Ревякин А.А. Изыскания и проектиров. ж.д. Учеб. пособ. 2017

Минимальные углы поворота. При малых углах поворота и соответственно коротких кривых необходимо проверить возможность устройства переходных кривых.

Минимальную длину участка круговой кривой Kmin между точками НКК и ККК рекомендуют принимать равной наибольшей полной колесной базе экипажа, т.е. около 20 м.

Если алгебраическая разность уклонов отводов возвышения наружного рельса переходных кривых, примыкающих одна к другой, не превышает указанных ранее максимально допустимых уклонов отвода возвышения наружного рельса для каждой переходной кривой, то можно принять

Kmin = 0.

Смежные кривые – близко расположенные один от другого криволинейные участки железнодорожного пути, каждый из которых влияет на условия движения поездов по смежному участку. Различают динамически зависимые кривые, расстояние между которыми меньше длины, потребной для затухания поперечных и вертикальных колебаний вагона, вышедшего из кривой на прямой участок пути; зависимые кривые по режиму движения поезда, расстояние между которыми меньше необходимого для разгона поезда по выходе из предыдущей кривой или для торможения его перед следующей кривой (при определении допускаемых скоростей эти кривые рассматриваются совместно); геометрические зависимые кривые, расстояние между которыми меньше длины вагона.

Для обеспечения плавности движения поездов между зависимыми кривыми устраивают прямые вставки d (рис. 4.1), протяжённость которых зависит от скорости движения поездов, числа периодов затухания колебаний вагонов (принимается обычно 2…3) и собственной частоты колебаний

(1,5…3 Гц).

а

б

Рис. 4.1. Зависимые кривые:

а – направленные в одну сторону; б – направленные в разные стороны (обратные кривые)

101

Как правило, между зависимыми кривыми, направленными в одну сторону, прямые вставки устраивают большей длины, чем между зависимыми кривыми, направленными в разные стороны (обратные кривые). На отечественных железных дорогах наименьшие длины прямых вставок составляют 150 м при скоростях движения поездов до 200 км/ч; в трудных условиях на железных дорогах местного значения и подъездных путях длины вставок уменьшают до 30 м. В стеснённых условиях трассирования новых железных дорог местного значения, а также на реконструируемых существующих железных дорог и вторых путях допускается сопрягать без прямых вставок обратные кривые, а на подъездных путях при малых скоростях движения – также кривые, направленные в одну сторону. На ряде зарубежных железных дорог (Великобритания, Германия, Австрия и др.) в условиях, когда между зависимыми кривыми нельзя устроить прямую вставку необходимой длины, для обеспечения большей плавности движения поездов переходные кривые удлиняют, сопрягая их без прямой вставки.

4.2 Продольный профиль путей

Уклоны элементов продольного профиля на железных дорогах измеряются в промилле (‰). В практике проектирования и эксплуатации дорог эту единицу называют «тысячная». Величина уклона в тысячных представляет собой отношение разности отметок по концам элемента профиля в метрах к горизонтальной проекции его длины в километрах. Иначе уклон элемента i в тысячных выражает тангенс угла наклона а элемента профиля к горизонту: i = 103 tg а.

Горизонтальный элемент профиля (i = 0) называют площадкой, границу смежных элементов – переломом профиля, расстояние между смежными переломами – длиной элемента.

Наиболее крутые уклоны на железных дорогах СССР не превышали 40 ‰; только на линии Риони – Кутаиси – Ткибули (Закавказье) имеются уклоны до 47 ‰. На горных железных дорогах мира применены уклоны 90 ‰ (Франция, Гватемала), 125 ‰ (Япония), а на зубчатых дорогах (Швейцария) – 250 ‰ и круче.

