севостьянова 1

дима для возможности перевозки громоздких грузов, в том числе карет. Кроме того, данная ширина колеи позволяла в будущем увеличить мощность паровозов.

При строительстве магистрали Санкт-Петербург–Москва вновь возник вопрос о ширине колеи. Павел Петрович Мельников после изучения железнодорожного дела в США писал «Трудно допустить, чтобы «измерение» для одного из главных элементов железнодорожного пути (ширины рельсовой колеи) принятое почти случайно на первой дороге Англии было выгодным для всех железных дорог вообще…».

Увеличение ширины колеи открывало перспективы роста грузопотока, но сдерживалось повышенной материалоемкостью, снижением прочности пути и подвижного состава.

Многие лучшие инженеры Америки в эти годы полагали, что сейчас бы они стали применять ширину колеи шире 1435 мм.

В августе 1842 г. была создана специальная комиссия под председательством генерал-лейтенанта М. Дестрема. В нее входил ярый сторонник широкой колеи консультант – американский инженер – майор Г. Уистлер. Он предложил колею шириной 5 футов (1524 мм). Она была принята и стала нормой для железных дорог России. Ширина колеи 1524 мм по сравнению со стефенсоновской повышала устойчивость подвижного состава, увеличивала пропускную способность и скорость движения.

Россия стала первым в мире государством, на железных дорогах которго был установлен единый стандарт – расстояние между рельсами – 1524 мм.

В это время в Америке насчитывалось более 16 разных размеров ширины колеи.

На сегодня протяженность полутораметровой ширины колеи составляет более 227 тыс. км (на всей территории бывшего Советского Союза, Монголии и Финляндии).

Третье место в мире по протяженности занимают железные дороги с колеей S = 1067 мм – «капская колея». Применяется в странах Южной Африки, Австралии, Новой Зеландии, на Сахалинской железной дороге (РФ), Японии. Протяженность линий с «капской» шириной колеи составляет 112 тыс. км.

По поводу происхождения «капской» колеи существует две версии. Одна связана с историческим фактом. Первые в мире магистральные

дороги были построены в Капской провинции Южной Африки.

Другая версия гласит, что К.А.П. – это инициалы инженера Карла А. Филиса, построившего железную дорогу на севере Норвегии, изолированную от других линий этой страны.

Метровая колея – 1000 мм используется в Аргентине, Бразилии, Чили, во Вьетнаме, Таиланде и др. странах Азии и Африки. Эта колея занимает четвертое место по протяженности – 95 тыс. км.

21

«Иберийская» колея – 1668 мм эксплуатируется в Испании, Португалии. Испания и Португалия находятся на Пиренейском полуострове, а его древнее название было – Иберия, поэтому и колея получила название «иберийская».

Индийская колея равна 1676 мм и используется в Индии, Иране, Пакистане, Бангладеш, Таиланде и др. странах Азии, в Аргентине и Чили тоже применяют эту ширину колеи.

1600 мм – «ирландская» колея в Ирландии, Бразилии и на части Австралии.

Узкоколейные железные дороги применяются во многих странах мира с шириной колеи 750 или 760 мм.

В России узкоколейные дороги устраивают с шириной 750 мм.

2.2.2. Ширина колеи на дорогах России

На железных дорогах России принято измерять ширину колеи (S) на прямых и в кривых участках пути между рабочими гранями рельсов на уровне расчетной плоскости, то есть ниже поверхности катания колеса по рельсу на 13 мм [1].

Размеры и допускаемые отклонения ширины колеи (S) и ширины колесной пары (q) установлены с таким расчетом, чтобы обеспечить наличие необходимой для нормального движения колесной пары по рельсовой колее суммы зазоров δ1 и δ2 между гребнями колес и рельсами.

