автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Обоснование сфер эффективного применения железнодорожных рельсов на городском рельсовом транспорте

НИКЕРОВА Ирина Николаевна

На правах рукописи УДК 625.46

ОБОСНОВАНИЕ СФЕР ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ НА ГОРОДСКОМ РЕЛЬСОВОМ ТРАНСПОРТЕ

Специальность 05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерацию) на кафедре «Железнодорожный путь»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Дьяков Константин Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник Кравченко Николай Дмитриевич

Ведущее предприятие - Институт проблем транспорта Российской Академии наук

Защита состоится << ОВ» Ю-ОН •Я*' 2004 года в 12 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д218.008.03 в Петербургском государственном университете путей сообщения МПС РФ по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д.9, ауд. 7-520

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета.

Автореферат разослан «_»_2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Петров Анатолий Васильевич

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Целью диссертационной работы является технико-экономическое обоснование сфер применения железнодорожных рельсов отечественного производства в условиях городского рельсового транспорта (ГРТ).

Рельсы железнодорожные отечественного производства находят применение на магистральном и промышленном железнодорожном транспорте, в метрополитенах и на городском рельсовом транспорте (трамвае). При этом, если применение железнодорожных рельсов в первых трех указанных областях является обычным явлением, то использование их на трамвайных путях, особенно в кривых участках пути, требует соответствующего технико-экономического и научного обоснования. Последнее связано с качественно иной сферой их применения — по параметру кривизны пути, повышенными требованиями к безопасности движения, различными геометрическими характеристиками железнодорожных и трамвайных рельсов.

Так, если область кривых участков пути на магистральном железнодорожном транспорте начинается с радиуса 200-250м, то на ГРТ в соответствии с нормативами ПТЭ с 18-20м (фактически же с 14- 16м). Это обстоятельство в целях исключения сходов трамваев с рельсов, потребовало широкого применения трамвайных рельсов специального профиля.

В перестроечный период, с развитием рыночных отношений, производство трамвайных рельсов резко сократилось. Причиной тому послужил малый объем потребности в этих рельсах в целом по России и, в связи с этим, и неэкономичность их производства металлургическими предприятиями, имеющими рельсо-прокатное производство. В этой ситуации предприятия Горэлектротранса стали приобретать трамвайные рельсы производства зарубежных фирм. Возникла, таким образом, производственная необходимость в оценке технической возможности применения железнодорожных рельсов отечественного производства на ГРТ. Опыта же эксплуатации железнодорожных рельсов в кривых участках пути предприятия Горэлектротранса не имеют.

В соответствии с поставленной целью в исследовании поставлены следующие задачи:

анализ нормативной документации по использованию

железнодорожных рельсов на ГРТ и фактическое их использование предприятиями Горэлектротранса; - изучение фактического

поездов в условиях ГРТ;

- создание опытных конструкций пути с железнодорожными рельсами и их эксплуатационные испытания в кривых участках пути с анализом безопасности движения поездов на этих участках;

- теоретические исследования по вписыванию трамвайных вагонов в кривые участки пути с установлением уровня силовых воздействий на путь и оценка устойчивости колеса на рельсе с разработкой математической модели применительно к тележкам трамвайных вагонов;

- установление сфер применения железнодорожных рельсов по условиям безопасности движения и экономическим соображениям.

Решение основных задач диссертационного исследования выполнялось по заданиям службы пути ГУП «Горэлектротранс» Санкт-Петербурга в рамках «Комплексной программы развития научно-технического прогресса на городском электрическом транспорте до 2005г.», разработанной НИИГЭТ по заданию Минтранса Российской Федерации.

Метод исследований. Научное обоснование опытных конструкций пути с железнодорожными рельсами и их эксплуатационные испытания в условиях широкого полигона кривизны кривых по критериям их технического состояния и безопасности движения. Теоретические исследования по установлению уровня сил взаимодействия вагонов и пути в кривых участках и оценка устойчивости движения трамвайных вагонов в рельсовой колее на основе известных математических моделей и разработке новых

Научная новизна исследований заключается в установлении критических зон перехода различных конструкций пути с железнодорожными рельсами по параметру кривизны пути, разработке теоретике- экспериментальной зависимости интенсивности сходов вагонов от кривизны пути, обосновании перспективного типажа железнодорожных и трамвайных рельсов с позиций их унификации с промежуточными скреплениями и снижения их числа, разработке и практической реализации математической модели по устойчивости трамвайных вагонов в кривых участках пути.

Достоверность теоретических результатов работы, обоснованность выводов и рекомендаций подтверждается совпадением их с данными экспериментальных исследований, признанием и представительным внедрением их предприятиями Горэлектротранса и проектных организаций.

Практическая ценность работы состоит в расширении сфер использования железнодорожных рельсов отечественного производства в условиях ГРТ в кривых участках пути, повышения сроков их службы, снижения типажа железнодорожных и трамвайных рельсов.

Реализация работы. Результаты исследований использованы ГУП «Горэлектротранс» Санкт-Петербурга путем укладки конструкций пути с

железнодорожными рельсами на эксплуатируемых городских, путях, снижения типажа укладываемых железнодорожных и трамвайных рельсов, разработки нормативной базы по совершенствованию системы ведения рельсового хозяйства на ГРТ.

Апробация работы. Основное содержание работы, а также отдельные ее положения были одобрены на международной научно-практической конференции «Организация и безопасность движения в крупных городах» (Санкт-Петербург, 1995), опубликованы в межвузовских трудах ПИИТа и ПГУПСа (1997-2001гг), журнале «Путь и путевое хозяйство» (2002г.), доложены на НТС службы пути ГУП «Горэлектротранс» Санкт-Петербурга (2002г.), расширенном научно-техническом совещании отдела «Конструкций железнодорожного пути» комплексного отделения «Путь и путевое хозяйство ВНИИЖТа» (2003 г) и заседаниях кафедры «Железнодорожный путь» ГТГУПС (2001-2004гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть статей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы и 4-х приложений. Объем работы составляет 160 страниц машинописного текста и содержит 18 рис., 61 табл. Список использованной литературы составляет 42 наименования.

Во вводной части работы обосновываются цель, актуальность и метод исследования. Указывается неприемлемость известных теоретических моделей по взаимодействию вагонов и пути в кривых на магистральном железнодорожном транспорте применительно к городскому рельсовому транспорту (трамваю). Причиной тому служит обмоторенность всех колесных пар тележек трамвая (наличие крутящих моментов на колесах), полярность полигона кривизны кривых (начиная с 18-20 м и даже менее), скорость движения поездов (до 25 км/ч). Эти обстоятельства и послужили выбору экспериментального метода исследования — эксплуатационных испытаний опытных конструкций пути с железнодорожными рельсами в условиях ГРТ.

В первой главе дана характеристика существующего состояния по использованию железнодорожных рельсов в условиях ГРТ.

Укладка железнодорожных рельсов на трамвайных путях регламентирована тремя нормативными документами - СНиП, ПТЭ трамвая и инструкцией по техническому содержанию трамвайных путей. Анализ этих документов позволяет сказать следующее.

Сферы использования железнодорожных рельсов определены двумя факторами: конструкцией дорожного полотна и условиями эксплуатации.

По конструкции дорожного полотна железнодорожные рельсы можно укладывать только на обособленном земляном полотне (не имеющем дорожного покрытия для движения автомобилей и отделенного от городской автомобильной дороги бордюрным камнем).

По условиям эксплуатации установлены следующие области их применения:

- рельсы типов Р43 и Р50 старогодные - пути депо, парков, заводов вне зависимости от радиуса кривых;

-рельсы типа Р50 новые - обычные трамвайные линии вне зависимости от радиуса; скоростные трамвайные линии при радиусе кривых более 200м;

-рельсы типа Р65 новые - скоростные трамвайные линии при радиусах кривых более 200м.

Выполненный анализ не позволил установить несущую способность рельсов на скоростных линиях при радиусах кривых менее 200м.

Действующими нормативными документами отдельно выделяется область эксплуатации трамвайных путей при расположении пути на мостах, путепроводах, эстакадах, насыпях высотой более 2-х метров, в пределах стрелочных переводов и глухих пересечений. Для этих условий эксплуатации предусматривается применение рельсов типа Р50 и Р65 на скоростных линиях, рельсов типа Р50 на обычных линиях, путях депо и парков, путях ремонтных заводов. Для этой области условий эксплуатации во всех случаях требуется установка контррельсов по обеим рельсовым нитям.

