CC BY
323
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ
УДК 625.031
А. В. Романов, Е. И. Шехтман
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
К ВОПРОСУ О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ПУТИ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ
ДВИЖЕНИИ ПОЕЗДОВ
Обобщен практический опыт Национального общества железных дорог Франции по эксплуатации высокоскоростных железнодорожных магистралей с точки зрения взаимодействия пути и подвижного состава. Приведено сравнение французских и российских норм проектирования верхнего строения пути. Выделены и описаны характерные особенности влияния различного типа неровностей пути на подвижной состав и пассажиров. Рассмотрены мероприятия, выполняемые на высокоскоростных магистралях Франции для обеспечения их надежной эксплуатации, в частности, по сертификации подвижного состава, вводу новой линии в эксплуатацию и периодическому контролю пространственного положения пути.
высокоскоростное движение поездов, силы взаимодействия пути и подвижного состава.
Введение
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I привлечен к разработке специальных технических условий (СТУ) проектирования и строительства высокоскоростной железнодорожной линии Москва - Нижний Новгород - Казань - Екатеринбург (ВСМ-2), предназначенной для движения пассажирских поездов со скоростью до 400 км/ч. На высокоскоростной магистрали также предполагается реализовать возможность пропуска пассажирских поездов со скоростью до 200 км/ч и специальных контейнерных поездов со скоростью до 160 км/ч.
48
Максимальная статическая нагрузка на ось скоростного поезда, следующего с установленной скоростью 400 км/ч, предполагается 170 кН, электровозов для скоростных пассажирских и специальных контейнерных поездов -226 кН, а вагонов-платформ для контейнерных поездов и пассажирских вагонов - 210 кН. Для поездов всех видов динамическая нагрузка от колеса на рельс не должна превышать 160 кН [1]. В разрабатываемом документе практически все ключевые параметры и положения должны базироваться на знании специфики процессов взаимодействия подвижного состава и конструкции пути высокоскоростных линий.
Учитывая тот факт, что на действующих в настоящее время российских скоростных магистралях максимальные скорости движения графиковых поездов не превышают 250 км/ч, а в ходе опытных поездок на линии Санкт-Петербург - Москва была достигнута максимальная скорость 293 км/ч, весьма полезным является опыт Национального общества железных дорог Франции (SNCF) - организации, которая уже более 30 лет эксплуатирует высокоскоростной подвижной состав со скоростями более 300 км/ч, установив мировой рекорд скорости в пассажирском движении, равный 574,8 км/ч.
1 Анализ российских и французских норм проектирования, влияющих на взаимодействие пути и подвижного состава
Горизонтальные боковые и вертикальные динамические силы взаимодействия пути и подвижного состава (вне зависимости от его конкретных характеристик) зависят от следующих основных факторов:
• пространственного положения пути (радиус кривых и возвышение наружного рельса);
• скорости движения, величины непогашенного ускорения;
• условий контакта колеса и рельса, определяемых коэффициентом трения и эквивалентной конусностью поверхности катания колеса;
• конструкции пути, а также его технического состояния.
Рассмотрим более подробно некоторые из этих факторов.
Анализ российских и французских норм проектирования и содержания рельсовой колеи в плане и профиле позволил сделать вывод о более мягких нормах на французских железных дорогах по сравнению с российскими, в том числе по параметру максимального возвышения наружного рельса и скорости подъема колеса в пределах переходной кривой. В то же время на железных дорогах Франции нормируются такие параметры, как недостаток возвышения наружного рельса и изменение недостатка возвышения наружного рельса. Напомним, что на российских железных дорогах нормируются величина непогашенного ускорения и скорость нарастания непогашенного ускорения, т. е. параметры, соответствующие вышеназванным.
49
Еще один пример существенного расхождения величины одного и того же параметра - предельная величина возвышения наружного рельса. На железных дорогах Франции вне зависимости от скорости движения она составляет 180 мм, в то время как на российских железных дорогах эта величина составляет 150 мм (эксплуатационные нормы).
Следует отметить, что на железных дорогах Франции имеется тенденция к снижению норм недостатка возвышения наружного рельса с увеличением скорости движения. Так, например, при скорости движения 350 км/ч эта величина составляет 65.. .80 мм (рекомендуемая и максимально допустимая норма), в то время как при скорости движения 230 км/ч - 110.140 мм. На железных дорогах России имеется обратная тенденция - разрешение большей величины непогашенного ускорения с увеличением скорости движения поездов. Так, например, на действующих скоростных линиях величина непогашенного ускорения в сложных условиях при соответствующем технико-экономическом обосновании может быть увеличена до 1 м/с2 по сравнению с величиной в 0,7 м/с2, регламентированной Правилами технической эксплуатации.
Что касается минимальных радиусов кривых участков пути, то на железных дорогах Франции они регламентируются величиной 5900-5560 м для участков со скоростью движения 350 км/ч и 2152-1950 м при скорости 230 км/ч (здесь также приведены рекомендуемая и максимально допустимая нормы). На ВСМ-2 из-за предполагаемой совместной эксплуатации подвижного состава с очень большой разницей в скоростях движения (скоростные поезда до 400 км/ч, а специальные контейнерные до 160 км/ч), согласно расчетам, минимальный радиус кривых участков пути должен быть более 13000 м.
2 Влияние неровностей пути на взаимодействие пути и подвижного состава
Весьма важным моментом с точки зрения обеспечения безопасности движения является нормирование размера неровности пути в условиях различных скоростей движения, что необходимо для оптимизации силового уровня воздействия высокоскоростного подвижного состава как на верхнее строение, пути, так и на земляное полотно и конструкцию искусственных сооружений.