При проектировании железных дорог различают ограничивающие уклоны, определяющие наибольшую допускаемую крутизну элементов профиля: руководящий уклон iР, уравновешенный уклон iyp, уклон усиленной тяги iy, инерционный уклон iии. Спуски подразделяют на вредные iB и безвредные iбв. Кроме того, в расчетах используют средний уклон icp; уклон, эквивалентный дополнительному сопротивлению от кривой iЭК; приведенный уклон iк.

Руководящий уклон. Руководящим уклоном ip называется наибольший уклон неограниченного протяжения, на котором при движении на подъем грузового поезда расчетной массы с принятым на данной линии

102

типом локомотива (одно-, двухили многосекционным) скорость поезда устанавливается равной расчетной для данного типа локомотива.

От крутизны руководящего уклона зависят длина линии, объемы строительных работ и эксплуатационные показатели. Чем круче руководящий уклон, тем короче может быть трасса железной дороги на участках преодоления высотных препятствий, а следовательно, меньше строительная стоимость дороги.

При данных типе и числе секций локомотива величина ip определяет массу состава Q. Если масса состава на проектируемой линии устанавливается по условиям унификации с массой состава на линиях примыкания, то от величины руководящего уклона зависит потребная суммарная мощность секций локомотива и их расчетная сила тяги. Зависимость Fк(р) можно получить из условия равномерного движения поезда на руководящем подъеме:

Fк ( р) ω0 iр Р Q g .

Руководящий уклон выбирают при проектировании железной дороги с учетом рельефа района проектирования и размеров перевозок во взаимосвязи с выбором типа локомотива и полезной длины приемоотправочных путей, которая определяет наибольшую возможную массу состава при соответствующей погонной массе вагонов, а также в увязке с нормами массы составов, длиной приемоотправочных путей и руководящими уклонами примыкающих железных дорог.

Чем сложнее рельеф местности, тем целесообразно выбрать более крутой руководящий уклон, позволяющий уменьшить длину трассы и объемы строительных работ. С другой стороны, чем больше расчетная грузонапряженность, тем эффективнее большие массы поездов. При этом могут быть экономичнее более пологие руководящие уклоны, позволяющие использовать для вождения составов данной массы менее мощные локомотивы.

Выбор наивыгоднейшего руководящего уклона производится на основе технико-экономических расчетов. При этом обязательно рассматривают вариант, унифицирующий массу составов на проектируемой линии и линиях примыкания. Унификация массы составов может быть обеспечена за счет соответствующего подбора крутизны руководящего уклона и типа локомотива.

При проектировании железной дороги большого протяжения, пролегающей в районах с различными топографическими условиями, при соответствующем обосновании могут быть приняты различные руководящие уклоны на разных участках обращения локомотивов. На участках с более пологими руководящими уклонами используются локомотивы меньшей мощности, а на участках с более крутыми уклонами – более мощные (с большим числом секций) локомотивы при сохранении унифицированной

103

массы составов на всем протяжении линии. Наибольшая величина руководящего уклона определяется условиями ограничения массы состава и скорости движения поездов на спусках.

Современные электровозы и тепловозы можно использовать в количестве нескольких секций, размещенных не только в голове, но и в хвосте или в последней трети состава грузового поезда. При этом даже на достаточно крутых руководящих подъемах (14…15 ‰) можно водить поезда массой 12…14 тыс. т и более. Однако по условиям ограничения продольных сжимающих усилий в поезде при торможении приходится ограничивать крутизну спусков. Так, в настоящее время инструкция по вождению поездов повышенных массы и длины предусматривает, что вождение поездов массой более 6 тыс. т (до 16 тыс. т) допускается на железных дорогах, где затяжные спуски не превышают 12 ‰.

С целью обеспечения расчетного пути при экстренном торможении наибольшую допускаемую скорость на спуске снижают по мере увеличения крутизны уклона.

