ОПРЕДЕЛЕНИЕ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЛОКОМОТИВОВ НА БЕССТЫКОВОМ ПУТИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

ТРАНСПОРТ

DOI 10.52170/1815-9265_2021_59_5 УДК 625.143.482

Г. М. Стоянович, В. В. Пупатенко

Определение сферы применения современных и перспективных локомотивов на бесстыковом пути

Поступила 27.05.2021

Рецензирование 07.06.2021 Принята к печати 12.10.2021

В статье по действующим нормативным документам определены сферы использования бесстыкового пути при внедрении в эксплуатацию современных и перспективных отечественных локомотивов. Приведены результаты сопоставления расчетного и оптимального интервалов закрепления бесстыковых плетей и определены критические радиусы кривых для укладки и содержания бесстыкового пути при проходе локомотивов 3ЭС5К, 2ТЭ25К, 2ЭС5 и 2ЭС7. Внедрение современных локомотивов с повышенными тяговыми характеристиками существенно сокращает сферу применения бесстыкового пути температурно-напряжен-ного типа в кривых участках пути.

В суровых природно-климатических условиях при больших амплитудах температур рельсов, при повышении скоростей движения локомотивов и уменьшении радиуса кривой сфера применения бесстыкового пути температурно-напряженного типа существенно сокращается. Кроме того, на возможность укладки бесстыковой конструкции пути оказывает влияние температура закрепления рельсовых плетей. Значительное сокращение расчетного интервала закрепления бесстыковых плетей при проходе электровоза 3ЭС5К по сравнению с проходом ранее применявшегося ВЛ-80 произошло за счет уменьшения допускаемого охлаждения рельсов до 20 °С в кривой радиусом 250 м. Это вызвано повышением напряжений в кромках подошвы рельса от изгиба и кручения под нагрузкой от колес локомотива зимой. Если увеличение напряжений от колес ВЛ-80 в кривой радиусом 250 м достигает 45 %, то при проходе локомотива 3ЭС5К - 95 %. Еще более серьезное сокращение сферы применения бесстыкового пути наблюдается для электровозов с асинхронным двигателем типа 2ЭС5 и 2ЭС7.

Аналогичная ситуация складывается и при внедрении на Дальневосточной железной дороге тепловоза 3ТЭ25К. Так, при проходе тепловоза со скоростью 90 км/ч при годовой амплитуде температур рельсов Та 110 °С критический радиус для укладки бесстыкового пути находится в диапазоне от 426 до 851 м при температуре закрепления от 20 до 40 °С соответственно. При Та = 118 °С критический радиус повышается с 476 до 4 000 м.

Для расширения сферы применения рассмотренных выше локомотивов необходимо применять дополнительные технические решения.

Ключевые слова: расчетный, оптимальный интервал закрепления бесстыковых плетей; критический радиус; допускаемый интервал охлаждения рельсов; скорость движения.

Для определения сфер применения локомотивов на бесстыковом пути выполнено сопоставление расчетного и оптимального интервалов закрепления бесстыковых плетей на постоянный режим эксплуатации по данным инструкций [1, 2]. Проведен анализ как для электровозов переменного тока 3ЭС5К, переменного тока с асинхронными двигателями 2ЭС5, 2ЭС7, так и для тепловозов 2ТЭ25К.

Границы и величина расчетного интервала закрепления А?зрас для каждого из элементов плана определены в соответствии с действующими нормами по формулам:

Азрас = max t3 — min t3

(2)

min t3 = tmaxmax — [АуЪ maX t3 = [Atp] + tminmin ,

(1)

где min t3, max t3 - самая низкая и самая высокая температура закрепления соответственно;

tmaxmax , tminmin - наивысшая и наини3шая температура рельса в данной местности соответственно; [Aty] - допускаемое повышение температуры рельса по условию устойчивости пути на выброс; [Atp] - допускаемое понижение температуры рельса по условию прочности рельсов.