Проанализированные нормативные документы не имеют достаточно полного согласования друг с другом. Наиболее представительно сферы применения железнодорожных рельсов в условиях ГРТ даны в СНиП, в меньшей степени они отражены в ПТЭ трамвая и в Инструкции по техническому содержанию пути.

Практически же на трамвайных путях Санкт-Петербурга эксплуатируются рельсы 4-х типов - Р43, Р50, Р65 и Р75. В работе обоснован отказ от дальнейшего применения рельсов типа Р43 (замене их старогодными Р50), как морально устаревших, и рельсов типа Р75, как имеющих завышенную несущую способность. Все рельсы укладываются только в прямых участках пути. Опыта эксплуатации железнодорожных рельсов в кривых участках пути предприятия Горэлектротранса Санкт-Петербурга не имеют.

На ГРТ эксплуатируются (по данным обследования 703 км пути в Санкт-Петербурге) трамвайные рельсы четырех типов: Т58, Т62, Тв6О и Тв65. Исходя из требований эффективного ведения путевого хозяйства в работе рекомендовано отказаться от дальнейшего использования рельсов типов Тв6О и Тв65. Переход к рельсам двух типов (Т58 и Т62) позволит сократить число применяемых типоразмеров промежуточных и стыковых скреплений. Целесообразно также организовать производство рельсов типов Т58 и Т62 в термоупрочненном исполнении, что повысит срок их службы в 1,5 - 2 раза.

пь

Рис. 1. Трамвайные рельсы производства Австрийских (а) и Венгерских (б) фирм

В последние годы, в условиях рыночной экономики, на трамвайных путях стали укладываться рельсы производства Австрийских и Венгерских фирм. Рельсы производства Австрийских фирм (М 60/10) по своим геометрическим характеристикам близки к отечественным рельсам типов Тв65 и Тв60. Рельсы типа В1 производства Венгерских фирм (используемые в Чешских конструкциях трамвайных путей) являются бесшеечными. В связи малой их изгибной жесткостью они требуют устройства плитных или лежневых оснований (рис. 1). Трамвайные рельсы производства зарубежных фирм не ориентированы на отечественную технологию производства элементов верхнего строения пути. Прочность и геометрические характеристики этих рельсов, химический состав стали не превосходит уровень аналогичных показателей рельсов отечественного производства.

Технической политике в области использования рельсового металла, его термическому упрочнению и стандартизации посвящены работы В.Н. Данилова, Н.Д. Кравченко, Л.Г. Крысанова, Л.П. Мелентьева, Е.А. Шура, П.П. Цуканова, В.Ф. Яковлева и других ученых.

Во второй главе приведены результаты исследований безопасности движения на ГРТ по интенсивности сходов вагонов с пути. При этом транспортный процесс представлен в виде системы ГРТ (городской рельсовый транспорт), состоящей из четырех блоков: путь (П), трамвай (Т), водитель (В) и внешняя среда (С). Подробно рассмотрена подсистема -Путь - Трамвай. В подсистемах выделяются отдельные элементы (или подэлементы), вызывающие сход вагонов с рельсов.

Проанализирована безопасность движения на 708,6 км трамвайных путей (протяженность путей Санкт-Петербурга), что составляет 13,1% протяженности путей Российской Федерации. На путях обращаются четырехосные вагоны модификаций КТМ-5М (9,6%), ЛМ-68М (72%) и шестиосные вагоны модификации ЛВС-89 (18,4%). Установлено 294 адреса (места), где происходили сходы вагонов. Максимальное число сходов в одном месте достигало 14 сходов в год. При общем числе сходов, равном 703, они распределились следующим образом:

288 сходов (41%) по причине неисправности пути (блок П);

261 сход (37,1%) по причине неисправности вагонов (блок Т);

139 сходов (19,8%) по причине «прочих причин»;

15 сходов (2,1%) по причине нарушения режима движения поездов (блок В).

В анализ включены только те сходы, по которым в первичных документах указывались причины их происхождения. В группу сходов с «прочими» причинами включены сходы, которые в явной форме не связаны ни с техническим состоянием пути, ни с техническим состоянием подвижного состава.

По состоянию пути наибольшее число сходов произошло из-за предельного износа рельсов, неудовлетворительного состояния элементов стрелочных переводов, нарушения норм содержания рельсовой колеи. Только одна из причин этой группы «предельный износ рельсов» формирует 15,6% сходов вагонов с рельсов. Все неисправности элементов стрелочных переводов и неудовлетворительное их состояние формирует 35,4% (102 схода) сходов, отклонения от норм содержания рельсовой колеи - 15% (52 схода) сходов. Исключительно велика роль на формирование сходов неисправности стыка — 15 % (45 сходов).

Наибольшее количество сходов по неисправности вагонов связано с отступлениями в содержании колесных пар и тележек (32,1%), обрывами двигателя и редуктора (20,7%), зауженной или уширенной сверх допускаемых норм колесной колеи (20,3%), обрывом башмака рельсового тормоза (15,7%) и т.д. Удельный вес сходов трамваев по этим причинам составляет 88,8%. Углубленное изучение сходов вагонов с рельсов по каждой причине может быть предметом самостоятельного и достаточно сложного исследования.

Выявленные нарушения в режиме движения поездов (блок «Водитель») связаны с превышением установленных скоростей движения.

Группа прочих причин формируется преимущественно «наездом» колес вагонов на посторонние предметы. Из 139 случаев схода вагонов с рельсов 87,8% (122 схода) сходов связано именно с этой причиной.

Подробно изучено влияние фактора сезонности на аварийность работы ГРТ. При изучении этого фактора все сходы разделены по месяцам года, сезонам (зима, весна, лето, осень), конструктивному оформлению пути (прямые, кривые, узловые соединения) и группам причин схода (путь, вагон, режим движения поездов, прочие причины).

Анализируя полученную информацию (рис. 2), можно констатировать, что наибольшее количество сходов проявляется в зимний период времени (34,3%).

Во всех случаях отмечается устойчивая тенденция снижения интенсивности сходов от зимнего периода (34,3%) к летнему (18,2%). Установлено, что в зимний период интенсивность сходов выше в 2,3 раза по отношению к летнему. Данные результаты подтверждены исследованиями, выполненными за несколько лет.

Наибольшее количество сходов отмечается в узловых соединениях (160 узловых соединений и 1966 стрелочных переводов), в меньшей степени они представлены в прямых участках пути, и еще в меньшем количестве - в кривых участках (в связи с незначительной их протяженностью) В относительном выражении, на 1 км протяженности пути (18% протяженности путей расположено в кривых), интенсивность сходов вагонов с рельсов в кривых участках пути, в сравнении с прямыми участками, значительно выше.

Рис. 2 Распределение сходов по месяцам года (блокам системы ГРТ)

Данные рис. 2 подтверждают существенное влияние сезонности на интенсивность сходов (позиция 3). Между тем, имеют место некоторые, специфические особенности именно этого года. Они выражались в значительном росте аварийности в апреле месяце (пик значений), и некотором снижении аварийности в осенний период, в сравнении с летним. Длительный период исследований этого явления говорит о том, что некоторые количественные колебания аварийности в течение отдельных месяцев от года к году имеют место.

Изучалась аварийность в зависимости от кривизны путей. Инструментальной съемкой установлена кривизна 137 кривых, где имели место сходы трамваев с рельсов (419 сходов). Радиусы кривых Я, число кривых К, число сходов в пределах заданного полигона радиусов кривых N число сходов на одну кривую п распределились следующим образом:

К<20м К= =13 № =52 п=4,0

11=20-25м К= =77 № =263 п=3,4

1*=26-75|и К=45 № =102 п=2г3

К=76-200м К= =2 № =2 п=1,0

В рассматриваемых диапазонах изменения радиусов кривых длины кривых были достаточно близки друг к другу и составляли около 30м. Полученные результаты свидетельствуют о существенном росте числа сходов с уменьшением радиуса кривой. Так среднее число сходов в кривых малых радиусов (до 25м) возрастает в 4 раза в сравнении с кривыми больших радиусов (до 200м). Исследованиями установлено, что увеличение минимального радиуса до 30м снижает интенсивность сходов в расчете на 1 кривую в 2 раза.