Вследствие колебания («виляния») колесная пара в прямой может занять любое промежуточное положение, при этом величины зазоров δ1 и δ2 будут меняться, но их сумма δ1+δ2=δ в данном сечении пути для конкретной колесной пары – величина постоянная. При полном прилегании гребня одного колеса к рельсу зазор δ оказывается на противоположной стороне. Из рис. 1 видно, что ширина колеи равна:

где q – ширина колесной пары;

δ – суммарный зазор между рабочими гранями рельсов и ребордами колес;

ξs – упругое уширение ширины колеи под подвижным составом. Обычно при исправном состоянии пути и подвижного состава упругое расширение колеи ξs = 2 мм в прямых участках пути и 4÷8 мм в кривых. Величина отжатия зависит от типа рельсов, состояния скреплений и шпал, нагрузки на ось, скорости движения. Под тяжеловесными нагрузками отжатие рельса может превышать 8 мм.

Зазор δ необходим для: уменьшения износа рельсов и гребней колес; уменьшения сопротивления движению поездов; недопущения вползания гребня колеса на рельс.

22

В то же время чем больше суммарный зазор и скорость движения, тем больше будут горизонтальные поперечные силы, возникающие при виляющем движении экипажа на прямых, и тем сильнее возможны удары гребней колес в рельсы при косых набеганиях колес в прямых и при входе в кривые участки пути, при этом ухудшаются условия комфортабельности езды пассажиров.

Силы бокового воздействия гребней на рельсы в прямых могут достигать 30…40 кН и более. Эти силы зависят от скорости набегания колес на рельсы при «вилянии», которая будет тем больше, чем чаще и больше размах (амплитуда) виляния. В результате путь быстрее расстраивается, требуются большие затраты на его техническое обслуживание. Вот почему желательно уменьшение зазора между гребнем колеса и рельсом особенно при скоростях движения свыше 120 км/ч.

Практически уменьшить зазор δ возможно за счет:

1. Увеличения ширины колесной пары, ужесточая допусковые отклонения по сужению насадки колес Òmin = 1440 − 1 = 1439 мм и увеличения ми-

нимально допустимой ширины гребней колес hmin = 28 мм.

2. Уменьшения ширины колеи.

Ширина рельсовой колеи S=1524 мм (5 футов), принятая в 1842 г., была государственным стандартом для всех русских железных дорог вплоть до 1970 года.

Всередине пятидесятых годов прошлого столетия во ВНИИЖТе под руководством В.Д. Никифоровского были проведены исследования по установлению оптимальной ширины колеи на прямых участках пути.

С 1965 г. исследования влияния ширины колеи 1520 мм на прямых и кривых радиусом до 350 м проводила кафедра «Путь и путевое хозяйство» ВЗИИТа под руководством М.А. Чернышова. На Свердловской, ЮжноУральской, Северо-Кавказской, Московской и Львовской дорогах были организованы эксплуатационные наблюдения. За два года наблюдений не было выявлено никаких отрицательных последствий в части увеличения количества выхода рельсов по дефектам. Исследования показали, что на участках пути с шириной колеи равной 1518 мм количество дефектных рельсов было больше, чем на участках с шириной колеи 1524 мм. уменьшение ширины колеи на 4 мм, т.е. S=1520 мм не повлияло на увеличение выхода рельсов по дефектам.

На основе экспериментальных и теоретических исследований была регламентирована ширина колеи S=1520 мм на прямых и в кривых радиусом R≥350 м.

На существующих линиях впредь до их перевода на колею 1520

мм(при капитальном ремонте пути) допускается на прямых участках пути и в кривых радиусом более 650 мм номинальный размер ширины колеи S=1524 мм.

В1970 году эти нормы вошли в ПТЭ [4].

23

На Сахалинской железной дороге номинальный размер ширины колеи S=1067 мм. В последние годы частично железные дороги Сахалина реконструируют с изменением ширины колеи, т.е. устраивают ее равной

1520 мм.

Размеры колесных пар, рельсовой колеи и суммарного зазора δ приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Размеры колесных пар и рельсовой колеи на прямых, мм

2.2.2.1. Допуски содержания рельсовой колеи по ширине

Содержание ширины колеи в соответствии с нормой – одна из главных задач. Однако под воздействием поездов ширина колеи меняется, и содержать ее совершенно неизменной практически невозможно. Поэтому введены допуски, которые указывают возможные пределы ее уширения и сужения.