По результатам расчета получен расчетный интервал температур для прямых и кривых разного радиуса R при различной фактической амплитуде температур рельсов в данной местности Та и скорости движения локомотива от 60 до

90 км/ч (рис. 1). По оси абсцисс отложен план линии в значениях радиуса кривых. На вертикальной оси показана температура рельса tp в градусах Цельсия. На расчетный интервал Л?зрас нанесен оптимальный интервал Л?зопт величиной (30 ± 5) °С и допуск ±5°С [2]. Таким образом, по действующим нормам все плети необходимо закрепить в диапазоне температур рельсов от 20 до 40 °С (заштрихованная зона на рис. 1).

Данные рис. 1 наглядно показывают значительное сокращение расчетного интервала Л?зрас при увеличении фактической амплитуды температур рельсов Та в пределах от 85 до 118 °С. Повышение амплитуды Та, температуры закрепления и скорости движения электровозов 3ЭС5К существенно влияет на величину критического радиуса кривых Rкр, менее которого нельзя укладывать и эксплуатировать бесстыковой

Рис. 1. Сопоставление расчетного и оптимального интервала температур закрепления бесстыковых плетей при проходе электровоза 3ЭС5К при ТА (начало): а - 85 °С; б - 100 °С; скорость движения: 1 - 60 км/ч; 2 - 70 км/ч; 3 - 80 км/ч; 4 - 90 км/ч

Та=110°С

—гг о

о ООО

О СЧ О О СМ т- 1- СО

Та=118°С

Рис. 1. Сопоставление расчетного и оптимального интервала температур закрепления бесстыковых плетей при проходе электровоза 3ЭС5К при ТА (окончание): в - 110 °С; г - 118 °С; скорость движения: 1 - 60 км/ч; 2 - 70 км/ч; 3 - 80 км/ч; 4 - 90 км/ч

путь температурно-напряженного типа. На Дальневосточной железной дороге можно выделить следующие климатические зоны: Та < 100 °С - 20 % от общей протяженности дороги; 100 °С < Та < 110 °С - 41,6 %, 110 °С < Та < 118 °С - 38,4 % [3, 4]. Более суровые климатические условия существуют на Забайкальской железной дороге: 105 °С < Та < 110 °С -10,7 %; 110 °С < Та < 118 °С - 89,3 % [5].

Значения критического радиуса определены графически при пересечении температуры закрепления с графиком max t3 = f (R) или min t3 = f (R). Так, при Та = 85 °C (см. рис. 1) и скорости движения электровоза V = 90 км/ч (кривая 4) Rw = 350 м, при V = 80 км/ч -R^ = 282 м (при tз = 40 °С).

Данные по критическим радиусам сведены в табл. 1.

Значительное уменьшение расчетного интервала закрепления бесстыковых плетей при проходе электровозов 3ЭС5К по сравнению с проходом ранее применявшегося электровоза ВЛ-80 произошло за счет сокращения допускаемого охлаждения рельсов А^р (рис. 2).

По данным нашей публикации [3] установлено, что интервал закрепления существенно

сокращается при проходе электровоза 3ЭС5К по сравнению с проходом электровоза ВЛ-80. Данное сокращение Аз объясняется повышенным воздействием этого электровоза на рельсовые плети и уменьшением допускаемого понижения температур рельсовых плетей. При начале эксплуатации нового электровоза 3ЭС5К на Дальневосточной железной дороге