В заключение главы даны рекомендации по разработке комплексной методики оценки технического состояния элементов системы ГРТ на момент схода вагонов с рельсов.

В третьей главе дано обоснование опытных конструкций с железнодорожными рельсами и условий их испытаний в кривых участках пути.

Выбор опытной конструкции предполагает обоснование типа рельсов, места их укладки в кривой (упорная или внутренняя нить), применения или отказа от контррельсов, ширины рельсовой колеи и величины возвышения наружной рельсовой нити. Параметры подрельсового основания (тип шпал, эпюра шпал, вид материала и толщина балластного основания) в данном случае при обосновании конструкции пути не

являются принципиальными и принимаются такими, какие они установлены действующим ПТЭ трамвая.

Выполненный анализ показал, что из железнодорожных рельсов наибольшее применение нашли рельсы типа Р65 (180,3 км - 94,3%). Удельный вес рельсов типа Р43 и Р50, взятых вместе, составляет 5,7% (10,8км). Исходя из неэффективности дальнейшего использования рельсов типа Р43 и Р50 в условиях ГРТ и сокращения затрат на проведение эксплуатационных испытаний, целесообразно в опытной конструкции предусмотреть рельсы типа Р65.

В качестве основания необходимо принять обычную и наиболее распространенную конструкцию на сети трамваев - деревянные шпалы с щебеночной подушкой не менее 20см. В кривых радиусом менее 100м эпюра шпал должна быть 1840 штук на километр, при больших радиусах кривых — 1680 штук на километр.

Номинальное значение ширины колеи принимается в соответствии с требованиями действующих ПТЭ трамвая. На момент укладки опытной конструкции значение ширины колеи не должно превышать по сужению 2мм и уширению 3 мм от установленного значения. Во всех кривых устанавливаются стяжки с шагом 2,4-2,6 м.

Конструкция пути должна быть дифференцирована в зависимости от кривизны пути (радиуса кривых). Для всего полигона радиусов кривых должны испытываться три конструкции:

- конструкция пути с контррельсами по обеим рельсовым нитям (при малых радиусах кривых);

- конструкция пути с одним контррельсом по внутренней нити (при средних радиусах кривых);

- конструкция пути без контррельсов (при больших радиусах кривых).

В области малых радиусов кривых применение железнодорожных

рельсов с контррельсами из рельсов меньшего типа неэффективно. В этой области кривизны путей следует применять обычную конструкцию пути с трамвайными рельсами по обеим рельсовым нитям. По условиям безопасности движения (на основе изучения статистических материалов по сходам вагонов с рельсов) эта конструкция, ориентировочно, должна находиться в области радиусов кривых менее 25-30м.

В области средних радиусов целесообразно применить конструкцию пути с расположением железнодорожных рельсов типа Р65 по упорной рельсовой нити и трамвайных рельсов типа Т62 по неупорной рельсовой нити (табл. 1). В кривых больших радиусов предполагается применение конструкции пути с железнодорожными рельсами типа Р65 по обеим рельсовым нитям (табл. 2).

Основной задачей эксплуатационных испытаний явилось установление радиусов кривых, где должен быть выполнен переход от одной конструкции пути к другой.

Таблица 1.

Параметры опытной конструкции пути с применением железнодорожных рельсов по наружной рельсовой нити и трамвайных рельсов по внутренней рельсовой нити (радиусы кривых менее 100м)

Конструктивные элементы и их параметры Изм. Количественная оценка

1.Рельсы: По наружной рельсовой нити По внутренней рельсовой нити тип тип Р65 Т62 (илиТв65)

2.Шпапы Деревянные Эпюра гип шт/км 1А, 1Б 1680,1840

ЗЛодшпальное основание Материал Толщина щебень см не менее 20

4.Рельсовая колея: при радиусе кривых менее 75м (до 25м) мм мм мм мм 1532 сужение 2, уширениеЗ 1530-1535 1530-1550

Номинальное значение Допуски на момент укладки Предельные изменения ширины колеи на момент укладки Пределы изменения ширины колеи в процессе эксплуатации с учетом износа рельсов

5. Возвышение наружной рельсовой нити над внутренней (при радиусе кривых менее 100м) -величина возвышения -допуск на величину возвышения -уклон отвода возвышения мм мм 70 ±20 не более 6 мм на 1 и

б.Усиление пути Установка стяжек (над шпалами) с шагом м 2,4-2,6

Опытные конструкции пути, в соответствии с требованиями действующих ПТЭ, должны иметь в период испытаний:

ширину колеи с учетом допусков на уширение и износ рельсов - 15221544мм при радиусах кривых менее 20м, 1526-1546мм при радиусах 20-25м, 1530-1550 мм при радиусах кривых 26-75м и 1526-1546 мм при радиусах кривых 76-200м;

возвышение рельсовых нитей - 50-90 мм при радиусах кривых до 100м включительно, 30-70мм при радиусах от 100 до 200м, 20-60 мм при радиусе кривой от 200 до 500м и 10-50 мм при радиусе кривой от 500 до 1000м.

В работе дано обоснование проведения эксплуатационных испытаний конструкции пути с железнодорожными рельсами по упорной нити и трамвайными рельсами по внутренней нити в кривых радиусом менее 100м (до 25-30м), конструкции пути с обоими железнодорожными рельсами - в кривых радиусом от 400 до 100м. С целью повышения безопасности проведения эксплуатационных испытаний они выполнялись последовательно от участков с большими радиусами кривых к участкам с меньшими радиусами.

Конструкции пути с рельсами трамвайного и железнодорожного типов уложены на 23 кривых. Общая протяженность опытных конструкций составила 1048м. Длина опытных участков от 26 до 106м.

Таблица 2.

Параметры опытной конструкции пути с применением железнодорожных рельсов по обеим рельсовым нитям

Конструктивные элементы и их параметры Изм. ¡Сол-ная оценка

1. Рельсы: по наружной рельсовой нити тип Р65

по внутренней рельсовой нити тип Р65

2. Шпалы: Деревянные тип 1А.1Б

Эпюра шт/км 1680,1840

3. Подшпальное основание: Материал щебень -

Толщина см не менее 20

4. Рельсовая колея:

при радиусе кривых 100-150м

Номинальное значение мм 1528

Допуски на момент укладки мм сужение 2

уширение 3

Предельные изменения ширины колеи на

момент укладки мм 1526-1531

Пределы изменения ширины колеи в процессе

эксплуатации с учетом износа рельсов мм 1526-1546

при радиусе 200-300м и 400-500м

Номинальное значение мм 1524

Допуски на момент укладки мм сужение 2

уширение 3

Пределы изменения ширины колеи на

момент укладки мм 1522-1527

Пределы изменения ширины колеи в процессе эксплуатации с учетом износа рельсов мм 1522-1542

5. Возвышение наружной рельсовой

нити над внутренней

пои радиусе кривых 100-150м

Величина возвышения мм 50

Допуск на величину возвышения мм ±20

Уклон отвода возвышения - <6 мм на 1м

при радиусе 200-300м и 400-500м

Величина возвышения мм 40

Допуск на величину возвышения мм ±20

Уклон отвода возвышения - <бмм на 1м

б. Усиление пути Установка стяжек (над шпалами) с шагом м 2,4-2,6

Конструкции пути с рельсами железнодорожного типа по обеим рельсовым нитям уложены на 17 кривых. Общая протяженность составляет 1114м, длина участков от 22 до 94м. Первичная информация по опытному участку содержит его адрес (улица, номер узлового соединения и др.), конструктивное оформление пути, время его укладки и время инструментальной проверки его технического состояния.

В четвертой главе излагаются результаты испытаний опытных конструкций пути с позиций их технического состояния в процессе эксплуатации и обеспечения безопасности движения (сходов вагонов с рельсов).

Методикой эксплуатационных испытаний предусматривалось изучение технического состояния конструкций пути в плане (по стрелам прогиба), по уровню (возвышение рельсовых нитей), и по ширине рельсовой колеи (рис.3).

Регламентирован срок испытаний (не менее 2-х лет), периодичность измерений, расположение контролируемых сечений по длине кривой, порядок учета и анализа первичной измерительной информации. Особое внимание при эксплуатационных испытаниях уделялось установлению и анализу сходов вагонов с рельсов.

