Обеспечение безопасности и плавности движения поездов

Общие положения. Важнейшее требование при проектировании продольного профиля и плана железной дороги — обеспечение безопасности и плавности движения поездов. Необходимо предотвратить возникновение в поезде больших продольных сил ударного характера, могущих привести к разрушению конструкций вагонов, а также таких продольных сил, которые могут вызвать сход подвижного состава с рельсов (см. п. 3.6). В пассажирских поездах необходимо обеспечить продольные ускорения на уровне, не нарушающем плавности движения поезда.

При пересечении проектируемых дорог с другими путями сообщения следует обеспечить безопасность движения по новой и существующим дорогам.

На участках железных дорог с крутыми затяжными уклонами должна быть обеспечена безопасность движения поездов по спускам исходя из условий работы тормозных средств поезда.

Большое значение для безопасности движения поездов имеет предотвращение затопления земляного полотна.

Обеспечение в поездах допускаемых значений продольных сил и ускорений.

В п. 3.5 указаны значения продольных сил в движущихся поездах, которые не должны быть превышены по условиям прочности грузовых вагонов и их устойчивости против схода с рельсов. По условиям обеспечения комфортности поездки продольные ускорения в пассажирских поездах должны быть не более 3—5 м/с2.

Наиболее неблагоприятными по условию возникновения в поезде больших продольных сил и ускорений являются участки пути, профиль которых изображен на рис. 3.21. Значения этих сил и ускорений зависят не только от очертания профиля, но и от управляющих воздействий при движении поезда: сброса или набора тяги, приведения в действие или отпуска тормозов. К этим действиям машинист прибегает наиболее часто при движении поезда по пути с резко изменяющимся профилем (см. рис. 3.21), и тогда налагаются усилия и ускорения поезда, вызванные переломом профиля и управляющими воздействиями.

Как указано в п. 3.6, для уменьшения продольных сил и ускорений в поезде следует на переломах профиля устраивать сопрягающие кривые больших радиусов. Анализ показывает, что наиболее неблагоприятен с точки зрения возникающих в поезде сил и ускорений случай, когда при движении по участку, содержащему перелом профиля, применяется регулировочное торможение, т.е. периодическое включение и отпуск пневматических тормозов состава. В этом случае радиус сопрягающей кривой на переломе профиля должен быть наибольших значений. Это — так называемые рекомендуемые нормы сопряжения элементов профиля. Если на данном участке пути заведомо исключаются регулировочные торможения, то радиус сопрягающей кривой может быть меньших значений. Это допускаемые нормы.

Из формулы (3.21) следует, что при данном значении радиуса сопрягающей кривой R длина разделительных площадок и элементов переходной крутизны (см. рис. 3.11) зависит от разности уклонов Д/ на переломах профиля. Расчетами установлено, что в большинстве случаев при длине стороны описанного многоугольника, не превышающей 350—400 м, продольные силы в поезде при движении по профилю ломаного очертания практически не будут превышать сил, возникающих в поезде, движущемся по сопрягающей кривой. С учетом этого нормы проектирования железных дорог устанавливают в зависимости от значений радиусов сопрягающих кривых наибольшие алгебраические разности уклонов смежных элементов Д/„ на переломах профиля и соответствующие им согласно формуле (3.21) наименьшие длины разделительных площадок и элементов переходной?

крутизны /н. Эти нормы (табл. 3.6) находятся в зависимости от категории линии и полезной длины приемоотправочных путей /110, которая определяет наибольшую длину поездов и, следовательно, их массу.

Если алгебраическая разность уклонов смежных элементов менее Д/н, то в соответствии с формулой (3.21) длина разделительных площадок и элементов переходной крутизны может быть пропорционально уменьшена:

Наименьшая длина элемента профиля согласно СТН Ц0195 принимается равной длине рельса — 25 м.

Рекомендуемые нормы сопряжения смежных уклонов применяют при проектировании профиля в углублениях (“ямах”), ограниченных хотя бы одним тормозным спуском (см. рис. 3.21,а), на уступах, расположенных на тормозных спусках (рис. 3.21,в) и на возвышениях (“горбах”), расположенных у подошвы тормозного спуска (рис. 3.21,г). Допускаемые нормы можно применять при сопряжении уклонов на “горбах”, расположенных на расстоянии не менее удвоенной полезной длины приемоотправочных путей (расчетной длины поезда) от подошвы тормозного спуска, а также в “ямах” и на уступах, проходимых поездом без торможения, если использование этих норм позволяет уменьшить объемы строительных работ.