Таблица 1

Критические радиусы кривой Rкр по устойчивости пути на выброс для укладки бесстыковых плетей при проходе электровозов 2ЭС5К, 3ЭС5К, м

t3, °С V, км/ч Та, °С

85 100 110 118

40 60 нет огранич. 282 500 3333

70 нет огранич. 364 740 -

80 282 476 4000 -

90 350 740 - -

35 60 нет огранич. нет огранич. 364 635

70 нет огранич. 292 488 2 000

80 282 364 702 -

90 350 470 2000 -

30 60 нет огранич. нет огранич. 300 430

70 нет огранич. нет огранич. 367 615

80 нет огранич. 300 482 1 000

90 нет огранич. 328/300 702 прямой участок

25 60 325/нет огранич. 364/нет огранич. 364/нет огранич. 364/323

70 325/нет огранич. 364/нет огранич. 364/292 426

80 325/нет огранич. 364/нет огранич. 364/250 600

90 325/нет огранич. 364/нет огранич. 364/290 909

20 60 374/300 417/339 465 488/350

70 374/300 417/339 465/340 488/339

80 374/300 417/339 465/340 488/417

90 374/300 417/339 465/340 571

Примечание. В знаменателе приведены значения для укладки плетей с дополнительными техническими решениями по изменению эпюры и типа шпал и омоноличиванием плеча и откоса балластной призмы.

111

110

Atp, °С

100

90

80

70

100 102 100 99

95 ~~—.99 ' 98

92 ©

87 84

•97

•77

— 10004 R ,

2000

1000 g

600 500

400 350

300 R, м 250

Рис. 2. Изменение Др от радиуса кривой при проходе электровозов с V = 60 км/ч:

® - ВЛ-80; © - 3ЭС5К

0

1

2

3

да

специалистами службы пути были запрошены данные по ^¿р] во ВНИИЖТе для выполнения расчетов. Ответ заведующего лабораторией бесстыкового пути им. Е. М. Бромберга ОАО «ВНИИЖТ» Н. П. Виногорова приведен в виде табл. 2.

Эти же данные были заложены и в Инструкцию 2012 г. [1]. После публикации в 2015 г. в журнале «Путь и путевое хозяйство» [3] воздействие электровоза «Ермак» было снижено до уровня ВЛ-80 и величина Аtp увеличена для многосекционного электровоза в Инструкции 2016 г. [2].

Для односекционного электровоза Э5К величина Ар в обеих последних инструкциях [1, 2] осталась неизменной, что подтверждает существующую конструкцию и величину воздействия этих электровозов на бесстыковые плети.

Величина Аtp определена по формуле [2, 6]

ар =

М - К

а E

(3)

где [о] - допускаемое напряжение в рельсе, для термоупроченных рельсов [о] = 400 МПа; кп -коэффициент запаса прочности; Ок - напряжение в кромках подошвы рельса от изгиба и кручения под нагрузкой от колес локомотива; а -коэффициент линейного расширения рельсовой стали; Е - модуль упругости рельсовой стали.

Влияние на величину Ок горизонтальных поперечных сил, подуклонки рельсов и внецен-тренного приложения вертикальной нагрузки учитывается с помощью коэффициентаf [7]. Зависимость коэффициента f от радиуса кривой для электровозов приведена на рис. 3. Односек-ционный электровоз Э5К и многосекционный 3ЭС5К имеют коэффициент f до 36,7 % выше,

Таблица 2

Допускаемые по условию прочности рельсов понижения температур рельсовых плетей [Д^]

для локомотива 3ЭС5К, °С

Скорость, км/ч В прямом участке В кривой радиусом, м

2 000 1 200 1 000 800 600 500 400 350

60 100 97 97 97 95 92 90 87 84

80 92 88 89 88 86 83 80 77 74

85 90 86 87 86 84 81 78 75 72

90 88 84 85 84 82 78 76 72 -

95 86 81 82 81 79 76 73 70 -

100 84 79 80 79 77 73 71 - -

105 82 77 78 77 75 71 69 - -

110 79 75 76 75 73 69 - - -

чем у ВЛ-80. За счет этого величина Ок увеличивается и Ар уменьшается, что приводит к уменьшению расчетного интервала А?зрас (см. рис. 1). В Инструкции 2016 г. [2] расширена сфера применения электровоза 3ЭС5К за счет увеличения А?р до уровня ВЛ-80 без каких-либо изменений

в конструкции локомотива и уменьшения его воздействия на путь. Реальное воздействие

электровоза 3ЭС5К, соответствующее данным Инструкции 2012 г. [1], приведено на рис. 1.