Рассмотрено три конструкции верхнего строения пути:

- с трамвайными рельсами по обеим рельсовым нитям (типовая);

- с железнодорожными рельсами по упорной нити и с трамвайными по внутренней нити (опытная - ОЖТ);

- с железнодорожными рельсами по обеим рельсовым нитям (опытная - ОЖЖ).

В типовой конструкции исследована безопасность движения на полигоне всей сети трамвайных путей Санкт-Петербурга. Изучена статистика сходов в течении года и установлена их зависимость от радиуса кривой (рис.4).

Рис. 3 Оценка технического состояния опытных конструкций пути в процессе эксплуатации: а - ширина колеи; б- возвышение рельсовых нитей, в - план пути (фрагменты информации)

Рис. 4 Распределение сходов вагонов с рельсов в зависимости от радиуса кривых: а) с учетом сходов от посторонних предметов; б) без учета сходов от посторонних предметов

Данные рис.4 свидетельствуют о том, что полигон кривизны путей с радиусами кривых менее 30м при существующих возможностях трамваев по вписыванию в кривые, существующему техническому уровню состояния путей не обеспечивает безопасность движения поездов. Результаты исследований показали, что наименьший радиус кривой должен быть не менее 30м. Это значение радиуса должно быть выдержано не только на перегонных участках трамвайных путей, но и в пределах узловых соединений (где имеет до 28% всех сходов). На участках с небольшими скоростями движения (на разворотных кольцах, на грузовых и служебных путях, путях депо и путях ремонтных мастерских) минимальное значение радиуса может быть снижено до 25м.

По полученной экспериментальной зависимости интенсивности сходов от радиуса кривой (рис.4а) установить зону перехода от конструкции пути с трамвайными рельсами к конструкции пути с одним контррельсом по внутренней нити весьма сложно.

Ориентировочно, можно заключить, что эта зона находится в пределах радиусов 30-50м. Полученный результат говорит о необходимости проведения испытаний конструкции пути с железнодорожными рельсами по упорной рельсовой нити и трамвайными рельсами по внутренней нити (с целью определения зоны перехода от одной конструкции пути в другую).

В статистике сходов, дифференцированных от радиуса кривых, имели место сходы, связанные с попаданием на путь посторонних предметов (см. главу 2). В связи с этим более строгий анализ требует исключения таких сходов и уточнения зависимости п = Г ( Я ). Такая зависимость получена аппроксимацией экспериментальных данных в виде полинома четвертой степени и приведена на рис. 46.

п =5,567 - 1,223x10*' Я +1,413х1(Г3 И 2 - 7,866x10-® Я 3 +1,581x10-* Я 4 Анализ рис.4б показывает, что уже при радиусе кривой 200м влияние фактора кривизны пути на интенсивность сходов не сказывается и взаимодействие экипажей и пути происходит как в прямых участках пути. Такой результат вполне согласуется с действующим «Положением о проведении планово-предупредительных ремонтов пути», согласно которому участки пути с радиусами кривых более 200м приравниваются к прямым участкам.

Сравнительный анализ экспериментальных данных и данных, полученных по экспериментально-теоретической зависимости п = Г ( Я ) показывает их удовлетворительную сходимость.

Опытная конструкция ОЖТ (с железнодорожными и трамвайными рельсами) испытывалась в кривых радиусом от 50 до 18 м. Срок испытаний 3,5-4,0 года.

Эксплуатационные испытания показали, что на 19-ти из 20-ти рассмотренных участков нормативные значения ширины рельсовой колеи,

возвышения рельсовых нитей и положения рельсовых нитей в плане выдержаны в течение всего срока испытаний. Имеющиеся незначительные отклонения от норм содержания пути по ширине колеи и возвышению рельсовых нитей на одном из участков на результаты эксперимента существенного влияния не оказывают.

За весь срок наблюдений обнаружено 19 сходов вагонов с рельсов. Все сходы проявились, начиная с радиуса 30 метров и менее. В количественном отношении сходы распределились следующим образом: наличие посторонних предметов -8 (42%), уширение колеи - 5 (26%), неисправность стыка - 4 (21%), неисправность вагона -2(11%).

Отмечалась интенсификация сходов в период повышенного загрязнения желобов рельсов сыпучими инертными материалами, снегом -на путях с замощенным покрытием. Последнее характерно для узловых соединений, поворотных колец, выходов и входов в депо. Сходов связанных с модернизацией конструкции пути выявлено не было.

Оценка аварийности позволила выявить наличие критической зоны, перехода от конструкции пути с одним контррельсом (ОЖТ) к конструкции пути с двумя контррельсами (типовой). Эта зона начинается с радиуса кривой 30м и распространяется в сторону его уменьшения. Последнее отчетливо просматривается на рис. 5а. Эксплуатационными испытаниями выявлена неудовлетворительная вписываемость в кривые грузовых вагонов и путевых машин (ВПРС-500).

Опытная конструкция ОЖЖ (с железнодорожными рельсами по обеим рельсовым нитям) испытана в кривых радиусом от 500 до 100м. Срок испытаний от 2-х до 13,5 лет. Периодической инструментальной съемкой было установлено, что за весь период испытаний техническое состояние конструкций находилось в основном в соответствии требованиями действующих ПТЭ. В течении всего срока испытаний сходов вагонов с рельсов на всех 17-ти опытных участках (общая протяженность 1114м) выявлено не было. В тоже время имели место сходы вагонов в S -образной кривой с радиусами 100м в случае недостаточной прямой вставки (рис.5б).

Установлена критическая зона перехода от конструкции пути с железнодорожными рельсами по обеим рельсовым нитям к конструкции пути с железнодорожными рельсами по упорной нити и с трамвайными рельсами по внутренней нити. Количественным критерием такой зоны служит радиус кривой равной 100 м.

В пятой главе приведены результаты теоретических исследований по вписыванию трамвайных вагонов в кривые участки пути, устойчивости колеса и колесной пары к накатыванию на рельс. При разработке математической модели, описывающей механизм накатывания трамвайного колеса на рельс использованы работы М.Ф. Вериго, АЛ. Когана, А.У. Галеева, B.C. Лысюка (ВНИИЖТ), Г.М. Шахунянца (МИИТ),

Рис.5. Оценка безопасности движения на опытных участках: а - конструкция пути с одним конттрельсом по внутренней нити; б - конструкция пути с железнодорожными рельсами без конттрельсов

Рис. 6. Расчетные схемы накатывания трамвайного колеса на рельс: с использованием методических подходов Г.М. Шахунянца и М.П. Смирнова (а), М.Ф. Вериго, А.Я. Когана и А.У. Галеева (б)

В.Ф. Яковлева, М.П. Смирнова, ЕЛ. Дудкина, А.Н. Трофимова (ЛИИЖТ).

Установлено, что вписывание трамвайных вагонов происходит по принудительной и свободной схемам при наибольшем уровне направляющих усилий до 34,6 кН по наружной нити и до 24,6 кН по внутренней нити. Свободная схема вписывания реализуется в кривых больших радиусов (более 150 м) и высоких скоростях движения. При данном уровне направляющих усилий по критерию Марье показана возможность схода вагонов с рельсов при наклоне прямолинейной части гребня колеса к горизонтали менее 59°.

Предложенная математическая модель, описывающая условие равновесия колесной пары в рельсовой колее с позиций накатывания ее на наружный рельс представлена системой уравнений (рис. 6 а):

(Р1+ Р2 - N2) • БШр = (Ур + Бг) ♦ СОБР (Р,+ Р2 - N2).совр + (Ур+ Бг). мпр= N1 • Р,ра, + Ур е -{ Р2- N2)8, + Р2р а2 - Р2Ь2= О

Для реализации этой модели установлены конструктивные особенности колеса, колесной пары и тележки, их весовые и геометрические характеристики, силовые характеристики вписывания тележек в кривые. Модель учитывает качественно иные расположения буксовых узлов.

При малых скоростях движения при оценке устойчивости колесной пары к накатыванию ее на наружный рельс показана возможность не учитывать влияние вертикальных сил инерции колесных пар (рис. 66). При этом допущении результаты устойчивости с использованием расчетных схем по рис. 6а и 66 практически совпадают.

В нормальных условиях взаимодействия устойчивость колесной пары к накатыванию ее на наружный рельс обеспечивается при реализации коэффициента устойчивости в пределах 2,59-2,82.

