Улучшение конструкции пути и подвижного состава для уменьшения силового взаимодействия
Безопасность движения поездов обеспечивается целым рядом комплексных мероприятий. Прежде всего верхнее строение пути должно быть достаточно прочным, т. е. напряжения и перемещения в рельсах, шпалах, балласте не должны превышать допускаемых (см. п. 4.4.).
Прочность рельсов зависит от степени их износа. Поэтому установлены допустимые величины износа головки рельсов.
Рельсовая колея должна быть уложена и должна содержаться в соответствии с существующими нормами и допусками ее устройства по ширине, уровню, подуклонке и т. д.
Рельсо-шпальная решетка должна быть устойчива в горизонтальной плоскости. Это особенно важно для бесстыкового пути, так как в нем действуют дополнительные силы в сравнении со звеньевым путем, которые могут привести к выбросу (см. главу 2). Если боковая сила, приложенная к шпале, больше, чем сила сопротивления шпалы ее сдвигу поперек пути, то сдвиг этот обязательно произойдет. Обычно устойчивость пути против сдвига оценивают по отношению максимальной горизонтальной силы, приложенной к шпале, к средней величине вертикальной нагрузки на шпалу. Для пути с рельсами Р65 и Р50 при 1840 шпалах на 1 км и щебеночном балласте это отношение должно быть не больше 1,36 - 1,37. Есть и другой способ оценки устойчивости пути: рамное усилие не должно быть больше 40% нагрузки от колесной пары на рельсы (см. п. 4.3).
При определенном соотношении между рамным усилием и вертикальной нагрузкой на колесо может произойти вкатывание колеса на головку рельса с последующим сходом.
Как это может произойти? Когда гребень колеса сильно прижат к выкружке на головке рельса, развиваются большие силы трения, позволяющие колесу постепенно подниматься вверх по наклонной линии свеса гребня. Если при этом вертикальная нагрузка мала, то она не может заставить колесо соскользнуть вниз.
Для некоторых тележек вагонов, например МТ-50, из-за большой боковой качки (возможной вследствие плохого демпфирования колебаний на рессорах) вертикальные нагрузки на колесо резко уменьшаются. При жесткости рессор 5 кН/мм уменьшение их прогиба даже на 1 мм снижает 5 кН нагрузки. По этой причине уже при небольшом (40 - 50 кН) рамном усилии возможно накатывание колеса на рельс.
Поэтому, улучшая конструкцию тележек подвижного состава, добиваются снижения интенсивности колебаний на рессорах, улучшения гашения этих колебаний. Очевидно, также, что при отличном состоянии пути подвижной состав испытывает меньше колебаний.
При движении поезда в нем действуют большие продольные силы.
Если он движется в режиме тяги, эти силы растягивают поезд, если в режиме торможения или подталкивания, силы сжимают поезд. Особенно велики силы в голове поезда при рекуперативном торможении. В этих условиях слабозагруженные или порожние вагоны могут выжиматься с поднятием гребня над головкой рельса.
Систематическое усовершенствование конструкции верхнего строения пути способствует увеличению его стабильности и безопасности движения поездов со все возрастающими скоростями и нагрузками.
Укладка тяжелых рельсов приводит к распределению нагрузок на большее число шпал, что уменьшает давление на каждую шпалу. Тяжелые рельсы меньше изгибаются и меньше напряжены, поэтому они дольше служат. Наряду с этим, обладая большей жесткостью, они быстрее поддаются разрушениям от контактных напряжений, поэтому для продления срока их службы укладывают упругие прокладки под рельсы.
В пути из тяжелых рельсов меньше неровностей, значит, меньше колебания экипажей, меньше возникает дополнительных сил. По этой же причине уменьшаются силы на бесстыковом пути, который часто называют «бархатным» потому, что в нем нет стыков, возбуждающих колебания. Правда, это справедливо лишь в том случае, если стыки сварены ровно, без «углов» в плане и профиле.
Современные рельсовые скрепления с упругими прокладками также снижают уровень силового взаимодействия пути с поездами. Нужно только следить за ними, не допускать в пути скреплений с раскрученными гайками и выползшими прокладками.