Внедрение на железных дорогах Дальневосточного региона современного тепловоза 3ТЭ25К требует выполнить оценку его влияния на сферу применения бесстыкового пути. На рис. 4 показано сопоставление расчетного и оптимального интервалов закрепления бесстыковых плетей.

а)

1р,°С

+60

+50

+40

+30

1 4 — ■1000 R ,

2000

Я 1000 °

600 500

400 350

300 К, м 250

б)

+60

V °С

+50

+40

+30

+20

+10

31

+70

+20

+10

0

2

3

■1000"

2000

; 1000

600 500

400 350

300 Я, м 250

0

1

2

3

К

со

Рис. 4. Сопоставление расчетного и оптимального интервалов закрепления бесстыковых плетей при

фактической амплитуде температуры ТА (начало): а - 100 °С; б - 110 °С; при проходе тепловоза 3ТЭ25К со скоростью V: ® - 60 км/ч; © - 70 км/ч; ® - 80 км/ч; ® - 90 км/ч

в)

+60

V °С

+50

+40

+30

+20

+10

30

R

2000

я 1000

600 500

400 350

300 Я, м 250

Рис. 4. Сопоставление расчетного и оптимального интервалов закрепления бесстыковых плетей при фактической амплитуде температуры ТА (окончание): в - 118 °С; при проходе тепловоза 3ТЭ25К со скоростью V: ® - 60 км/ч; © - 70 км/ч; © - 80 км/ч; © - 90 км/ч

По данным рис. 4 определены критические радиусы кривых Rкр для прохода тепловоза 3ТЭ10К в зависимости от величины Та, V и 4. Они сведены в табл. 3.

Зависимость критического радиуса кривой от температуры закрепления плетей tз при скорости движения тепловоза в интервале от 60 до 90 км/ч приведена на рис. 5.

Данные табл. 2 и рис. 5 показывают существенное ограничение сферы применения бесстыкового пути. Если при Та = 110 °С и скорости движения 90 км/ч Rкр находится в диапазоне от 426 до 851 м при температуре закреп-

ления от 20 до 40 °С соответственно, то при Та = 118 °С Rкр повышается с 476 до 4 000 м.

Еще более серьезное сокращение сферы применения бесстыкового пути наблюдается для электровозов с асинхронным двигателем 2ЭС5 и 2ЭС7. Сопоставление расчетного и оптимального интервалов закрепления бесстыковых плетей по данным Инструкции 2016 г. [2] при Та = 110 °С приведено на рис. 6.

В Инструкцию 2016 г. [2] (в данные по Дtp) позднее внесены существенные изменения [8] без обоснования мер по снижению воздействия этих электровозов на бесстыковой путь,

Таблица 3

Величина критического радиуса кривой йкр при проходе тепловоза 2ТЭ25К, м

0

1

2

3

4

1000

со

Та, °С V, км/ч ¿з, °С

20 25 30 35 40

100 60 392* 333* 270 300 348

70 392* 333* 305 351 400

80 392* 333* 345 400 465

90 392* 333* 392 455 548

110 60 426* 350* 320 357 460

70 426* 350* 374 444 563

80 426* 370 435 526 690

90 426* 426 500 625 851

118 60 400* 370 444 556 755

70 400* 426 526 690 1 000

80 400* 500 645 909 2 500

90 476 600 800 1 667 6 667

* По условию устойчивости пути на выброс.

а)

б)

а) 900 Якр, м 800

700

600

500

400

300

200

100

+20

4000

Якр, м

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

+20

563 460

+25

+30

+35

Ь, °С +40 4000

/

ЙШ,

1667 шш

Якр=ед ®ч / (3Х / /

600 Н\\ 800,

ии ¡ИИ

1000 755

+25

+30

+35

ь, °С

+40

Рис. 5. Зависимость критического радиуса кривых от температуры закрепления: а - при Та = 110 °С; б - Та = 118 °С; при проходе тепловозов со скоростью V: © - 60 км/ч; © - 70 км/ч; ® - 80 км/ч; © - 90 км/ч

так же как и электровоза 3ЭС5К. Критические радиусы кривых дополнительно увеличены по сравнению с таковыми у тепловоза 3ТЭ25К и электровоза ВЛ-80, и сфера применения бесстыкового пути существенно сокращена.

Изменение величины Др при проходе электровозов ВЛ-80 и 2ЭС7 со скоростью 60 и 90 км/ч и дополнительное уменьшение Др при проходе 2ЭС7 по сравнению с ВЛ-80 представлено на рис. 7. При скорости движения 60 км/ч уменьшение Др происходит с 97 до 37 °С (на 61,9 %). При скорости движения 90 км/ч оно более значительное. При R = 500 м Др = 53 °С и падение Др достигает 39,1 % (см. рис. 7).

Таким образом, проведенный анализ результатов по расчетному и оптимальному интервалу закрепления бесстыковых плетей при внедрении в эксплуатацию современных электровозов и тепловозов значительно сокращает сферу применения бесстыкового пути. Для расширения сферы применения современных локомотивов 2ЭС5 и 2ЭС7 распоряжением ОАО «РЖД» от 8 июля 2019 г. №№ 1376/р в действующую Инструкцию [2] внесены изменения по увеличению величины допускаемого охлаждения рельсов Др без снижения воздействия на путь данных локомотивов.

851

690

б)

2500

а)

а)

+60 р, °С

+50

+40

+30

+20

+10

32

25

б) )

— -1000 4 Я

+60 tр, °С

+50

+40

+30

+20

+10

6

32

25

— -1000 4 Я

Рис. 6. Расчетный и оптимальный интервалы закрепления бесстыковых плетей при проходе электровозов 2ЭС5 (а) и 2ЭС7 (б) со скоростью V: ® - 60 км/ч; © - 70 км/ч; ® - 80 км/ч; ® - 90 км/ч

Увеличение тяговых характеристик локомотивов дает повышение силового воздействия на рельсовые плети. При проектировании и изготовлении нового тягового подвиж-

ного состава необходимо обеспечивать определенные нормативные параметры воздействия на элементы железнодорожного пути.

6

0

1

2

3

0

1

2

3

120

120

Atp,%

— 1000 4 R ,

2000 о 1000 о

600 500

400

350

300

R, м 250

Рис. 7. Изменение допускаемого охлаждения рельсов от радиуса кривой при проходе электровозов: ©, © - ВЛ-80 со скоростью 60, 90 км/ч; ®, ® - 2ЭС7 со скоростью 60, 90 км/ч; ®, © - уменьшение Др в % при проходе 2ЭС7 по сравнению с проходом ВЛ-80 при скорости движения 60, 90 км/ч

Расширить сферу применения бесстыкового пути можно за счет [9, 10]:

- грамотного применения расчетных температур рельсов по результатам натурных наблюдений;

- кратковременного снижения скоростей движения поездов при температурах ниже критических [4, 6];

- сезонной разрядки температурных напряжений в бесстыковых плетях [4, 11];

- повышения минимальной температуры закрепления в кривых малого радиуса за счет дополнительных технических решений, предусмотренных в Инструкции [2].

Библиографический список

1. Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути / ОАО «РЖД». М., 2012. 137 с.

2. Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути / ОАО «РЖД». М., 2016. 176 с.

3. Стоянович Г. М., Пупатенко В. В. Бесстыковой путь в Дальневосточном регионе при тяжеловесном движении // Путь и путевое хозяйство. 2015. № 9. С. 7-8.