Выбор допусков связан с условиями взаимодействия пути и подвижного состава, с интенсивностью и скоростью движения поездов. Величина до-

пусков ширины колеи – это вопрос как технический, так и экономиче-

ский. Оптимальные допуски ищутся уже более 100 лет.

В истории развития железных дорог России допуски неоднократно менялись. В 1894 г. при номинальном значении ширины колеи S=1524 мм были установлены допуски +0,003 и -0,001 саженей (+6,4 мм и -2,13 мм). Периодически допуск меняли так: в 1922 г. допуски +6, -0; в 1928 г. +10, -0; в 1935 г. +6, -2; в 1962 г. +6, -4. Последние допуски просуществовали до

1996 г.

24

Вмарте 1996 г. были установлены допуски на уширение +8 мм и на сужение -4 мм на участках, где приказом начальника дороги установлена скорость движения поездов 50 км/ч и более.

На участках с меньшими скоростями, т.е. при V<50 км/ч допуски на уширение +10 мм и на сужение -4 мм.

Допустимыми пределами колебаний в размерах ширины колеи покрывается влияние неточности пришивки, обжатия скреплений, небольших неровностей рельсов и скреплений, износа рельсов и скреплений, некоторого расплющивания головок рельсов в стыках, небольшого остаточного отжатия промежуточных скреплений в процессе эксплуатации.

Некоторое увеличение поля допусков в 1996 г. было связано с тем, что

вэтот период увеличился полигон с кустовой гнилостностью шпал, стоимость деревянных шпал возросла, поэтому изменение допусков, т.е. увеличение поля допусков до 12 мм уменьшило число перешивок пути, в результате увеличился срок службы деревянных шпал и уменьшились расходы на текущее содержание пути. Допускаемые величины отклонений отступлений по ширине колеи приведены в [2, 3, 5].

Для обеспечения плавности хода регламентируются не только абсолютные значения допустимых отклонений по ширине колеи, но и степень пологости изменения ширины колеи в пределах этих допусков.

Резкое изменение ширины даже в пределах допусков вызывает внезапный толчок подвижного состава. Такой толчок порождает большие боковые силы, что может нарушить безопасность движения поездов особенно на бесстыковом пути температурно-напряженного типа в период действия сжимающих продольных температурных сил.

На участках, где установлена максимальная скорость движения

пассажирских поездов до Vmax=140 км/ч плавность отвода (уклон отвода) по ширине колеи должна быть не более i=1‰ (т.е. 1 мм на 1 пог. м пути). При скоростях 140÷159 км/ч – i=0,67‰ (1 мм на 1,5 м); при скоростях 160 км/ч и более уклон отвода i=0,5‰ (т.е. 1 мм на 2 пог. м).

При текущем содержании пути нормы допускаемого уклона отвода ширины колеи для установленной скорости регламентируются [3].

Всоответствии с Инструкцией по текущему содержанию пути (ЦП-774) при превышении допускаемого уклона отвода ширины колеи для установленной скорости, определяемого на базе 2 м, скорость уменьшается до значений, соответствующих фактическому уклону отвода, вплоть до закрытия перегона для движения поездов.

Предельно допускаемые уклоны отвода ширины колеи, определяемые на базе 2 м приведены в табл. 2.2.

25

При уклоне отвода ширины колеи более 5‰, в том числе и при измерении на базе 1м, путь для движения поездов закрывается и принимаются меры к немедленному устранению неисправности пути.

Уклон отвода ширины колеи при ручных промерах определяется как разность значений ширины колеи в сечениях пути через 2 м, уменьшенная на разность величин бокового износа рельсов в этих сечениях и деленная на 2000 м.

Пример: Ширина колеи в сечении 1 составляет 1530 мм и боковой износ головки наружного рельса 4 мм; в сечении 2 (через 2 м) – ширина колеи 1535 мм и боковой износ 6 мм; уклон отвода ширины колеи составляет:

2.2.2.2. Обоснование предельно-допускаемых размеров ширины колеи

Для оценки допустимости установленных отклонений по ширине колеи определены размеры ширины колеи, которые являются опасными при ее сужении и уширении. Предельные отклонения ширины колеи по суже-

нию и уширению определены из условия обеспечения безопасности движения поездов.