Уже отмечалось, что современный стандарт на деревянные шпалы предусматривает укладку в путь лишь одинаковых шпал, что дает однородное по упругости основание. Это снижает динамические неровности и уменьшает вредные колебания вагонов. Укладка железобетонных шпал приводит к созданию более жесткого пути, чем на деревянных шпалах. Рельсы на таком пути изгибаются меньше, чем при деревянных шпалах, но при наличии неровностей жесткое основание из железобетонных шпал заметно увеличивает силы взаимодействия пути и подвижного состава, особенно при увеличении скорости. Поэтому стремятся увеличить упругость резиновых прокладок в скреплениях.
Перевод пути на щебеночное основание, уменьшение фракций щебня, увеличение размеров балластной призмы - важные резервы повышения стабильности пути и уменьшения сил взаимодействия, особенно если обеспечивается высококачественная очистка щебня при ремонтах и систематически ликвидируются просадки пути.
Улучшение условий взаимодействия пути и подвижного состава достигнуто и за счет разработки обоснованных норм и допусков укладки и содержания рельсовой колеи.
Естественно, что для улучшения взаимодействия пути и подвижного состава не менее важно совершенствование ходовых частей подвижного состава. Устойчивость движения, в том числе плавность, зависит от конструкции экипажа. Если он правильно спроектирован, то любые колебания, вызванные неровностями, будут быстро затухать. Например, тележки четырехосных вагонов ЦНИИ-ХЗ-О лучше тележек МТ-50. У них мягче рессоры, лучше обеспечено гашение колебаний, поэтому они ведут себя более устойчиво при движении по пути. Хорошую перспективу в этом отношении имеют резиновые и резинометаллические рессоры.
Очень большое значение в образовании сил взаимодействия имеет величина неподрессоренного груза (см. п. 4.2). Стремятся уменьшить этот груз. Так, на локомотивах опорно-рамная подвеска двигателей лучше опорно-осевой. В первом случае нагрузка на колесо передается через рессору. Например, у тепловоза ТЭЗ-опорно-осевая подвеска и нагрузка передается непосредственно на ось, поэтому неподрессоренная нагрузка равна 46 кН на ось, а у тепловоза ТЭП60 - опорно-рамная подвеска, поэтому у него неподрессоренная нагрузка снижена до 29 кН.
Уменьшение неподрессоренной нагрузки возможно также за счет внедрения полых осей и биметаллических колес (диск алюминиевый, а обод стальной).
Современные локомотивы имеют тележки с малым числом осей в жесткой базе (по сравнению с паровозами). Это облегчает их вписывание в кривые. Кроме того, устанавливают упругие возвращающие устройства между тележками и между кузовом и тележками, которые снижают боковые силы. От расстояния между смежными осями, а следовательно, и длины тележки зависят напряжения и прогибы в рельсах и других элементах пути (см. п. 4.2).
Большое значение имеет контроль параллельности осей, входящих в жесткую базу; перекос осей в тележке приводит к повышенному износу и даже отбою рельсовых нитей.
Стремление перейти к повышенным нагрузкам от колесной пары на рельсы потребует усиления конструкции пути, значительного повышения износостойкости рельсов и частей стрелочных переводов, совершенствования текущего содержания пути с максимальной механизацией работ.
Следует отметить, что иногда осуществляется погрузка тяжелых грузов с расположением их несимметрично относительно продольной и поперечной осей вагонов. Это может привести к перегрузу отдельных осей или даже колес, что опасно не только по воздействию на путь, но и по устойчивости движения. Такая загрузка не должна допускаться, для этого нужен контроль за ней.
Колеса могут иметь разную толщину диска и обода по кругу. При вращении такого колеса возникает нечто вроде «биения», вызывающего большие дополнительные силы давления на рельсы. Это состояние колес называется дисбалансом. Опасно воздействуют на путь колеса с ползунами на поверхности катания (выбоинами). К сожалению, в практике были случаи, когда по пути двигались колеса с недопустимыми ползунами, ломая сотни рельсов. В процессе эксплуатации иногда у колес образуется ложный гребень, т. е. наплыв металла на гребне у выкружки. Такое колесо вызывает повышенные контактные напряжения на головке рельсов. Движение таких колес, а также колес с подрезанным гребнем, нередко сопровождающимся остроконечным наплывом металла, недопустимо. Подрезанные гребни ведут к расстройству ходовых частей подвижного состава, сокращают пробег, например у локомотивов на 15 - 25%. Таким образом необходим строгий контроль за состоянием колес.
Большое значение в обеспечении безопасности движения имеет точное соблюдение норм и допусков в ширине насадки колес на оси (см. рис. 4.1).