4. Стоянович Г. М., Пупатенко В. В. Вопросы укладки и содержания бесстыкового пути в суровых природно-климатических и эксплуатационных условиях // XV Международная науч.-техн. конф. МГУПС, 2018. С. 14-18.

5. Стоянович Г. М., Пупатенко В. В. Укладка бесстыкового пути в сложных условиях // Мир транспорта. 2015. № 5. С. 64-71.

6. Проектирование и расчеты элементов верхнего строения железнодорожного пути : учеб. пособие / Н. И. Карпущенко, П. С. Труханов. Новосибирск : Изд-во СГУПС, 2016. 192 с.

7. Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения надежности / ОАО «РЖД». М., 2017. 83 с.

8. Распоряжение ОАО «РЖД» от 8 июля 2019 года № 1376/р «О внесении изменений в Инструкцию по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути». URL: https://docs.cntd.ru/document/608309997 (дата обращения: 12.09.2021).

1

2

3

оо

9. Стоянович Г. М. Расчеты верхнего строения пути на прочность и устойчивость : курс лекций. Хабаровск : Изд-во Дальневост. гос. ун-та путей сообщения, 2020. 86 с.

10. Управление надежностью бесстыкового пути / под ред. В. С. Лысюка. М. : Транспорт, 1999. 373 с.

11. Технические указания по укладке и содержанию бесстыкового пути / МПС СССР. М. : Транспорт, 1982. 168 с.

G. M. Stoyanovich, V. V. Pupatenko

Scope Definition of Continuously Welded Rails when Adopting Modern and Perspective Engines

Abstract. According to the current regulatory documents, we determine the scope of the continuously welded rails when adopting modern and perspective domestic locomotives into operation. We present results of the comparing the calculated and optimal intervals of continuously welded rails fixing. We calculated critical curve radius for the continuously welded rails laying and maintenance for the locomotives 3ES5K, 2TE25K, 2EC5, and 2EC7. Adoption of the modern locomotives with higher haulage performance considerably reduces the application of the continuously welded rails of the thermal stress type in the curved tracks.

In harsh climatic conditions with large rails temperature variation amplitudes, the scope of the continuously welded rails of the thermal stress type in the curved tracks is significantly reduced when the locomotive velocity increases and the radius of the curve decreases. In addition, the possibility of laying continuously welded rails is influenced by the fastening temperature of the rail strings. There is a significant decrease in the estimated range of fixing continuously welded rails during the passage of the 3ES5K electric locomotive in comparison with the previously used VL-80 due to a decrease in the admissible rail cooling to 20 °C in a curve with a radius of 250 m. This is caused by an increase in stresses in the edges of the rail foot from bending and torsion under the load from the locomotive wheels in winter. While the increase in stresses from the VL-80 wheels in a curve with a radius of 250 m reaches 45 %, the same for the 3ES5K locomotive is 90 %. Even more serious decrease in the scope of the continuous welded rails is observed for electric locomotives like 2ES5 and 2ES7 types, which are equipped with induction motors.

A similar situation arises with the adopting of the 3TE25K diesel locomotive on the Far Eastern Railway. If the velocity of the locomotive is 90 km/h and an annual temperature variation amplitude TA is 110 °C, the critical radius for laying a continuous welded rails varies from 426 to 851 m at a fixing temperature, respectively, from 20 to 40 °C. If TA is 118 °C, the critical radius increases to the values from 476 to 4 000 m.

To expand the scope of the locomotives discussed above, it is necessary to apply additional technical solutions.

Key words: estimated and optimal range of fixing continuously welded rails; critical radius; admissible range of rails cooling; movement velocity.

Стоянович Геннадий Михайлович - доктор технических наук, профессор кафедры «Железнодорожный путь» Дальневосточного государственного университета путей сообщения. E-mail: gm_sto@mail.ru

Пупатенко Виктор Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Железнодорожный путь» Дальневосточного государственного университета путей сообщения. E-mail: pvv@festu.khv.ru