План трассы железнодорожного пути
ПЛАН ТРАССЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ (план линии) – проекция трассы на горизонтальную плоскость. Состоит из трех элементов: прямых участков, круговых кривых и переходных кривых. Основные показатели плана линии включают: долю кривых в общей протяженности трассы, угол поворота, приходящийся на один километр длины линии, средний и минимальный радиусы кривых. Кроме того, важным показателем для содержания ж.-д. пути является протяженность (удельный вес) кривых различных радиусов – с величиной до 600 м, от 600 до 1200 м и более 1200 м.
Прямые участки пути
Прямые участки пути характеризуются протяженностью и направлением (дирекционным углом). Нормы проектирования ограничивают минимальную длину прямых вставок между смежными кривыми. Использование кривых при проектировании ж. д. необходимо для обхода плановых и высотных препятствий, вывода трассы на фиксированное направление (линии примыкания, мостовые переходы и т.д.), сокращения объемов и стоимости земляных работ и водопропускных сооружений при вписывании в рельеф местности. С другой стороны, чем больше кривых на трассе ж. д., тем сложнее условия эксплуатации линии, особенно текущее содержание ж.-д. пути, и хуже некоторые строительные показатели.
При движении поезда по криволинейным участкам возникает центробежная сила, следствием которой является негативное воздействие на пассажиров, повышенный износ верхнего строения пути и подвижного состава. Для обеспечения комфортабельной езды пассажиров при движении поездов по кривым участкам ограничивают максимальное значение непогашенного ускорения (от 0,4 до 0,7 м/с2 в зависимости от скорости движения). Часть бокового ускорения компенсируют возвышением наружной нити рельсовой колеи, максимальная величина которого не должна превышать 150 мм. В необходимых случаях предусматривают ограничение скорости проследования поездами кривых участков пути с малыми значениями радиусов.
Для обеспечения стабильности ж.-д. пути в кривых участках основную площадку земляного полотна уширяют с наружной стороны на величину 0,2-0,5 м в зависимости от величины радиуса. При радиусах менее 600 м уширяют также балластную призму (на 0,1 м). На дорогах II категории в кривых радиусом менее 1200 м увеличивают эпюру шпал (2000 вместо 1840 шт./км). Для улучшения условий вписывания подвижного состава в кривых участках увеличивают ширину колеи. Кроме того, увеличивают габаритные расстояния в горизонтальной плоскости, в т. ч. междупутья, а также сокращают пролеты между опорами контактной сети на линиях с электрической тягой.
При движении поезда по кривым участкам возникает дополнительное сопротивление движению поезда, обратно пропорциональное величине радиуса, и уменьшается коэффициент сцепления колес с рельсами, особенно в кривых малых радиусов (до 500-800 м). На участках напряженного хода это обстоятельство должно быть компенсировано либо соответствующим уменьшением (смягчением) ограничивающих уклонов, либо снижением весовой нормы поезда. При сложном рельефе местности вынужденное недоиспользование ограничивающего уклона может существенно удлинить трассу или увеличить объемы земляных работ, а уменьшение весовой нормы приводит к возрастанию эксплуатационных расходов по движению поездов и снижению провозной способности дороги. С точки зрения безопасности движения при расположении земляного полотна в выемках может ухудшиться видимость на криволинейных участках пути. Для круговых кривых нормами проектирования (СТН Ц-01-95) регламентированы значения минимальных величин радиусов. На ж.-д. линиях МПС РФ различных категорий, за исключением высокоскоростных магистралей, в зависимости от категории по нормам проектирования и условий строительства рекомендованы радиусы от 350 м (соединительные пути дорог IV категории) до 3000 м (скоростные ж. д.). В трудных и особо трудных условиях при соответствующем обосновании нормами допускаются меньшие величины радиусов. На переустраиваемых ж. д. целесообразность изменения радиусов должна быть обоснована технико-экономическими расчетами. Максимальные значения радиусов, как правило, не должны превышать 4000 м. На высокоскоростных магистралях величина радиусов по нормативным требованиям составляет 4000-7000 м.
При небольших углах поворота длина круговой кривой после устройства переходных кривых должна иметь достаточную протяженность – не менее длины базы вагонов (примерно 20 м). В противном случае для обеспечения плавности движения увеличивают радиус кривой. При сооружении дополнительных главных путей на едином земляном полотне кривые проектируют концентрично существующим с уменьшением или увеличением радиуса на величину междупутного расстояния с учетом (в необходимых случаях) габаритного уширения.
Переходные кривые
Переходные кривые устраивают в местах сопряжения прямых участков пути и круговых кривых, а также при сопряжении двух смежных круговых кривых разного радиуса (составные кривые). Переходные кривые необходимы для распределения по длине воздействия силовых факторов, возникающих при въезде поезда на кривую, плавного отвода возвышения наружного рельса и кривизны пути, а также изменения геометрических параметров земляного полотна, балластной призмы и рельсовой колеи. Наилучшим образом указанным функциям соответствует радиоидальная спираль (клотоида), которую и рекомендуется использовать на железных дорогах РФ. Для кривых с достаточно большим значением радиуса, когда переходные кривые имеют сравнительно небольшую длину, радиоидальная спираль практически не отличается от кубической параболы.