Исследованием показана необходимость дальнейшего совершенствования рассмотренных расчетных схем.

В шестой главе дана оценка экономической эффективности укладки железнодорожных рельсов в условиях ГРТ. В условиях рыночной экономики в качестве критерия эффективности инвестиционных проектов новой техники и технологии преимущественно используют величину чистого дисконтированного дохода (ЧДЦ). ЧДД определяется как сумма эффектов за весь расчетный период, приведенная к начальному шагу. Сумма эффектов есть превышение интегральных результатов над интегральными затратами. В работе величина ЧДД определена по формуле (по разработкам кафедры «Экономика транспорта» ПГУПСа)

чдц= Е (К* - 3,) X 1 / (1+Е)4,

где К^ результаты (доходы, достигаемые на ^м шаге расчета);

Зt затраты, осуществляемые на том же шаге;

Е - средневзвешенная постоянная норма дисконта;

Т — горизонт расчета,. равный номеру шага расчета на котором производится ликвидация объекта;

К« - 3,=Э 1 эффект, достигаемый на I -м шаге;

1 / (1+Е)', = а( - коэффициент дисконтирования разновременных затрат при постоянной норме дисконта Е.

Если ЧДД инвестиционного проекта положителен, проект является эффективным (при данной норме дисконта). При этом, чем выше ЧДД, тем эффективнее проект.

Расчет ЧДД выполнен для трех сфер возможного использования железнодорожных рельсов в условиях ГРТ (табл. 3). В кривых радиусом до 30м (сфера 1) при применении железнодорожных рельсов по условиям безопасности движения обязательно устройство контррельсов (из железнодорожных рельсов). Такая конструкция получается многодетальной, более металлоемкой и более сложной в эксплуатации. По этим соображениям данная область применения железнодорожных рельсов из рассматриваемого полигона исключается. В кривых радиусом более 30м до 100м (сфера 2) по этим же соображениям нецелесообразно применение железнодорожных рельсов с контррельсами по неупорной рельсовой нити, а предпочтительна укладка по ней типовых трамвайных рельсов. В кривых радиусом более 100м (сфера 3) и в прямых участках пути (сфера 4) применение железнодорожных рельсов не требует применения контррельсов.

В качестве базисного варианта принята обычная конструкция пути с трамвайными рельсами, в качестве предлагаемых две конструкции. Для одной из них железнодорожные рельсы укладываются только по наружной нити (сфера 2), для другой - по обеим рельсовым нитям (сфера 3 и 4).

Таблица 3

Сферы возможного использования железнодорожных рельсов в условиях городского рельсового транспорта и требования к конструкциям

пути

Радиус кривой, м Требования к конструкциям пути с железнодорожными рельсами

Внутренняя нить Наружная нить

До 30м включительно (сфера 1) Рельсы железнодорожные с укладкой контррельсов по обеим рельсовым нитям

Более 30м до 100м включительно (сфера 2) Рельсы железнодорожные с контррельсами Рельсы трамвайные Рельсы железнодорожные

Более ЮОм(сфераЗ) Рельсы железнодорожные без контррельсов

Прямые участки (сфера 4)

В основу технико-экономической оценки использования рельсов положены следующие исходные предпосылки:

- выполняется расчет сравнительной экономической эффективности;

-основным источником финансирования инвестиционных проектов

по ремонту путей является бюджет;

-наличие риска и инфляции при определении эффективности инвестиций не учитываются;

- норматив для приведения разновременных затрат (норма дисконта) принимается равным 0,08;

-стоимостные показатели (цены) по рельсам, эксплуатационные затраты на содержание пути устанавливаются по отчетным данным эксплуатационных служб (служба пути);

-эксплуатационные затраты на содержание пути и затраты на сплошную смену рельсов считаются постоянными;

-срок службы конструкций пути для второй сферы условий их эксплуатации определяется износом губы трамвайного рельса.

Сроки службы конструкций пути с железнодорожными рельсами для третьей сферы их эксплуатации приняты одинаковыми со сроками службы типовых конструкций пути в связи с отсутствием данных по их эксплуатации. Фактически срок службы должен быть выше, так как выход рельсов в этих условиях определяется вертикальным износом головки. Железнодорожные рельсы же имгют более мощную головку в сравнении с рельсами трамвайного типа и это обстоятельство занижает эффективность их оценки.

Эксплуатационные затраты на текущее содержание путей приняты согласно данных планово-экономического отдела службы пути ГУП

«Горэлектротранс» Санкт-Петербурга равными 27498870 руб. и соответствуют эксплуатации пассажирских путей протяженностью 610,3 км. Структура затрат включает в себя затраты на заработную плату, материалы, топливо, амортизацию (износ основных фондов), электроэнергию, транспортные расходы и др.

Итоговые результаты расчета технико-экономической эффективности от укладки железнодорожных рельсов в условиях ГРТ даны в табл. 4.

Таблица 4

Чистый дисконтированный доход при различных сферах использования железнодорожных рельсов

Сферы использования рельсов Величина ЧДД, руб.

Базисный вариант Рассматриваемы й вариант

Сфера 2 (1=7 лет) 10047 1846659

Сфера 3 (1=11 лет) 14585 5044958

Сфера 4 (1 =13,5 лет) для трамвайных рельсов, 1 =14 для железнодорожных рельсов 1891149 13938474

Для всех сфер использования железнодорожных рельсов на ГРТ ЧДД является положительным. Наибольшие значения ЧДД имеет место при использовании железнодорожных рельсов в кривых больших радиусов и в прямых участках пути. Таким образом, инвестирование средств на укладку отечественных железнодорожных рельсов в пути ГРТ экономически оправдано.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Действующими нормативными документами (СНиП, ПТЭ и др.) предусматривается применение в условиях ГРТ железнодорожных рельсов. В это же время они до сих пор не укладываются в кривых участках пути и предприятия Горэлектротранса опыта эксплуатации железнодорожных рельсов в кривых не имеют. Сферы применения железнодорожных рельсов, рекомендуемые различными нормативными документами, должным образом не согласованы, но наиболее полно они отражены в СНиП.

2. На ГРТ эксплуатируются трамвайные рельсы типов Т58, Т62, Тв60 и Тв65 и железнодорожные рельсы типов Р43, Р50, Р65 и Р75. В настоящее

23

время, в условиях рыночной экономики предприятия Горэлектротранса стали приобретать трамвайные рельсы Австрийских 60/10) и

Венгерских (бесшеечные) фирм. Только в условиях ГУП «Горэлектротранс» Санкт-Петербурга эксплуатируется 10 типоразмеров- рельсов. Такое количество типоразмеров рельсов не способствует эффективному ведению путевого хозяйства, усложняет и удорожает выполнение ремонтных работ.

С технической и экономической точек зрения целесообразно в перспективных конструкциях трамвайных путей отказаться от дальнейшего применения трамвайных рельсов типов Тв60 и Тв65 и железнодорожных рельсов типов Р43 и Р75. Рельсы типа Р43 считаются морально устаревшими, а применение рельсов типа Р75 не оправдано ни с технических, ни с экономических позиций.

Укладываемые в настоящее время трамвайные рельсы зарубежных фирм не ориентированы на отечественную технологию производства элементов верхнего строения пути, а прочностные, геометрические характеристики этих рельсов и химический состав рельсовой стали не превосходят уровень аналогичных показателей рельсов отечественного производства.

3. В условиях ГРТ отмечается высокая аварийность, выражающаяся сходами трамваев с рельсов. Общее число сходов вагонов в год достигает 1000 (с установленными причинами до 700). Выявление причин сходов требует проведения комплексного (системного) исследования технического состояния пути, вагонов, режима и скоростей движения трамваев.

Выполненными исследованиями установлены причины, связанные с неисправностью пути (41%), неисправностью подвижного состава (37%), нарушениями в режиме движения вагонов (2%). Группа «прочих» причин, не связанных ни с одной из перечисленных причин, составляет 20%.

Аварийность может быть снижена в 2 раза в зимний период за счет проведения организационно-технических мероприятий по своевременной уборке снега, устранению обледенения путей и стрелок. В кривых малых радиусов увеличение радиуса кривой до 30м позволит снизить число сходов трамваев с рельсов з 2 раза. При реконструкции и капитальном ремонте трамвайных путей целесообразно предусматривать изменение планового положения трамвайных путей с увеличением радиуса до 30м.