С учетом вышеуказанных положений [4] на особогрузонапряженных железных дорогах наибольшая крутизна руководящего уклона ограничивается значением 9 ‰, что позволит при соответствующей длине станционных путей водить многосекционными локомотивами поезда массой до 16 тыс. т с достаточно высокой скоростью. На железных дорогах c меньшей грузонапряженности допускаются более крутые руководящие уклоны: 12, 15, 20 и 30 ‰ соответственно – на дорогах I, II, III и IV категорий. И лишь на подъездных путях IV категории в особо трудных условиях допускается применять руководящий уклон до 40 ‰.

Расчеты, выполненные применительно к пассажирскому движению, показали, что для обеспечения максимальных скоростей до 200 км/ч при электрической тяге значения руководящего уклона могут достигать 20 ‰. Такое наибольшее значение руководящего уклона допускается нормами проектирования на скоростных железнодорожных магистралях, где приведенная грузонапряженность не превышает грузонапряженность, установленную для железных дорог III категории.

Наименьшее значение руководящего уклона определяется условием трогания с места поездов расчетной массы на остановочных пунктах. При очень пологом руководящем уклоне масса состава Q по условию равномерного движения на руководящем подъеме могла бы превысить наибольшую массу состава QTр по условию трогания с места, что недопустимо. Обязательно должно быть соблюдено условие Q < QTp.

Уравновешенный уклон. На железных дорогах с резко выраженным и устойчивым в перспективе различием размеров или структуры грузопотоков по направлениям движения при соответствующем обосновании могут быть приняты различные руководящие подъемы по направлениям. В этих условиях целесообразно вначале наметить величину руководящего подъема и тип локомотива по тому направлению движения, в котором крутизна

104

подъемов оказывает наибольшее влияние на длину трассы железной дороги. Затем по величине расчет ной массы состава другого («обратного») направления QTp, p при намеченном типе локомотива следует установить наибольшую крутизну руководящего подъема в этом направлении.

Применение различных руководящих подъемов по направлениям целесообразно в тех случаях, когда в одном из направлений движения размеры грузопотока значительно меньше, чем в другом. Тогда в направлении меньшего грузопотока следует большее число порожних вагонов, расчетная масса составов принимается меньшей, чем в направлении следования большего грузопотока, и принятый в этом направлении в соответствии с меньшей массой состава более крутой руководящий подъем называется уравновешенным уклоном (при меньшей массе состава сопротивление движению «уравновешивается» более крутым подъемом).

Эффективность использования различных руководящих подъемов по направлениям значительно повышается, если направление, в котором по условиям грузопотоков может быть применен более крутой подъем, совпадает с преобладающими по крутизне подъемами местности. В этом случае применение уравновешенных уклонов может обеспечить существенное уменьшение длины и строительной стоимости линии.

При выборе различных руководящих подъемов по направлениям наибольшая крутизна спусков должна обеспечивать по условиям торможения безопасное движение поездов с достаточно высокими скоростями. Поэтому крутизна руководящих подъемов в обоих направлениях, как правило, не должна превышать значений, установленных СНиП для дорог соответствующих категорий.

Уклоны усиленной тяги. На участках преодоления сосредоточенных высотных препятствий (длиной, как правило, не менее длины перегона) с целью сокращения протяженности трассы и объемов строительных работ при соответствующем технико-экономическом обосновании могут быть приняты уклоны круче руководящего, преодолеваемые поездом расчетной массой Q с дополнительными локомотивами, размещаемыми в голове или хвосте состава. Такие уклоны называют уклонами усиленной тяги.

Поскольку масса состава при данном типе локомотива связана с величиной руководящего уклона, существует функциональная зависимость уклона кратной тяги от величины руководящего уклона линии. Анализ показывает, что при данном iр уклон кратной тяги тем меньше, чем больше отношение Pg/FK(p) и чем меньше основное удельное сопротивление движению подвижного состава. Поэтому при данном руководящем уклоне меньшая величина уклона кратной тяги оказывается при тепловозной тяге и большая – при электрической, так как у электровозов отношение меньше. Соответственно величина iр уменьшается при вагонах на роликовых подшипниках и с наибольшей массой, приходящейся на ось, у которых наименьшее удельное сопротивление движению.

