикальные силы на контакте колеса и рельса определяют уровень контактных напряжений на поверхности катания головки рельса и, как следствие, интенсивность развития поверхностных и внутренних контактно-усталостных дефектов. При высокой доле изъятия на сети ОАО «РЖД» рельсов по этим дефектам (на уровне 70 % от общего изъятия дефектных и остродефектных рельсов) возможность снизить интенсивность поверхностных повреждений оптимизацией жесткости прокладок представляется просто необходимой.
Вертикальные силы давления на подрельсовые прокладки и шпалы при увеличении жесткости прокладок до 1200 и 3600 МН/м растут еще более значительно — в 2,3 и 3 раза соответственно, что повышает уровень их напряженно-деформированного состояния и снижает срок службы.
Напряжения в балласте также увеличиваются в 2—3 раза, что приводит к ускоренному истиранию и излому щебенок, загрязнению балластной призмы, выплескам и просадкам.


Дополнительные расходы путевого хозяйства от вышеприведенного роста силового воздействия на элементы верхнего строения при росте жесткости прокладок требуют отдельного исследования.
В первой редакции пересматриваемого ГОСТ 34078— 2017 вводится дифференциация жесткостей прокладок. Для участков высокоскоростного движения на шпало-балластном основании предлагается жесткость в интервале 23—100 МН/м (разброс в 4,3 раза!), а для прокладок повышенной долговечности со сроком службы 2,5 млрд т брутто, которые, видимо, предназначены для особо грузонапряженных участков, предлагается жесткость в интервале 80—250 МН/м (разброс в 3,1 раза). Однако такие предложения представляются ошибочными на основании следующих фактов и выводов.
На участках высокоскоростного движения обращаются поезда с малыми осевыми нагрузками и высоким качеством ходовых частей. В итоге поверхность катания рельсов не получает больших дефектов, геометрия рельсовой колеи не имеет значительных отступлений. Здесь динамические добавки и суммарные силы значительно меньше, чем на участках грузового движения. Поэтому для высокоскоростного (а также преимущественно пассажирского, пригородного движения) следует применять более жесткие прокладки, чем для грузового движения. Это также понизит силы сопротивления движению скоростных и высокоскоростных поездов.
И наоборот, на участках тяжеловесного грузового движения с дефектами на поверхностях катания колес и рельсов, отступлениями в геометрии рельсовой колеи, малым уровнем демпфирования тележками грузовых вагонов динамические добавки и суммарные силы взаимодействия колес и рельсов достигают больших значений. И здесь нужны более мягкие прокладки.
Вышеуказанное предложение разработчиков изменений в ГОСТ 34078—2017 по увеличению жесткости прокладок для тяжеловесного движения, видимо, продиктовано стремлением повысить срок их службы до 2,5 млрд т брутто. Но при этом упущено ключевое свойство этого элемента пути — для условий тяжеловесного движения жесткость прокладок необходимо уменьшать (а не увеличивать) с целью снижения интенсивности дефектообразования в элементах верхнего строения пути и расстройства геометрии рельсовой колеи. Поэтому выбор прокладок по критерию наибольшего срока службы в ущерб главному показателю — оптимальной жесткости — является, как доказывают вышеприведенные расчеты, вредным для путевого хозяйства.


Дифференциация жесткости прокладок в зависимости от условий эксплуатации давно реализована в Евронормах. Причем коридор разброса жесткости для прокладок конкретного исполнения составляет всего 10—20 МН/м, тогда как в отечественных нормативах — 100 МН/м или 3-4 раза.
Зачастую можно услышать от производителей прокладок, что современные материалы не позволяют обеспечить минимальный прирост жесткости при понижении температуры. В табл. 2 представлены значения жесткости подрельсовых прокладок из материала EPDM для безбалластного пути, при которых при температуре -20 и -35 °C статическая жесткость Cstat увеличивается в 1,3 и 1,54 раза по сравнению с летними условиями (Т = +23 °C), а динамическая жесткость Cdyn по отношению к статической при этих температурах — в 1,14 и 2,22 раза. Итого суммарное увеличение динамической жесткости по отношению к статической при температуре +23 °C составит при -20 и -35 °C соответственно 1,5 и 3,4 раза, что значительно ниже, чем 24,4 раза — допускаемого значения для -40 °C в ГОСТ 34078-2017.
Представляется целесообразным также зафиксировать в отечественных нормативах значения статической и динамической жесткостей не только при -40 °C, но при -20 °C. Дело в том, что температуры под -40 °C — достаточно редкое явление, и их продолжительность даже на дорогах Восточного полигона весьма мала. А на большинстве железных дорог сети ОАО «РЖД» таких температур практически не бывает. Поэтому следует выпускать прокладки из материалов, обеспечивающих, в первую очередь, минимальное увеличение жесткости при -20 °C и уже во вторую — при -40 °C.
С учетом изложенного в рамках обсуждения подготавливаемых изменений в ГОСТ 34078—2017 авторы настоящей статьи предлагают следующее.

• 1. Ввести классификацию прокладок в зависимости от вида движения: высокоскоростного (на шпалах и балласте) и преимущественно пассажирского (пригородного), особо грузонапряженного, смешанного. Отдельно стоит выделить прокладки для регионов с продолжительными особо низкими температурами.
• 2. Для каждых условий эксплуатации установить оптимальную жесткость с минимальным ее разбросом. Например (в последовательности условий, приведенных в и. 1): 120-150; 50-80; 80-120 и 40-60 МН/м.
• 3. Коэффициент изменения статической жесткости при -20 °C не должен превышать 1,5, при -40 °C — 3.
• 4. Коэффициент жесткости должен иметь подобные ограничения: при -20 °C — не более 1,5, при -40 °C — не более 3.

Список источников

1. ГОСТ 34078—2017 Прокладки рельсовых скреплений железнодорожного пути. Технические условия. Введ. 01.01.2018. М.: Стандартинформ, 2019.
2. Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения надежности, утвержденная Распоряжением ОАО «РЖД» от 22.12.2017 № 2706/р. Доступ через СПС «КонсультантПлюс».
3. Воздействие экипажа на путь при пространственных колебаниях подвижного состава / А.Я. Коган, И.О. Войтов, М.А. Левинзон, В.М. Гаврилов, А.Л. Перельштейн // Информационный бюллетень ВНТИЦентр ГОСФАП, № 4/67, М, 1985, 40 с.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК