2. Стендовый метод

Как известно, все методики выполнения экспериментальных исследований натуральных конструкций бесстыкового пути, разработанные Е.М. Бромбергом, использовались во ВНИИЖТе до начала 80-х годов (до момента демонтажа стенда). Более того, «полученные с помощью этой методики результаты используются и теперь в нормативных документах МПС по устройству, укладке и содержанию бесстыкового пути».[2]

Основной целью проводившихся во ВНИИЖТе экспериментальных исследований по устойчивости бесстыкового пути на стенде было определение максимально допустимого значения повышения температур естественного нагрева рельсовых плетей после их закрепления в пути для постоянной эксплуатации (так называемого критического приращения температуры Δ t_к).В ходе этих же опытов определяли значения и так называемого закритического приращения температуры Δt₃, при достижении которого опыт на стенде уже завершался выбросом пути. Практически при создании норм устройства и укладки бесстыкового пути использовались лишь значения Δt_к, а так же подсчитывался так называемый коэффициент запаса устойчивости К_3у= Δt₃ / Δt_к.

Все эксперименты по этой методике выполнялись на специальном стенде, который состоял из двух стометровых участков бесстыкового пути (прямого и криволинейного), на концах которых были установлены массивные железобетонные упоры, обеспечивающие неподвижность упиравшихся в них концов нагреваемых бесстыковых рельсовых плетей. Нагрев этих плетей осуществляется пропусканием через них электрического тока.

В процессе непрерывного нагрева рельсовых плетей специальными приборами регистрировались поперечные перемещения подошвы рельсовых плетей с точностью 0,01 мм; эти приборы были установлены на протяжении всего пути стенда на расстояниях друг от друга 2,0…3,0 м.

За время существования стенда (1961-1982 гг.) было выполнено более 300 опытов по определению устойчивости различных конструкций бесстыкового пути в различных условиях плана линии: в прямых участках и круговых кривых с радиусами 800,600,400,350 и 250 м, с рельсами типов Р50, Р65 и Р75 на деревянных и железобетонных шпалах, при различных эпюрах их укладки со скреплениями типов КБ, ЖБ, ЖБР, Д2 и Д0, на щебеночном балласте различных фракций, балласте из сортированного гравия и балласте из отходов асбестового производства.

Авторы описываемой методики положили в ее основу следующие главные правила:

1. Для расчетов бесстыкового пути значениями допустимых сил могут быть лишь те, которые определены для пути со слабоуплотненной балластной призмой. Поэтому наибольшее количество опытов как по непосредственному определению устойчивости пути, так и по определению сопротивления отдельных шпал сдвигу в балласте проводилось на пути со слабоуплотненной балластной призмой. Уплотнение при подготовке пути к опытам осуществлялась подбивкой шпал в основании вибрационными электрошпалоподбойками ЭШП – 3 (в некоторых опытах – ЭШП – 7). Специальные проверки степени уплотнения балластного слоя не выполнялись.

2. Авторы методикииспытаний устойчивости бесстыкового пути считали, что вплоть до критического значения продольных сил в рельсовых плетях поперечное перемещение и деформации рельсо-шпальной решетки вообще возникать не должны. Однако, исходя из практических соображений онидопускали и предлагали, что в порядке первого приближения в качестве допустимых могут быть приняты следующие деформации при действии продольной силы, равной по величине критической: для прямых участков пути у_к = 0,2 мм и для кривых 0,4 мм.Этим устанавливалось следующее правило:критической температурой по устойчивости любой испытывавшейся на стенде конструкции бесстыкового пути следует считать такую температуру нагреваемых рельсовых плетей, при которой хотя бы в одном поперечном сечении пути поперечное перемещение пути рельсов достигли вышеуказанных критических значений.

3. При определении значений критических температур в опытах на стендеВНИИЖТа никакие ограничения по размерам неровностей не нагруженного пути в плане методикой испытания не предусматривались и никакие требования по параметрам формы и размерам неровностей в эксплуатируемом пути не предъявлялись; точно такжене регламентировалисьв этих испытаниях и другиепараметры, характеризующие состояние пути и влияющие на его устойчивость: размеры и форма балластной призмы, показатели степени ее уплотнения, параметры закрепления рельсовых плетейс учетом различия конструкций в промежуточных рельсовых скреплениях и др.

4. В качестве конечных результатов этих испытаний предусматривалось установление значений критических температур для бесстыкового пути в прямых участках пути и в круговых кривых заданных радиусов, для которых известны только следующие характеристики пути: тип рельсов, род балласта, материал и эпюра шпал и которые, как тогда писали, «соответствовали действующим нормам содержания пути».При этом нормы и допуски в содержании бесстыкового пути никогда и нигде не регламентировались, поскольку в проводившихся опытах на стенде или в пути их влияние на его устойчивость не учитывалось.