Так как тип локомотива и вагонный состав на железной дороге могут

105

со временем изменяться, то для беспрепятственной эксплуатации линии величина должна определяться при таком возможном сочетании локомотивов и вагонов, которые соответствуют наименьшему значению уклона кратной тяги при данном руководящем уклоне. С учетом отмеченных положений в нормах проектирования железных дорог приведены расчетные значения уклонов при кратной тяге локомотивами одинакового типа в зависимости от величины руководящего уклона линии.

Если число или серии дополнительных локомотивов отличны от основных локомотивов в поезде, то уклон усиленной тяги наибольший. При расчете уклона по формуле в случае, если расчетные скорости локомотивов различных серий неодинаковы, следует принимать силу тяги всех локомотивов и сопротивления движению WQ и WQ при скорости, равной большей из расчетных скоростей различных локомотивов.

Для предупреждения разрыва поездов наибольшая суммарная сила тяги локомотивов, находящихся в голове поезда, определяется исходя из максимально допустимого продольного усилия на автосцепке при трогании, равного 930 кН, а при движении по руководящему подъему – 1275 кН. Для обеспечения устойчивости вагонов от выжимания продольными силами при подталкивании наибольшие значения силы тяги подталкивающих локомотивов определяют исходя из максимально допустимых продольных сжимающих сил от 490 до 2450 кН (в зависимости от числа осей вагонов и наименьшей нагрузки от оси колесной пары на рельсы U2Y). Вследствие вышеуказанных ограничений может быть недопустимой постановка дополнительных локомотивов ни в голову, ни в хвост поезда. В этом случае уклоны усиленной тяги на проектируемой линии не могут быть применены.

Инерционный уклон. Инерционным называется уклон круче руководящего, преодолеваемый при движении на подъем за счет работы силы тяги локомотива и использования кинетической энергии поезда. Такой уклон может быть применен в том случае, когда участок, предшествующий подъему iин, представляет собой спуск, на котором поезд достигает большой скорости, приобретая при этом значительную кинетическую энергию.

Опыт успешного вождения тяжеловесных составов на сети железных дорог, основанный на использовании кинетической энергии поезда, является доказательством того, что наличие инерционных уклонов на отдельных участках существующих железных дорог не создает помех бесперебойной эксплуатации линий.

Вредный и безвредный спуски. Как было показано ранее, при движении по достаточно крутому спуску поезд под действием приложенных к нему сил увеличивает скорость и при достаточной длине спуска скорость может достичь максимальной допускаемой величины, после чего во избежание ее дальнейшего увеличения необходимо прибегнуть к регулировочному торможению.

В случае торможения (за исключением рекуперативного торможения при электрической тяге) часть механической энергии поезда переходит в

106

тепловую энергию тормозных колодок, трущихся о колеса локомотивов и вагонов, или в тепловую энергию реостатов. Поэтому участки спусков, на которых применяется такое торможение, называются вредными спусками. Спуски, при движении по которым не применяется торможение, приводящее к переходу механической энергии в тепловую, называются безвредными спусками.

Наиболее точно определить, к какому из указанных относится данный спуск, можно путем построения кривой скорости v (S). Спуск может быть вредным начиная с того места, где поезд достигает необходимо торможение.

Спуск с данным уклоном может быть безвредным на всем протяжении или вредным на некоторой части в зависимости от длины элемента профиля, а также соотношения скорости подхода поезда к нему и максимальной скорости. Однако при некоторой крутизне уклона спуск будет безвредным независимо от длины элемента и скорости подхода поезда к спуску. Наибольшая крутизна спусков, являющихся безвредными на всем протяжении независимо от их длины и скорости подхода поездов к этим спускам, называется предельно безвредным уклоном.