Рассмотрим примеры сопряжения элементов продольного профиля на железных дорогах И категории при полезной длине приемоотправочных путей 1050 м. Согласно СТН Ц0195 (см. табл. 3.6) наибольшая алгебраическая разность уклонов смежных элементов профиля: рекомендуемая 5, допускаемая 10. При этой разности уклонов наименьшая длина элементов профиля /н, м: рекомендуемая — 250, допускаемая — 200.

При сопряжении элементов профиля в “яме”, где возможно торможение поездов (к таким “ямам” обычно относят углубления профиля, ограниченные хотя бы одним спуском круче предельно безвредного и высотой более 10—15 м рис. 3.22,ад), следует использовать рекомендуемые нормы. При алгебраической разности уклонов элементов профиля, образующих яму, Д( =— ;2 = —12 — 12 = 24 %о и нормируемой алгебраической разности уклонов смежных элементов л/ = 5 %о наименьшее число элементов переходной крутизны составит

Округляя число п в большую сторону до ближайшего целого, определяем, что при сопряжении в “яме” уклонов /, = 12% и /2 = 12% потребуется не менее четырех элементов переходной крутизны.

В варианте сопряжения элементов профиля на рис. 3.22,а длина элементов профиля с уклонами 7% и 7% принята равной /н, поскольку алгебраическая разность уклонов по концам этих элементов равна нормируемой Д/„ = 5 %с. У элементов с уклонами —2 %о и 2 %о алгебраические разности уклонов по обоим концам элемента различны: Д/, = 5 %с, Дi2 = 4 %с. Поэтому дайна этих элементов определена по формуле (3.39):

В варианте сопряжения уклонов на рис. 3.22,6 аналогично определена длина элементов с уклонами 7% и —3%, а в варианте на рис. 3.22,в — длина элемента с уклоном —8%.

Сопряжение уклонов /, и /2 возможно и с большим чем четыре числом элементов переходной крутизны, включая разделительную площадку (см. рис. 3.22,г,д). В этих примерах при одинаковой алгебраической разности уклонов по обоим концам каждого элемента длины всех элементов определены по формуле (3.38).

При сопряжении элементов профиля на “горбе”, отстоящем от подошвы тормозного спуска на расстоянии не менее удвоенной полезной длины приемо отправочных путей (рис. 3.22,ек), могут быть использованы допускаемые нормы проектирования. В данном случае должно быть не менее двух элементов переходной крутизны (см. рис. 3.22,еи). Как и при сопряжении элементов профиля в яме, в данном случае можно принять число элементов переходной крутизны больше минимально потребного (см. рис. 3.22,к). Длины элементов рассчитаны аналогично предыдущему случаю.

Из всех рассмотренных проектных решений, а также возможных других, удовлетворяющих нормам проектирования, должно быть принято то, которое в наибольшей степени приближает проектную линию к поверхности земли и обеспечивает наименьший объем строительных работ. В отдельных случаях может быть целесообразным, соблюдая условие Д/,, Д/2 < Д/„, принять длину отдельных элементов переходной крутизны большую, чем определяемая формулами (3.38) или (3.39). Это равносильно увеличению радиуса R сопрягающей кривой по сравнению с нормируемым, что может привести к некоторому уменьшению продольных сил и ускорений, действующих на поезд. Снижение продольных сил в поездах целесообразно не только для обеспечения прочности и устойчивости подвижного состава, но желательно и по условиям предотвращения расстройства пути на участках, где в движущихся поездах возникают большие продольные силы.

При прохождении поездом одновременно вогнутых и выпуклых переломов профиля (как на участках в или г на рис. 3.21) в составе могут возникать знакопеременные продольные усилия ударного характера, наиболее неблагоприятно воздействующие на пассажиров, грузы и подвижной состав. Чтобы этого избежать, следует длину элементов профиля между переломами разного знака (вогнутый и выпуклый) принимать не менее полезной длины приемоотправочных путей (расчетной длины поезда). Однако рельеф местности, как правило, не позволяет проектировать такой профиль на значительном протяжении. Поэтому целесообразно обеспечить такое очертание продольного профиля, при котором под поездом будет хотя бы не более одного перехода от вогнутого перелома профиля к выпуклому и наоборот. Для этого необходимо соблюдение следующего условия: сумма длин элементов профиля в границах двух переломов одного знака, между которыми располагаются один или более переломов другого знака, должна быть не менее полезной длины приемоотправочных путей /п0.