1. Опасный предел по сужению ширины колеи [Smin] определяется из условия недопущения заклинивания колесной пары, имеющей максимальные размеры (qmax=1511 мм).

где Tmax – максимальныя величина насадки, Tmax=1443 мм; hmax – максимальная ширина гребня колеса, hmax=33 мм;

μ – утолщение гребня выше расчетной плоскости, для вагонных колес μ=1 мм.

26

Следовательно, заклинивание колесной пары в рельсовой колее на прямых становится возможным при ширине колеи Smin=1511 мм.

Согласно ПТЭ минимально допустимая ширина колеи [Smin]=1512 мм. При ширине колеи S≤1511 мм перегон закрывается для движения поездов.

2. Опасный предел по уширению колеи [Smax] определяется из усло-

вия недопущения провала колесной пары, имеющей минимальные размеры. Началом провала колес считается такое положение, когда одно из колес прижато к рабочей грани рельса, а другое опирается фаской (6х6 мм) на боковую выкружку рельса (см. рис. 15).

Рис. 15. Расчетное положение колесной пары при определении максимально допустимой ширины колеи

Такое положение колесной пары возможно при ширине колеи

где hmin – минимальная ширина гребня колеса, hmin=25 мм;

μ – утолщение гребня выше расчетной плоскости, μ=1 мм; Тmin – минимальная величина насадки, Тmin=1437 мм;

124 – расстояние от внутренней грани колес до начала фаски колеса

(6х6 мм);

r13 – горизонтальное расстояние от начала закругления головки рельса до ее рабочей грани, r13=13 мм.

Следовательно, провал колесной пары возможен при ширине колеи равной Smax = 25 + 1+ 1437 + 124 − 13 = 1574 мм.

Однако практически опасность схода может наступить при ширине колеи меньше 1574 мм, когда точка перехода коничности поверхности катания колеса 1/20 в 1/7 совпадет с началом закругления головки рельса (см.

рис. 15) и Smax будет равна Smax = 25 + 1+ 1437 + 100 − 13 = 1550 мм.

В этом случае, если будет иметь место большой боковой толчок или плохие шпалы, или изношенные промежуточные скрепления, то возникнет дополнительное распирание колеи. Сразу колесо не провалится, но через

27

несколько оборотов оно может отжать рельсовую нить и соскользнуть с нее внутрь колеи.

Учитывая упругий изгиб осей колесных пар под нагрузкой (ξq=2 мм) и упругие изменения (увеличение) ширины колеи (ξs=2 мм) под подвижным составом в ПТЭ максимально допустимая ширина колеи, обеспечи-

вающая безопасный пропуск подвижного состава принята равной

[Smax]=1548 мм (см. [4]).

Таким образом, при ширине колеи S≤1511 мм и при S≥1547 мм путь закрывают для движения поездов.

2.3. Положение рельсовых нитей по уровню

По высоте обе рельсовые нити должны быть на одном уровне. Однако еще в начале 80-х годов 19 века некоторые дороги практиковали содержание пути с превышением одной нити над другой на 0,002 сажени (4 мм). С 1952 года, в связи с повышением скоростей движения поездов на Челябинском направлении, было вновь принято и внесено в ПТЭ решение со-

держать перешивочную нить выше рихтовочной.

Внастоящее время рекомендуется (см. [3] с. 16) перешивочную нить содержать выше рихтовочной на 6 мм: на прямых длиной не менее 200

мза исключением прямых участков, расположенных между смежными кривыми одного направления; на всех мостах с ездой на балласте; на металлических мостах с ездой поверху и длиной не более 25 м.

На металлических мостах длиной более 25 м, в тоннелях, на стрелочных переводах и на подходах к ним на протяжении 25 м рельсовые нити должны быть в одном уровне.

Перечень прямых участков, где разрешается содержание одной рельсовой нити выше другой на 6 мм, устанавливается приказом начальника дистанции пути.