4. Разработана методика эксплуатационных испытаний опытных конструкций пути с железнодорожными рельсами. Методикой регламентированы полигон кривизны путей, оценочные критерии технического состояния пути и работоспособности опытной конструкции, срок испытаний. Опытные конструкции испытаны в кривых радиусом от 500 до 18м при сроке испытаний от двух до 13,5 лет (согласно методике не менее двух лет). Оценкой надежности работы опытной конструкции является отсутствие сходов подвижного состава с рельсов. Испытания

выполнены с соблюдением требований ПТЭ трамвая к условиям эксплуатации.

Обоснованы две опытные конструкции с железнодорожными рельсами, подлежащие длительным эксплуатационным испытаниям. Первая конструкция предусматривает установку железнодорожных рельсов по обеим рельсовым нитям (первый тип), вторая - по упорной нити железнодорожных рельсов типа Р65, по внутренней нити -трамвайных рельсов Т62 (второй тип). Установлена техническая возможность эксплуатации таких конструкций и необходимость дифференциации условий их эксплуатации по параметру кривизны пути.

5. В эксплуатационную сеть трамвайных путей уложено 17 опытных конструкций пути первого типа в кривые радиусом от 500 до 100м и 23 опытных конструкции второго типа в кривых радиусом от 50 до 18 м.

6. Эксплуатационными испытаниями установлена критическая зона перехода от конструкции пути с железнодорожными рельсами по обеим рельсовым нитям к конструкции пути с железнодорожными рельсами по упорной рельсовой нити и с трамвайными рельсами по неупорной нити. Такой зоной перехода является кривая радиусом 100м. Обоснована также критическая зона перехода от конструкции пути с одним контррельсом (трамвайным рельсом по внутренней нити) к конструкции пути с трамвайными рельсами по обеим рельсовым нитям. В качестве такой зоны служит кривая радиусом 30м.

Эксплуатационные испытания показали сложность установления критической зоны с выделением какого-либо одного фактора (например, кривизна пути). В окрестности критической зоны по параметру кривизны пути всегда формируется такая эксплуатационная ситуация, при которой дополнительно проявляются сопутствующие факторы (износ гребней колес, скоростной режим движения трамвая, отклонения по уровню возвышения и др.).

7. Эксплуатационными испытаниями установлены три сферы возможного использования железнодорожных рельсов по параметру кривизны пути и соответствующие этим сферам конструкции пути:

железнодорожные рельсы типа Р65 с укладкой контррельсов по обеим рельсовым нитям (или с трамвайными рельсами) - в кривых радиусом до включительно 30м (сфера 1);

железнодорожные рельсы типа Р65 по упорной рельсовой нити и трамвайные рельсы по внутренней нити - в кривых радиусом от 31 до 100м включительно (сфера 2);

железнодорожные рельсы с укладкой по обеим рельсовым нитям - в кривых радиусом 101м и более и в прямых участках пути (сфера 3).

8. Вписывание тележек трамвайных вагонов в кривые участки пути происходит по принудительной и свободной схемам при максимальном уровне направляющих усилий до 34,7 кН и рамных сил до 15,9 кН. В

нормальных условиях эксплуатации устойчивость тележек к накатыванию колеса на рельс обеспечивается при реализации коэффициента устойчивости в пределах 2,59-2,82. Устойчивость к накатыванию колеса на рельс, определенная по критерию Марье, обеспечивается при угле наклона прямолинейной поверхности гребня колеса к горизонту не менее 59°.

9. Реальными источниками финансирования для служб пути ГУП Горэлектротранса является собственный капитал (прибыли), средства из бюджета и заемный капитал. Основным видом финансирования является госбюджет. Наиболее представительно оценка эффективности вложения инвестиций по линии использования железнодорожных рельсов на ГРТ может быть выполнена по величине ЧДД, как наиболее распространенного и наиболее простого.

Установлено положительное значение ЧДД при укладке железнодорожных рельсов в кривых радиусом от 30 до 100 м (по наружной рельсовой нити), в кривых более 100м (по обеим рельсовым нитям) и в прямых участках пути.

Наибольшее значение ЧДД соответствует прямым участкам пути. Таким образом применение железнодорожных рельсов наиболее эффективно в кривых больших (более 100м) радиусов и в прямых участках пути.

10. Выполненным исследованием даны рекомендации по совершенствованию сушествующей системы ведения рельсового хозяйства на предприятиях Горэлектротранса. В предлагаемой системе ведения рельсового хозяйства сокращено число типоразмеров трамвайных и железнодорожных рельсов, сокращено число типоразмеров промежуточных скреплений, расширена область и установлены сферы эффективного использования железнодорожных рельсов по параметру кривизны пути, предложены новые конструкции пути. Данные рекомендации в большом объеме внедрены на эксплуатируемых путях ГУП «Горэлектротранс» Санкт-Петербурга.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях.

1. Обоснование сфер применения рельсов железнодорожного типа в кривых участках трамвайных путей. / И.Н. Никерова, науч. рук. К.Н. Дьяков// Материалы второй международной конференции «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах». СПб:СПбГАСУ, 1996.-С. 145-146.

2. Никерова И.Н. Требования к использованию рельсов железнодорожного типа в условиях городского рельсового транспорта// Молодые ученые, аспиранты и докторанты Петербургского государственного университета путей сообщения: Межвузовский сб. науч. тр.; Под ред. В.В. Сапожникова и Л.Н. Павлова/ Петербургский гос. ун-т путей сообщения,- СПб, 1997.-С.49-50.

3. Никерова И.Н. Результаты эксплуатационных испытаний рельсов железнодорожного типа в условиях городского рельсового транспорта //Молодые ученые, аспиранты и докторанты Петербургского государственного университета путей сообщения: Межвузовский сб. науч. тр.; Под ред. В.В. Сапожникова и Л.Н. Павлова/ Петербургский гос. ун-т путей сообщения.- СПб, 1997.-С. 152-154.

4. Дьяков К.Н., Никерова И.Н. Технико-экономическая эффективность применения рельсов железнодорожного типа на городском рельсовом транспорте// Труды молодых ученых, аспирантов и докторантов ПГУПС: Сб. науч. тр.; Под ред. В.В. Сапожникова/ Петербургский гос. ун-т путей сообщения. -СПб, 1999.-С.32-35.

5. Никерова И.Н. Зависимость сходов трамваев с рельсов от кривизны пути. //Труды молодых ученых, аспирантов и докторантов ПГУПС: Сб. науч. тр.; Под ред. В.В. Сапожникова и др./ Петербургский гос. ун-т путей сообщения. -СПб, 2001.-С.29-31.

6. Никерова И.Н. Трамвайные рельсы. //Путь и путевое хозяйство.-2002.-№ 1.-С.ЗЗ.

Подписано к печати Печ. л. -

Печать - ризография. Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 экз. Заказ №_

ЧЧ5.

Тип. ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр.9.

37 20

ВВЕДЕНИЕ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОГО РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА

1.1. Состояние вопроса.

1.2. Анализ действующих нормативных документов, регламентирующих сферы использования железнодорожных рельсов на трамвайных путях.

1.2.1. Требования строительных норм и правил.

1.2.2. Требования правил технической эксплуатации трамвая

1.2.3. Требования инструкции по техническому содержанию трамвайных путей.

1.2.4. Результаты анализа.

1.3. Типы и характеристика рельсов в эксплуатируемых и перспективных конструкциях трамвайных путей.

1.3.1. Рельсы трамвайные отечественного производства.

1.3.2. .Рельсы железнодорожные отечественного производства.

1.3.3. Рельсы производства Австрийских и Венгерских фирм, эксплуатируемые на трамвайных путях Горэлектротранса Санкт-Петербурга.

Выводы.

2. АНАЛИЗ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ НА ГОРОДСКОМ РЕЛЬСОВОМ ТРАНСПОРТЕ.

2.1. Структура системы городского рельсового транспорта

ГРТ).

2.2. Состояние аварийности в системе ГРТ по блокам Путь-Трамвай-Водитель-Внешняя среда.

2.3. Влияние фактора сезонности на аварийность системы ГРТ.

2.4. Влияние фактора кривизны путей на аварийность системы

2.5. Разработка методики комплексной оценки технического состояния блоков системы ГРТ при сходе вагонов с рельсов.

Выводы.