Поэтому в практике эксплуатации бесстыкового пути определяемые по этой методике нормы критических температур применялись для любого состояния пути и при всех допускаемых, а иногда и недопустимых степенях отступлений от норм его содержания. Полученные при этих условиях в опытах значения Δ t _к без каких-либо изменений вносились в издававшиеся тогда официальные технические указания и использовались в правилах и практике устройства и содержания участков бесстыкового пути(смрис. 2.1).

В 1968 году был сделан вывод о том, что принимавшаяся до этого система установления значений Δ t_кпривела к совершенно недопустимо разнящимся результатам опытов. Предложено считать «критической температурой» среднеарифметическое значение из пяти первых по ходу процесса нагрева рельсовых плетей значений температуры, при которых последовательного в различных поперечных сечениях рельсо-шпальной решетки поперечные ее перемещения достигали критического значения (0,2 или 0,4 мм), т.е. принималось, что Δt_k= 1/5(Δt_k1+ Δt_k2+ Δt_k3+ Δt_k4+ Δt_k5). Совершенно очевидно, что определенная по этому методу критическая температура совершенно оторвана от представления о том, каким размером поперечных деформаций рельсо-шпальной решетки она относится.

Таким образом, анализируя методику получения Δ t_у, ставших на долгие годы (по настоящее время) основными нормами, влияющими на устойчивость бесстыкового пути, следует отметить: неадекватность условий работы бесстыкового пути в условиях стенда и в условиях движения поездов, определение критических перемещений как среднеарифметическое нескольких значений в разных опытах, «волевое» принятие численных значений «критических» значений перемещений рельсо - шпальной решетки.

Рис. 2.1. Эмпирические графики критических температур в зависимости от плана для бесстыкового пути конструкции: 1 – рельсы Р50, шпалы деревянные 1840 шт/км, 2 - рельсы Р50, шпалы деревянные 2000 шт/км ,3 - рельсы Р65, шпалы деревянные 1840 шт/км , 4 - рельсы Р50, шпалы железобетонные 1840 шт/км, 5 - рельсы Р65, шпалы деревянные 2000 шт/км, 6 - рельсы Р50, шпалы железобетонные 2000 шт/км, 7 - рельсы Р65, шпалы железобетонные 1840 шт/км , 8 - рельсы Р65, шпалы железобетонные 2000 шт/км

М.Ф. Вериго, анализируя методику, кроме перечисленных недостатков отмечает:

- некорректное обращение с результатами, полученными в каждом опыте при получении зависимости

(2.1)

где [Δt_y]_R– критическая температура в круговой кривой радиусомR, ºС

[Δt_y]_R=∞- то же в прямом участке пути;

А – постоянный коэффициент, º С * м.

И далее делает вывод: применявшиеся до настоящего времени экспериментальные методы определения критических температур по устойчивости бесстыкового пути на стенде противоречивы и полученные с помощью этих методов значения Δt_y в нормативных документах по устройству, укладке и содержанию бесстыкового пути содержат существенные погрешности.

Приводятся причины продолжительного использования несовершенной методики:

1) требовалось в кратчайшие сроки установить правила устройства и содержания бесстыкового пути для всех новых типов верхнего строения пути в различных условиях: температурных, плана линий, содержания подвижного состава, грузонапряженности и т.д.

2) Теоретические возможности того времени были весьма слабы, многие методы расчетов устойчивости бесстыкового пути приводили к противоречивым результатам.

3) В этих условиях самым «маневренным» методом испытания устойчивости бесстыкового пути был метод, предложенный Е.М. Бромбергом, - с использованием специального стенда, который мог быстро (хотя и недостаточно точно) указать технические условия применения совершенно новой тогда конструкции температурно-напряженного бесстыкового пути.

Однако наблюдения и опыт эксплуатации бесстыкового пути отечественных железных дорог показывали, что условия устойчивости бесстыкового пути на стенде и на эксплуатируемых железнодорожных линиях не вполне адекватны и при определении температурных параметров устойчивости пути необходимо учитывать весьма многие детали и особенности состояния такого пути в его эксплуатации.

Поэтому в период 1980-1986 гг. ВНИИЖТом были проведены специальные опыты на участке Институт пути – Бескудниково Московской дороги и на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа в условиях движения поездов на эксплуатируемом бесстыковом пути.

В вышеупомянутых испытаниях, которые проходили в прямом участке на экспериментальном полигоне Института пути в 1982 – 1983 гг., а в круговых кривых на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа, их основу составляли измерения поперечных перемещений рельсо-шпальной решетки аналогично тому, как это осуществлялось на стенде ВНИИЖТа. Первые такого рода опыты проводились на прямом тупиковом участке полигона Института пути длиною 2 км, перед проведением опытов этот путь обкатывался специальным поездом «поездками челнока» (при движении локомотивом серии ЧМЭ3 в голове состава со скоростью 70 км/ч, а при движении вагонами вперед – 40 км/ч). Поезд состоял из четырех вагонов: двух груженых четырехосных с осевыми нагрузками 21 тс и одного такого же порожнего с осевыми нагрузками около 5 тс. Для обкатки этого участка поездом было сделано примерно 200 поездок, т.е. по участку было пропущено около 155 тыс. т груза. Кроме того еще до обкатки участка поездами его балластный слой был уплотнен машиной ВПО – 3000; все же балластный слой на участке, по мнению его испытателей, находился в начальной стадии эксплуатационного уплотнения. В круговых кривых Экспериментального кольца путь обкатывали поездами массой 2000-2700 т, составленными из четырехосных вагонов с осевыми нагрузками 23 тс, ведомых электровозом ВЛ80 со скоростью 70-80 км/ч.

По результатам анализа методов исследования устойчивости бесстыкового пути на стенде и в реальных условиях его эксплуатации сделаны следующие выводы:

а) относительно действующих норм Δt_y.

1. «не оставляет никаких сомнений в необходимости принципиального пересмотра методов построения нормативной базы устройства, укладки и содержания бесстыкового пути» [2].

2. нормы Δt_y при содержании пути, соответствующем техническим требованиям, обеспечивают его устойчивость против выброса, поэтому корректировать их в сторону ужесточения нет необходимости.

б) относительно экспериментального метода:

1. «Если принять за основу исследований экспериментальный метод, то он должен быть ориентирован на возможность многократного температурного загружения продольными сжимающими силами рельсовых плетей».

2. «Безусловно, метод, о котором идет речь, должен быть предельно адекватен натурным условиям эксплуатационной практики железных дорог, построен на точно заданных исходных данных, которые позволяли бы получать точно детерминированные результаты оценки остаточных поперечных перемещений рельсо-шпальной решетки в конце повторения каждого цикла нагрева и охлаждения бесстыкового пути».

3. Кроме того, экспериментальный метод должен был бы позволять получать точные результаты и для случаев, когда на пути имеются любые неровности, при неодинаковом нагреве рельсовых плетей в каждом поперечном сечении пути, наличии в пути различных уровней сопротивления шпал поперечному их сдвигу в балласте и возможных концентраций в одном месте шпал с низким сопротивлением сдвигу, при изменяющихся сопротивлениях продольных и угловых перемещений рельсов в промежуточных рельсовых скреплениях и т.п.

В чем же причины того, что такого рода противоречия в теории устойчивости бесстыкового пути не были преодолены по крайней мере в последние 25-30 лет? Это, во-первых, произошло потому, что эксперименты, являвшиеся основой теории, проводились впервые, т.е. невозможно было воспользоваться опытом других исследователей, и экспериментаторам приходилось первыми прокладывать «дорогу в неизвестное». Поскольку экспериментаторы, устанавливавшие нормы, обязаны были принимать их «с запасом», то они и проводили свои опыты на бесстыковом пути со слабоуплотненным (по существу даже разрыхленным) балластом и при этом приняли весьма жесткие размеры допускаемых поперечных деформаций рельсо-шпальной решетки (0,2 и 0,4 мм).

Таким образом были созданы большие запасы устойчивости бесстыкового пути на железных дорогах бывшего СССР; естественно, в этом случае выбросы пути были редчайшим явлением, что создавало иллюзию правильности норм, принятых такими методами. Однако даже для своего времени, по-видимому, результаты этих опытов были не только недостаточно точными, но и необоснованными. В частности, проявленная при их назначении, по-видимому, «чрезмерная жесткость» привела к существенным температурным ограничениям сфер применения бесстыкового пути на железных дорогах Сибири и Дальнего Востока.

И, наконец, опыты, послужившие основанием для выбора [Δt_к]_у проводились в условиях действовавших до 1980г. норм и допусков содержания пути. Теперь же нормы допусков содержания пути значительно увеличены (некоторые из них в несколько раз); при принятых же сейчас допусках содержания пути опыты по определению [Δt_к]_уне проводились, а опыты 1960-1980 гг. не могут служить ни технической, ни юридической основой для принятия их в создаваемых сейчас и будущих нормах устройства, укладки и содержания бесстыкового пути.