Вчем польза от устройства понижения одной нити относительно другой? Когда экипаж движется по такому пути, он слегка наклоняется. При этом возникает боковая сила, которая старается прижать колеса к пониженной (рихтовочной) нити. Поэтому, хотя подвижной состав и виляет при движении в колее, он двигается, придерживаясь в основном рихтовочной, т.е. более плавной нити. (Напоминаю, рихтовочноую нить по направлению в плане выравнивают с помощью оптических приборов или бинокля). Это способствует более плавному движению поезда, в первую очередь, на участках с высокими скоростями.

Ощутимая польза от понижения одной из нитей достигается лишь в том случае, если это понижение одинаково и постоянно на всем протяжении прямой. Если же понижение будет непостоянным, то возникнут дополнительные причины колебания вагонов и вместо пользы будет вред.

28

Номинальный уклон отвода по уровню от нормы 6 мм к нулевому положению не должен превышать 1‰ (1 мм на 1 пог. м) (см. [3] с. 17).

2.3.1. Нормы и допуски содержания рельсовой колеи по уровню

От нормального положения рельсовой колеи по уровню возможны два принципиально различных вида отклонений.

Первый – превышение одной рельсовой нити над другой выше установленных допусков влечет за собой несколько большую нагрузку на пониженную рельсовую нить, а при длительном его оставлении – несколько больший ее износ.

Второй – перекос нитей (см. рис. 16), это резкие отклонения по уровню рельсовых нитей от среднего положения сначала в одну, затем в другую сторону с расстоянием между вершинами (т.е. наибольшими отклонениями по уровню) 20 м и менее (величина 20 м определяется самой большой длиной единицы подвижного состава).

Рис. 16. Утрированная схема образования перекосов пути

Если суммарное отклонение рельсовых нитей по уровню в разные стороны превышает 8 мм, то требуется устранение такой неисправности.

Превышающий установленные допуски перекос является опасным видом отступления в положении рельсовых нитей по уровню, так как при следовании по нему подвижного состава может получиться разгрузка отдельных колес. Разгрузка колеса от вертикальной силы при сильном боковом прижатии его гребня к рельсу может вызвать вкатывание гребня колеса на рельс и сход подвижного состава. Перекосы тем опаснее, чем выше скорость.

Отводы отклонений от правильного положения рельсовых нитей по уровню не должны превышать 1 мм на 1 метр длины пути при скоростях движения до 140 км/ч, при скоростях более 141 км/ч – 1 мм на 1.5 м.

Допускаемые величины степеней отступлений по уровню, перекосам и просадкам приведены в [2, 3, 5].

29

2.4. Подуклонка рельсов

В прямых участках пути на железных дорогах России рельсы ставят с наклоном к горизонту (с подуклонкой) 1/20. Подуклонка 1/20 соответствует коничности колеса 1/20. Подуклонка обеспечивает центральность передачи вертикальной силы от конических колес на рельсы и увеличивает сопротивление рельсов горизонтальным поперечным силам.

Подуклонка рельсов на пути с деревянными шпалами формируется за счет клинчатых подкладок (см. рис. 17), а на пути с железобетонным подрельсовым основанием за счет наклона опорной подрельсовой площадки (см. рис. 18) опоры (железобетонных шпал, плит, рам).

Рис. 17. Подкладки к рельсам Р65 и Р75:

а – для прямых и пологих кривых; б – для средних и крутых кривых

Рис. 18. Подрельсовая площадка железобетонной шпалы

Допуски в содержании подуклонки рельсов на прямых и наружной рельсовой нити в кривых не менее 1/60 (при этом увеличивается ширина колеи на 6 мм) и не более 1/12 (соответственно ширина колеи уменьшается на 6 мм).

В кривых при возвышении наружного рельса более 85 мм нормы содержания подуклонки внутреннего рельса: не менее 1/30 и не более

1/12. Объясняется это следующим. Если расстояние между осями головок рельсов S1=1600 мм умножить на подуклонку 1/20, то получится превыше-

30