УКЛАДКА ОПЫТНЫХ УЧАСТКОВ С

КОНСТРУКЦИЯМИ ПУТИ ИЗ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ.

3.1. Обоснование типа железнодорожных рельсов (конструкции пути) для укладки на опытных участках

3.2. Обоснование условий испытаний опытных конструкций пути по параметру кривизны рельсовых нитей

3.3. Укладка опытных конструкций с железнодорожными рельсами на эксплуатируемой сети трамвайных путей

Санкт-Петербурга.

Выводы.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ОПЫТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПУТИ И ИХ АНАЛИЗ

4.1. Методика эксплуатационных наблюдений

4.2. Конструкции пути с рельсами трамвайного типа по обеим рельсовым нитям.

4.3. Конструкция пути с железнодорожными рельсами по упорной рельсовой нити и с трамвайными рельсами по внутренней нити.

4.3.1. Ширина колеи.

4.3.2. Возвышение рельсовых нитей

4.3.3. Положение рельсовых нитей в плане.

4.3.4. Оценка аварийности.

4.4. Конструкция пути с железнодорожными рельсами по обеим рельсовым нитям

Выводы.

5. УСТОЙЧИВОСТЬ ВАГОНОВ К НАКАТЫВАНИЮ КОЛЕСА НА РЕЛЬС.

5.1. Расчет направляющих усилий при вписывании трамвайных вагонов в кривые участки пути.

5.2. Расчет устойчивости колеса к всползанию его на рельс

5.2.1. Исследования по критерию Марье.

5.2.2. Исследования с использованием методических разработок

Г.М. Шахунянца и М.П. Смирнова

5.2.3. Исследования с использованием методических разработок

М.Ф. Вериго, А.Я. Когана, А.У. Галеева.

5.2.4. Выводы.

6. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЛОЖЕНИЯ ИНВЕСТИЦИЙ В КОНСТРУКЦИИ ПУТИ

С ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМИ РЕЛЬСАМИ.

6.1. Методика сравнительной экономической оценки вариантов конструкции пути с железнодорожными рельсами в различных условиях их эксплуатации.

6.2. Расчет технико-экономической эффективности применения железнодорожных рельсов на городском рельсовом транспорте.

Выводы.

Рельсы железнодорожные отечественного производства находят применение на магистральном и промышленном железнодорожном транспорте, в метрополитенах и на городском рельсовом транспорте (трамвае). При этом, если применение железнодорожных рельсов в первых трех указанных областях считается обычным явлением, то использование их на городском рельсовом транспорте требует соответствующего технико-экономического и научного обоснования. Последнее связано с качественно иной сферой их применения по параметру кривизны пути и повышенными требованиями к безопасности движения поездов.

Так, если область кривых участков пути на магистральном железнодорожном транспорте начинается с радиуса 200-250 м, то на городском рельсовом транспорте в соответствии с нормативами ПТЭ с 18-20м (фактически же с 14-16 м). Это обстоятельство, в целях исключения сходов трамваев с рельсов, потребовало широкого применения трамвайных рельсов специального профиля.

В перестроечный период, с развитием рыночных отношений, производство трамвайных рельсов резко сократилось. Причиной тому послужил малый объем потребности в этих рельсах в целом по России и, в связи с этим, и неэкономичность их производства металлургическими предприятиями, имеющими рельсопрокатное производство. В этой ситуации предприятия Горэлектротранса стали приобретать трамвайные рельсы производства зарубежных фирм. Таким образом, возникла производственная необходимость в оценке технической возможности применения железнодорожных рельсов отечественного производства на городском рельсовом транспорте. С научной точки зрения эта проблема потребовала обоснования сфер возможного применения железнодорожных рельсов на городском рельсовом транспорте.

Научное обоснование сфер возможного применения железнодорожных рельсов на городском рельсовом транспорте должно рассматриваться в двух аспектах — техническом и экономическом. Первое ограничение (в техническом отношении) предусматривает обоснование сфер использования железнодорожных рельсов с позиции исключения сходов трамваев с рельсов. Второе — дает экономическое обоснование сфер эффективного использования железнодорожных рельсов. При этом в качестве базового варианта должны быть приняты конструкции пути с применяющимися в настоящее время типовыми трамвайными рельсами. Экономическое же обоснование в современных условиях должно базироваться на экономических критериях, соответствующих рыночным условиям развития производства.

В выполненном исследовании подробно изучаются нормативные материалы с позиций использования железнодорожных рельсов на городском рельсовом транспорте и фактическое их использование на предприятиях

Горэлектротранса. В течении длительного времени (начиная с 1991г.) собраны и проанализированы статистические материалы по аварийности на городском рельсовом транспорте. Анализ выполнен с рассмотрением системы «Трамвай-Путь-Водитель-Внешняя среда».

В настоящее время нет математической модели, достаточно строго описывающей сход вагонов с рельсов в условиях городского рельсового транспорта. Это объясняется рядом причин.

Во первых, сход - явление многофакторное и, практически, никогда он не проявляется от какой - либо одной причины (например предельный износ гребней колес). Тележка с предельно изношенным гребнем сойдет с рельсов не в любом месте (например, в прямом участке пути) а, как правило, в кривом участке пути и с наименьшим радиусом. Более того, даже в этой ситуации, при малой скорости движения, сход может и не быть, а при повышенной скорости он будет реализован.

Во вторых, большая часть сходов проявляется от попадания посторонних предметов на путь. Наши математические модели это, как правило, не только не предусматривают, но и не предполагают. А наличие посторонних предметов на некоторых участках пути явление случайное, а на узловых соединениях с замощенным покрытием практически постоянное.

В третьих, существующие математические модели, описывающие явление схода колеса с рельсов рассчитаны на ведомые колеса. У трамвайных вагонов каждая ось является ведущей и на ней реализуется тяговое усилие. Это обстоятельство меняет физику всползания колес на рельс. По этой причине известные разработки в этой области для магистрального транспорта применительно к городскому рельсовому транспорту являются неприемлемыми.

Отмеченные обстоятельства побудили автора в основу исследования положить эксплуатационные испытания опытных конструкций, как наиболее надежные и учитывающие все многообразие эксплуатационных факторов. Эксплуатационные испытания потребовали больших затрат времени на их проведение (1991-2000 годы).

За период исследования уложены и проведены эксплуатационные наблюдения за опытными участками с железнодорожными рельсами в кривых радиусами от 20 м до 500м. На заключительном этапе дано технико-экономическое обоснование сфер эффективного использования железнодорожных рельсов на городском рельсовом транспорте.

Работа выполнена на кафедре «Железнодорожный путь» ПГУПС в сотрудничестве с ГП «Горэлектротранс» Санкт-Петербурга и Управлением Октябрьской железной дороги.

Целью диссертационной работы является технико-экономическое обоснование сфер применения железнодорожных рельсов отечественного производства по параметру кривизны пути в условиях городского рельсового транспорта (ГРТ).

В соответствии с поставленной целью в исследовании поставлены следующие задачи:

- анализ нормативной документации по использованию железнодорожных рельсов на ГРТ и фактическое их использование предприятиями Горэлектротранса;

- изучение фактического положения по безопасности движения поездов, оцениваемой по интенсивности схода вагонов с рельсов в условиях ГРТ;

- создание опытных конструкций пути с железнодорожными рельсами и их эксплуатационные испытания в кривых участках пути с анализом безопасности движения поездов на этих участках;

- проведение теоретических исследований по вписыванию трамвайных вагонов в кривые участки пути с установлением уровня силовых воздействий на путь, оценка устойчивости колеса на рельсе с разработкой математической модели применительно к тележкам трамвайного вагона;

- установление сфер применения железнодорожных рельсов по условиям безопасности движения и экономическим соображениям.

В процессе проведения исследований не было выявлено каких-либо опубликованных работ по научному обоснованию возможности применения железнодорожных рельсов в кривых участках трамвайных путей. В этой области исследований выполняемая работа является пионерной. Обследование эксплуатируемой сети трамвайных путей ГУП «Горэлектротранс» Санкт-Петербурга (протяженность 708,6 км - 13% протяженности всех трамвайных путей Российской Федерации) в начале проводимого исследования показало, что железнодорожные рельсы в кривых участках трамвайных путей не укладывались. Поставленная в исследовании задача по оценке устойчивости трамвайных вагонов в рельсовой колее затруднялась отсутствием ее теоретического решения для тележек с расположением буксовых узлов с внутренней стороны колеса (в пределах насадки).