Крутизна предельно безвредного уклона может быть определена из условия равенства сил, приложенных к поезду при его движении по спуску с максимальной скоростью в режиме холостого хода: т.е. крутизна предельно безвредного уклона численно равна основному средневзвешенному сопротивлению движению поезда в режиме холостого хода при данной максимальной скорости. Эта величина практически зависит только от типа вагонного состава и максимальной скорости движения.

Уклон будет тем больше, чем мощнее локомотив и меньше масса состава.

Средний уклон. Это уклон, определяемый между двумя точками на профиле без учета отметок промежуточных точек (в тяговых расчетах называется спрямленным уклоном). Такой уклон рассчитывается в пределах длины поезда на раздельном пункте для проверки возможности трогания поезда с места.

Длина элементов профиля и их сопряжение. При строительстве же-

лезной дороги для уменьшения объема земляных работ и по искусственным сооружениям желательно проектировать продольный профиль элементами такой длины и крутизны, чтобы проектная линия в наибольшей мере соответствовала очертанию поверхности земли по направлению трассы. В этом случае под поездом может быть несколько переломов профиля, причем разных знаков (выпуклые и вогнутые).

При движении грузового поезда по перелому профиля вследствие наличия зазоров в междувагонных соединениях в поезде могут возникать продольные силы ударного характера, влияющие на прочность элементов конструкции вагонов. В ряде случаев в поезде возникают квазистатические продольные силы, которые определяют устойчивость колесных пар ваго-

107

нов против схода с рельсов (большие растягивающие и сжимающие силы могут привести соответственно к выдергиванию или выжиманию порожних и малозагруженных вагонов из состава). В пассажирских поездах при движении по переломам профиля возникают продольные ускорения, ухудшающие комфортность поездки.

Всвязи с этим, проектируя продольный профиль пути, желательно уменьшать число переломов профиля, назначая элементы возможно большей длины. Когда же приходится устраивать перелом профиля, то для обеспечения прочности и устойчивости вагонов, создания комфортных условий для пассажиров элементы продольного профиля должны сопрягаться кривой, радиус которой R в зависимости от длины и массы состава, числа локомотивов в поезде и их размещения в составе, а также скорости движения поездов может достигать десятков тысяч метров.

Устройство пути в профиле по кривой такого радиуса считается затруднительным как при строительстве, так и в эксплуатации, поэтому вме-

сто указанной кривой, сопрягающей уклоны i1 и i2, применяют описанный многоугольник. В результате вместо перелома профиля в точке А возникает несколько локальных переломов. Стороны описанного многоугольника называют элементами переходной крутизны и разделительной площадкой (при i = 0). Длина элемента профиля между локальными переломами и разность уклонов смежных элементов взаимосвязаны и зависят от радиуса сопрягающей кривой R.

Расчетами установлено, что в большинстве случаев при длине стороны описанного многоугольника, не превышающей 350…400 м, продольные силы в поезде при движении по профилю ломаного очертания практически не будут превышать сил, возникающих в поезде, движущемся по сопрягающей кривой. Поэтому нормы проектирования железных дорог в соответствии с установленными значениями радиусов сопрягающих кривых указывают при нормируемой длине элементов профиля от 200 до 400 м наибольшую алгебраическую разность уклонов смежных элементов. Эти нормы установлены в зависимости от категории линии, определяющей максимальную скорость движения поездов, и полезной длины приемоотправочных путей, которая определяет наибольшую длину поездов и, следовательно, их массу.

Если разность уклонов смежных элементов меньше нормируемого значения i, то длины элементов также могут быть меньше нормируемого значения lн. При незначительной разности уклонов (1…2 ‰) длины элементов оказываются весьма малыми и описанный многоугольник близок к исходной сопрягающей кривой.