Размещение переходной кривой на плане осуществляют различными способами. Один из методов, наиболее часто используемых на новых ж. д., предполагает сдвиг центра круговой кривой, вписанной в угол поворота (линия 1 на рис. 3.88), по биссектрисе на величину
где α – угол поворота кривой, в градусах; р – сдвижка концов круговой кривой, равная ρ=l2/(1-l2/112R2)+l4/(21120R4)-...)/(24R); l - длина переходной кривой; R- радиус круговой кривой. При детальной разбивке плана для каждой кривой определяют суммарный тангенс Тс и суммарную длину кривой Кс:
где T = Rtg(α/2) называется тангенсом круговой кривой; Тр = ρ tg(α/2) – проекция сдвига центра кривой на тангенс; m – проекция половины переходной кривой на тангенс. Значения Тс и Кс указывают на схематическом плане продольного профиля и на плане трассы железной дороги.
Наиболее важным параметром переходной кривой, влияющим на безопасность и плавность движения поездов, является ее длина. Из условий, влияющих на протяженность переходной кривой, к определяющим относят условия отвода наружного возвышения рельсовой нити, из которых наибольшая длина необходима для ограничения скорости подъема колеса на возвышение и предотвращения схода колес с рельсов внутренней нити. Ограничение скорости подъема позволяет уменьшить ударное воздействие колеса на наружный рельс в месте отвода возвышения. Длина переходной кривой для прямолинейного отвода возвышения, реализуемого на дорогах РФ, определяется из условия:
где h – возвышение наружного рельса, в мм; Vmax – скорость движения поезда, в км/ч; f – допускаемая скорость подъема колеса на наружный рельс, в мм/с.
Согласно нормам проектирования СТН Ц-01-95 на новых скоростных линиях, а также на дорогах I и II категорий для определения минимальной длины переходных кривых допускаемая скорость подъема колеса на наружный рельс принимается равной 28 мм/с. В трудных и особо трудных условиях строительства новых ж. д., а также при переустройстве существующих линий величина f может быть увеличена до 35 мм/с. На ж. д. со скоростями движения не более 120 км/ч (особогрузонапряженные линии, дороги III и IV категорий) длины переходных кривых определяют из выражения:
где i – уклон отвода возвышения наружного рельса, принимаемый, с учетом предотвращения схода колес, равным на особогрузона-пряженных линиях 1%, а в трудных условиях и на дорогах III и IV категорий – 2%.
Величину возвышения наружного рельса устанавливают в соответствии с Методикой, утвержденной МПС РФ в 1997 г., по соответствующим скоростям для пассажирского и грузового поездов, а также для всего поез-допотока (принимается наибольшее значение). Длины переходных кривых должны быть кратны 10 м и составлять величину не менее 20 м – при сопряжении прямой и круговой кривой и 30 м – при сопряжении кривых с разными радиусами. Составные кривые допускаются лишь при реконструкции и капитальном ремонте пути и при условии, что протяженность участков одинаковой кривизны не менее 300 м, а в трудных условиях – 200 м.
При въезде подвижного состава на кривую и выезде из нее возникает вращение экипажей вокруг вертикальной и продольной осей, обусловленное кривизной и отводом возвышения наружного рельса, что приводит к сложным колебаниям подвижного состава. Если кривые расположены на небольшом расстоянии одна от другой, то колебания, вызванные первой кривой, могут не успеть затухнуть до въезда во вторую кривую. Такие кривые называют зависимыми. В этих случаях для обеспечения плавности движения необходимо обеспечить минимальную прямую вставку, на которой движение экипажа должно быть стабилизировано. Допустимое значение длины вставки d определяется зависимостью d — v/n, где v – скорость движения поезда, в м/с, п – коэффициент, зависящий от соотношения частоты боковых колебаний вагонов и количества колебаний, необходимых до их затухания (п = 0,4-0,7). В соответствии с нормативными требованиями минимальные длины прямых вставок в зависимости от категории ж. д. и взаимной направленности кривых должны быть не менее 30-150 м. При этом полагают, что условия движения поезда при проследовании двух односторонних кривых более сложные, чем при движении по разносторонним (обратным) кривым, так как во втором случае не меняется направление вращения экипажа вокруг продольной оси. На высокоскоростных магистралях предусматривается длина прямых вставок не менее 200-300 м.
При переустройстве ж.-д. линий и проведении капитальных ремонтов пути производят выправку существующего плана и его реконструкцию с целью приведения параметров в соответствие с современными требованиями, обеспечения габаритных расстояний и т. д. Для этого выполняют съемку плана ж.-д. пути и после обработки результатов измерений получают модель плана. Далее определяют параметры существующего плана и сдвиги (рихтовки) пути, необходимые для придания плану правильного геометрического очертания. За основу принимают ось существующего пути. Выправка плана является многовариантной задачей с большим количеством ограничений и подлежит оптимизации. В качестве критерия, как правило, принимают минимум суммы квадратов сдвигов. Затем, в необходимых случаях, проектируют реконструкцию плана и определяют окончательные (проектные) параметры и подвижки оси пути в намеченных точках пикетажа. Для разработки проектов плана при реконструкции ж. д., сооружении вторых путей и производстве капитального ремонта созданы новые информационные технологии, в основу которых положены различные методы расчета выправки кривых.