На рис. 3.23 применительно к железной дороге II категории при 1по = 1050 м приведены примеры продольного профиля, удовлетворяющего указанному условию (на рис. 3.23,а — рекомендуемые нормы, на рис. 3.23,6 — допускаемые нормы).

Пересечение железных дорог с другими путями сообщения. Безопасность движения в наибольшей мере обеспечивается устройством пересечений в разных уровнях. Согласно Строительнотехническим нормам СТН Ц0195 такое устройство обязательно при пересечении новых железнодорожных линий и подъездных путей с другими железнодорожными линиями и подъездными путями, трамвайными, троллейбусными линиями, магистральными улицами общегородского значения и скоростными городскими автомобильными дорогами, а также с автомобильными дорогами I—III категорий.

При устройстве путепроводов необходимо обеспечить минимальную разность отметок проектной линии новой и существующей дорог. Чем выше значение пересекаемого пути, тем более вероятно расположение новой линии над существующей, что позволяет не нарушать движения при строительстве. Однако если существующая дорога в месте пересечения уложена на высокой насыпи, а новую линию можно запроектировать на более низких проектных отметках или если новая линия проходит место пересечения достаточно глубокой выемкой, а существующая дорога — насыпью или нулевыми отметками, то более целесообразно располагать новую линию под существующей.

Если проектируемая линия проходит над существующей железной дорогой (рис. 3.24,а), то минимальная отметка бровки земляного полотна проектируемой линии

Если проектируемая линия проходит под существующей дорогой (рис. 3.24,6), то ограничивается максимальная отметка бровки земляного полотна проектируемого пути:

Аналогично выполняется расчет при пересечении проектируемой железной дорогой автомобильной дороги или троллейбусной линии. В этом случае расчет ведется от отметки проезжей части пересекаемой дороги.

Габаритное возвышение низа конструкции путепровода над головкой рельса или проезжей частью автомобильной дороги h зависит от характера пересекающихся дорог. Например, согласно ГОСТ 9238—83 при пересечении железных дорог в зависимости от расположения путепровода на станции или перегоне и от конструкции контактной сети h = 6,25^6,9 м. При пересечении путей, электрификация которых не предусматривается, габаритное возвышение уменьшают до 5,55 м. Для обеспечения возможности подъемки железнодорожного пути согласно Строительнотехническим нормам СТН Ц0195 габаритные возвышения, предусмотренные ГОСТ 9238—83, следует увеличивать на 20—30 см.

При проектировании путепроводов через автомобильные дороги и городские улицы габаритные возвышения принимают в соответствии с СНиП 2.05.0384* “Мосты и трубы”. При этом учитывают возможность повышения уровня автопроезда после ремонта проезжей части дороги на толщину нового (дополнительного) слоя дорожного покрытия.

В плане целесообразно проектировать пересечение под прямым углом, что сокращает длину путепровода и упрощает его конструкцию. Если это сложно осуществить, то выполняют пересечение под углом 60° или 45°, предусмотренным типовыми проектами путепроводов.

Пересечение железных дорог с грунтовыми дорогами местного значения, а также автомобильными дорогами IV и более низкой категорий допускается в одном уровне (переезды) за исключением следующих случаев: если в месте пересечения может быть реализована скорость движения пассажирских поездов более 120 км/ч или интенсивность движения составляет более 100 поездов в сутки и если железная дорога проложена в выемке.

На переезде должны быть обеспечены нормы видимости согласно требованиям СНиП 2.05.0285* “Автомобильные дороги”. Переезды должны располагаться, как правило, на прямых участках железных и автомобильных дорог. Пересечения следует устраивать преимущественно под прямым углом. При невозможности выполнить это условие угол между пересекающимися дорогами должен быть не менее 60°.

Однако с учетом строительных затрат и особенно расходов по содержанию охраняемых переездов в ряде случаев экономически целесообразна замена переезда путепроводом. Особенно эффективно использование для пропуска дорог водопропускных сооружений (мостов и труб) с соответствующим изменением их конструкций, увеличением отверстий и обеспечением необходимых габаритов (рис. 3.25 и 3.26) [53].

Обеспечение безопасности движения поездов по крутым затяжным спускам. Согласно Правилам технической эксплуатации железных дорог спуск считается затяжным при следующих значениях крутизны и протяженности спуска:

В зимнее время при метелях и поземках, а также при высоте снежного покрова, превышающей головку рельса, возможно оледенение тормозных колодок, что уменьшает тормозную силу. Поэтому до вступления поезда на затяжной спуск необходимо удалить ледяную корку на поверхности трения тормозных колодок. Это можно осуществить при движении заторможенного поезда в режиме тяги со скоростью 30—50 км/ч. Для этого согласно Строительнотехническим нормам [17] перед затяжными спусками, при соответствующем обосновании, следует проектировать участок пути с пологими уклонами длиной не менее 1,5 км для опробования тормозов в пути следования. Уклон этого участка пути должен быть близок к нулю (площадка или подъем по направлению движения).

Длина спусков с затяжными уклонами круче 20 %о не должна превышать длины, проходимой поездом без остановок по условиям нагревания тормозных колодок и колес подвижного состава. По расчетам ВНИИ транспортного строительства [55] значения наибольшей длины пути, проходимого поездом при длительных торможениях без превышения допустимых температур нагревания тормозных колодок и колес вагонов, в зависимости от крутизны спуска и скорости движения приведены на рис. 3.27.

Продолжительность непрерывного торможения не должна превышать 30-35 мин, исходя из условий возможной утечки воздуха из рабочих камер воздухораспределителей. С учетом этого времени при различных скоростях движения в зависимости от крутизны спуска определена наибольшая длина пути, проходимая поездом по условию неистощимости тормозной системы (см. рис. 3.27).

В случае превышения указанных длин спусков следует предусматривать остановку поезда для охлаждения колес и тормозных колодок, а также отпуска тормозов. При проектировании профиля место этой остановки целесообразно совмещать с площадкой раздельного пункта. В противном случае профиль участка пути для остановки поезда должен удовлетворять требованиям удержания поезда вспомогательным тормозом локомотива (локомотивов) (см. п. 3.7).

Предохранение железнодорожного пути от размыва и затопления. Для выполнения этого условия отметка проектной линии на подтопляемых участках трассы должна обеспечивать земляное полотно от затопления даже при очень редко повторяющихся уровнях воды (в среднем один раз в несколько столетий).

На подходах к мостам через большие и средние реки в пределах их разлива, а также при расположении трассы вдоль рек, озер, водохранилищ, морей, бровка земляного полотна должна возвышаться над наибольшим уровнем воды с учетом подпора, ветрового нагона и наката волны на откос насыпи не менее чем на 0,5 м. Такое же требование предъявляется к возвышению бровки земляного полотна над отметкой подпертого уровня на подходах к малым мостам и трубам. За наибольший в этих случаях принимается уровень воды вероятности превышения 1:300 (0,33 %) на скоростных, особогрузонапряженных линиях и линиях I—III категорий, 1:100 (1 %) на линиях IV категории и 1:50 (2 %) на подъездных путях IV категории. На подъездных путях, где по технологическим причинам нельзя прервать движение, в обоснованных случаях вероятность превышения наибольшего уровня воды принимают 1:100 (1 %).

Большое значение имеет предупреждение затопления тоннелей, когда портал тоннеля находится в пределах заливаемой поймы. По СТН Ц-0-19-5 проектная линия должна обеспечивать возвышение дна водоотводного лотка тоннеля у портала не менее чем на 1 м (с учетом подпора и высоты волны) над уровнем высоких вод вероятности превышения 1:300 (0,33 %).

При проектировании продольного профиля в выемках особое внимание уделяют продольному водоотводу. Его обеспечивают кюветы с продольным уклоном дна, равным уклону бровки земляного полотна. Поэтому для беспрепятственного продольного водоотвода кюветами проектная линия в выемках должна иметь уклон не менее 2 %о. Дну кюветов выемки, запроектированной на площадке, также придается уклон 2 %с. И хотя продольный профиль кюветов при этом устраивается двускатным, а их глубина h в водораздельных точках (рис. 3.28,о) уменьшается до 0,2 м (против глубины, как правило, 0,6 м), при большой длине площадки углубление кюветов по концам выемки

будет столь значительным, что это приведет к существенному увеличению объема земляных работ по сооружению выемки (см. рис. 3.28,6). Поэтому выемки проектируют на площадках только в случае, если длина их / менее 400 м (см. рис. 3.28,а). В выемках длиной 400 м и более вместо площадки проектируют два уклона крутизной не менее 2 %о со спусками в сторону концов выемки (см. рис. 3.28,в). В вечномерзлых грунтах площадки в выемках устраивать нельзя независимо от их длины. В этих условиях крутизна уклонов выемок должна быть не менее 4 %о.

Изыскания и проектирование железных дорог. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. - 288 с..