Втаких случаях наименьшую длину элемента профиля ограничива-

ют длиной рельса 25 м. При разности уклонов смежных элементов i > 2…5 ‰ на локальных переломах профиля устраивают вертикальные кривые радиус RB. Их назначение – предотвратить саморасцеп автосцепок смежных вагонов поезда при прохождении их через перелом продольного

108

профиля пути и обеспечить комфортные условия езды пассажиров посредством ограничения значений вертикальных ускорений.

Для предотвращения саморасцепа вагонов угол α наклона автосцепки к продольной оси вагона не должен превышать допускаемого значения. При длине кривой, превышающей длину экипажа, угол α, рад, с достаточной точностью можно определить по формуле

α = 2 ,

где L – длина экипажа по осям автосцепок.

Допускаемое значение угла α зависит от конструкции соединения автосцепки с кузовом вагона. Ограничивающей является конструкция жесткого опирания автосцепки на центрирующую балочку маятниковой подвески. В этом случае для выпуклого перелома профиля угол α не должен превышать 0,01 рад. Для вогнутого перелома профиля допускаемое значение угла α определяется размером окна буферного бруса и составляет около 0,02 рад. Принимая L ≈ 20 м, находим, что радиус RB из условия предотвращения саморасцепа вагонов должен быть не менее 1000 м для выпуклых и 500 м для вогнутых переломов профиля.

При малой разности уклонов смежных элементов профиля, когда значение биссектрисы не превышает 0,01 м, вертикальную кривую не устраивают, обеспечивая плавное сопряжение смежных элементов за счет изменения толщины балластного слоя.

План и продольный профиль на раздельных пунктах. Схемы станций,

разъездов и обгонных пунктов. Раздельные пункты с путевым развитием – станции, разъезды и обгонные пункты – предназначены для выполнения технических, пассажирских, грузовых и коммерческих операций, скрещения и обгона поездов. План и продольный профиль линии в пределах раздельных пунктов должны удовлетворять условиям проведения этих операций.

В зависимости от расположения приемоотправочных путей раздельные пункты бывают продольного, полупродольного и поперечного типов. Согласно Правилам и техническим нормам разъезды, обгонные пункты и промежуточные станции следует проектировать однотипными для всей линии или в пределах отдельных участков обслуживания локомотивов бригадами.

Разъезды новых однопутных линий I, II и III категорий следует проектировать преимущественно продольного типа. Разъезд с односторонним относительно главного пути расположением приемоотправочных путей удобен для скрещения грузовых поездов. Один из них принимается на разъездной путь и может продолжать движение до выходного сигнала на перегон в другом конце разъезда, в то время как другой поезд пропускается по главному пути без отклонений на стрелках. При таком скрещении поездов время занятия впередилежащего перегона будет наименьшим, что

109

увеличивает пропускную способность линии. Путевое развитие разъезда обеспечивает скрещение поездов двойной длины (соединенных поездов), а при необходимости осуществления безостановочного скрещения поездов удлинение разъездного пути 3 до длины двухпутной вставки потребует наименьших капиталовложений. Поэтому рассматриваемая схема разъезда считается основной для применения на линиях, где в ближайшие годы предусматривается сооружение двухпутных вставок и второго главного пути или организуется пропуск длинносоставных и соединенных поездов

(рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схемы разъездов

Разъезд продольного типа с разносторонним относительно главного пути расположением приемоотправочных путей следует проектировать при большом числе пассажирских поездов, пропускаемых через разъезд с обгоном грузовых, а также при необходимости расположения погрузочновыгрузочных площадок по обе стороны главного пути.

Однако для разъездов продольного типа необходима станционная площадка наибольшей длины, которую можно обеспечить в благоприятных топографических условиях. В более сложных условиях при ограниченной длине станционной площадки допускается проектировать разъезды с полупродольным размещением приемоотправочных путей. Величина смещения путей может быть различна в зависимости от длины станционной площадки, но обязательно должна допускать установку пассажирского поезда в пределах полезной длины главного пути у пассажирского здания.

110