Специалисты SNCF ранжируют длины неровностей по трем диапазонам [2]:
• короткие неровности длиной от 3 до 25 м;
• большие неровности длиной от 25 до 75 м;
• очень большие неровности длиной от 75 до 200 м.
При скорости движения 300 км/ч короткие неровности вызывают колебания с частотой диапазоном 28-3,3 Гц и их влияние в основном распро-
50
страняется на необресоренные части подвижного состава и тележки. Проблемы, которые они вызывают, по большей части связаны с безопасностью движения.
Неровности большой длины при этой же скорости движения будут вызывать колебания с частотой 3,3—1,2 Гц. Такие неровности, оказывающие воздействие на вагон в целом, будут ощущаться в кузове и влиять на комфортабельность езды пассажиров.
Неровности очень большой длины при скорости движения 300 км/ч вызывают колебания частотой 1,2-0,4 Гц и оказывают влияние на движение как вагона, так и всего подвижного состава. Эти неровности очень сильно ощущаются в кузове вагона, и проблемы от них связаны только с комфортабельностью езды пассажиров.
При разработке системы технического обслуживания на высокоскоростных участках французских железных дорог дополнительно учитываются и микронеровности, связанные с волнообразным износом головки рельса, длина которого составляет 1,5-0,01 м. На скорости 300 км/ч такие неровности вызывают колебания в диапазоне 55-8300 Гц и их влияние в основном связано с появлением шума и вибрации в кузове и образованием в рельсах дефектов контактно-усталостного характера. Также учитываются углы в плане и продольном профиле, т. е. неровности трассы длиной более 200 м, которые вызывают колебания частотой менее 0,4 Гц. Эти колебания существенно влияют на комфортабельность езды и могут вызывать морскую болезнь у пассажиров.
На рисунке приведена классификация неровностей пути и влияние, которое они оказывают на подвижной состав и пассажиров, применительно к нормативной базе французских железных дорог.
Длина неровности Влияние, оказываемое
на подвижной состав и пассажиров
Микронеровности
X < 3 м
Шум и вибрация
Длинная 25 < X < 70 м
3 < X < 25 м
Короткая
Безопасность
Неровности трассы
Очень длинная 70 < X < 200 м
200 м < X
Комфортабельно сть езды для пассажиров
Классификация неровностей на французских железных дорогах
51
Видимо, и на российских участках высокоскоростного движения влияние данного типа неровностей на процессы взаимодействия подвижного состава и пути, а также на комфортабельность езды пассажиров должно быть учтено на этапе разработки нормативных документов и проектирования, а его последствия минимизированы.
3 Опыт управления надежностью пути и подвижного состава на железных дорогах Франции
На французских железных дорогах для обеспечения надежной эксплуатации высокоскоростных магистралей SNCF выполняются следующие мероприятия:
• Сертификация подвижного состава, включающая в себя динамическое поведение на ВСМ и способность преодолевать неровности на пути без угрозы безопасности движения с учетом комфортабельности езды пассажиров. Для этого в ходе испытаний, которые проводятся согласно документам UIC518 «Рельсовый подвижной состав. Ходовые и приемочные испытания по динамическим характеристикам. Требования по безопасности, влияния на путь и ходовые характеристики», фиксируются боковые и горизонтальные силы, возникающие в прямых и кривых участках пути, боковые и вертикальные ускорения кузова, тележки и неподрессоренных частей в различных технических состояниях и с различной нагрузкой.
• Перед вводом новой линии в эксплуатацию проводится ее сертификация. При этом осуществляется проверка пространственного положения трассы в плане и профиле и ее влияния на динамику движения подвижного состава. Опытные поездки проводятся с поэтапным плавным увеличением скорости движения, например, при скоростях 160-220-270-300-350 км/ч. При этом максимальная скорость движения должна превышать установленную не менее чем на 10 %.
• На всех высокоскоростных магистралях SNCF осуществляется периодический контроль за пространственным положением пути с помощью различных измерительных составов, следующих с определенной периодичностью. В частности, один раз в две недели на высокоскоростных линиях Франции осуществляется проверка пространственного положения пути с помощью измерительного состава IRIS и с такой же периодичностью осуществляется измерение ускорений с помощью измерительного состава IRI.
Заключение
В Российской Федерации имеется Программа научно-технического сопровождения проектирования и строительства ВСМ Москва - Казань, на-
52
правленная на определение и обоснование различных параметров объектов инфраструктуры.
В то же время длительный опыт безопасной эксплуатации высокоскоростных магистралей зарубежных стран, в частности Франции, обращает на себя внимание и является актуальным для подробного изучения в свете развития высокоскоростного движения в России.
Таким образом, детальное изучение зарубежного опыта, адаптация зарубежных нормативных документов, регламентирующих проектирование, строительство и эксплуатацию высокоскоростных магистралей, к российским условиям, а также гармонизация нормативной базы Российской Федерации с зарубежной позволит оптимизировать этот процесс, получить качественный результат в кратчайшие сроки и с наименьшими затратами.
Библиографический список
1. Специальные технические условия для проектирования, строительства и эксплуатации высокоскоростной железнодорожной магистрали «Москва - Казань - Екатеринбург», разработаны ФГБОУ ВПО МГУПС (МИИТ). - Санкт-Петербург, 2013.
2. Презентация «Взаимодействие между подвижным составом и путем на высокоскоростных линиях», представленная на семинаре SNCF и РЖД 15 июня 2012 г.
© Романов А. В., Шехтман Е. И., 2013
53