Метод исследований. Научное обоснование опытных конструкций пути с железнодорожными рельсами и их эксплуатационные испытания в условиях широкого полигона изменения кривизны кривых по критериям их технического состояния и безопасности движения. Теоретические исследования по установлению уровня сил взаимодействия вагонов и пути в кривых участках и оценка устойчивости движения трамвайных вагонов в рельсовой колее на основе известных математических моделей и разработке новых.

Научная новизна исследований заключается в установлении критических зон перехода различных конструкций пути с железнодорожными рельсами по параметру кривизны пути, разработке теоретико-экспериментальной зависимости интенсивности сходов вагонов от кривизны пути, обосновании перспективного типажа железнодорожных и трамвайных рельсов с позиций их унификации с промежуточными скреплениями и снижения их числа, разработке и практической реализации математической модели по устойчивости трамвайных вагонов в кривых участках пути.

Достоверность теоретических результатов работы, обоснованность выводов и рекомендаций подтверждается совпадением их с данными экспериментальных исследований, признанием и представительным внедрением их предприятиями Горэлектротранса и проектных организаций.

Практическая ценность работы состоит в расширении сфер эффективного использования железнодорожных рельсов в условиях ГРТ и распространение их на кривые участки, повышение сроков их службы, снижении типажа железнодорожных и трамвайных рельсов, укладки железнодорожных рельсов в кривых участках трамвайных путей ГУП «Горэлектротранс» Санкт-Петербурга.

Реализация работы. Результаты исследований использованы ГУП «Горэлектротранс» Санкт-Петербурга путем укладки конструкций пути с железнодорожными рельсами на эксплуатируемых городских путях, снижения типажа укладываемых железнодорожных и трамвайных рельсов, разработки нормативной базы по совершенствованию систем ведения рельсового хозяйства на ГРТ.

Апробация работы. Основное содержание работы , а также отдельные ее положения были одобрены на международной научно-практической конференции «Организация и безопасность движения в крупных городах» (Санкт-Петербург, 1995 год), опубликованы в межвузовских трудах ПИИТа и ПГУПСа (1997-2001гг.), журнале «Путь и путевое хозяйство» (2002г), доложены на НТС службы пути ГУП «Горэлекторотранс» Санкт-Петербурга (2002г), расширенном научно-техническом совещании отдела «Конструкций железнодорожного пути» комплексного отделения «Путь и путевое хозяйство» ВНИИЖТа (2003г) и заседаниях кафедры «Железнодорожный путь» ПГУПСа (2001 -2004гг).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано шесть статей. Подготовлены к печати еще две статьи.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и шести глав, выводов, списка использованной литературы и 4-х приложений. Объем работы составляет 160 страниц машинописного текста и содержит 18 рис., 61 табл. Список использованной литературы составляет 42 наименования.

ВЫВОДЫ

1. Опытная конструкция верхнего строения пути с железнодорожными рельсами при обосновании ее с позиций перспективности и возможности применения на городском рельсовом транспорте должна быть представлена:

-рельсами типа Р65 по обеим рельсовым нитям или железнодорожными рельсами типа Р65 по наружной нити и трамвайными рельсами типа Т62 по внутренней нити (в зависимости от радиуса кривой);

- деревянными шпалами типа 1А или 1Б с эпюрой 1680 или 1840 шпал на 1км пути;

- шириной рельсовой колеи в соответствии с требованиями действующих нормативных документов и допусков на величину ее номинального значения, допусков на момент укладки пути и в процессе эксплуатации с учетом износа рельсов;

-возвышением наружной рельсовой нити над внутренней и усилением пути в кривых в зависимости от радиуса кривых в соответствии с требованиями действующих нормативных документов (СНиП, ПТЭ трамвая, Инструкция по техническому содержанию трамвайных путей).

2. Сферы применения по параметру кривизны кривых конструкций пути без контррельсов, с контррельсами по внутренней нити, с контррельсами по обеим рельсовым нитям должны быть установлены опытным путем — проведением динамических и эксплуатационных испытаний.

3. Выполненными исследованиями обоснована необходимость устройства конструкции пути с контррельсами по обеим рельсовым нитям при радиусах кривых 25м и менее (по условиям безопасности движения). При этом по конструктивным соображениям в данном диапазоне кривизны путей целесообразно укладывать рельсы трамвайного типа.

4. Эксплуатационные испытания конструкций пути с железнодорожными рельсами по обеим рельсовым нитям без контррельсов должны быть выполнены в пределах изменения радиуса кривых от 500 до 100м. Этими испытаниями могут быть установлены предельно возможные минимальные радиусы кривых, при которых возможна эксплуатация железнодорожных рельсов без контррельсов, а следовательно, и величина наибольшего радиуса, при котором должна начинаться укладка конструкции пути с контррельсами по внутренней нити.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ОПЫТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПУТИ И ИХ АНАЛИЗ

4.1. Методика эксплуатационных наблюдений

В процессе эксплуатационных испытаний измеряется ширина рельсовой колеи, возвышение наружной рельсовой нити над внутренней, стрелы прогиба. Ширина колеи и уровень измеряется в сечении пути с шагом 4.0м по всей длине опытного участка. В зависимости от фактической длины опытного участка расстояние между сечениями может быть уменьшено (до 2м при незначительной длине кривой) или увеличено (до 8м при больших значениях длины опытного участка). Стрелы прогиба измеряются на длине хорды 4м с расстоянием между сечениями 2м (по наружной рельсовой нити). При радиусах кривых 300м и более стрелы прогиба следует измерять на длине хорды 8м при расстоянии между сечениями 2м.

Периодичность измерений устанавливается первоначально через 3 месяца после укладки. Все последующие измерения проводятся через 6 месяцев. Первое измерение выполняется непосредственно после укладки опытной конструкции. Общий срок эксплуатационных испытаний опытной конструкции назначается равным 2 годам. Особое внимание при наблюдениях уделяется учету и последующему анализу сходов подвижного состава на опытных участках. По истечении указанного срока в случае отсутствия сходов подвижного состава (или при их наличии, но не связанных с особенностями нового конструктивного оформления пути), опытная конструкция может быть признана достаточно надежной и принята к постоянной эксплуатации.

Первичная информация по состоянию пути в плане уровню и ширине рельсовой колеи заносится в специальную ведомость (табл. 4.1.). По каждому опытному участку дополнительно указывается его адрес, дата укладки, проектное значение радиуса кривой, длина участка, сведения по сходам подвижного состава и оценка дистанции пути о надежности работы конструкции. В процессе проведения эксплуатационных испытаний методика оценки технического состояния пути может уточняться.

1. СНиП 2.05.09-90. Трамвайные и троллейбусные линии. М., Государственный строительный комитет СССР, 1990.

2. Правила технической эксплуатации трамвая. М., Издательство Министерства коммунального хозяйства РСФСР, 1959.

3. Правила технической эксплуатации трамвая. М., Издательство Министерства коммунального хозяйства РСФСР, 1961.

4. Правила технической эксплуатации трамвая. М., Издательство литературы по строительству, 1972

5. Правила технической эксплуатации трамвая. М., Транспорт, 1982.

6. Правила технической эксплуатации трамвая. М., Министерство транспорта Российской федерации, 1993.

7. Инструкция по текущему содержанию трамвайного пути. М., Академия коммунального хозяйства имени К.Д. Панфилова, 1972.

8. Инструкция по текущему содержанию трамвайных путей. М., Росгорэлектротранс, 1992

9. Иванов М.Д., Алпаткин А.П., Исрокольский Б.К. Устройство и эксплуатация трамвая. М., Высшая школа, 1977

10. Технические условия ТУ-14-2-829-89. Рельсы трамвайные желобчатые Т58 и Т62. Харьков, УкрНИИМет, 1989.

11. Технические условия ТУ-14-2-751-87. Рельсы трамвайные повышенного качества типов Т60 и Т65. Харьков, УкрНИИМет, 1987.

12. Технические условия ТУ-14-2-ЭД-1-751-88. Рельсы трамвайные желобчатые повышенного качества типов ТВ60 и ТВ65, Харьков, УкрНИИМет, 1988.

13. Альбом чертежей верхнего строения железнодорожного пути. М., Транспорт, 1995.

14. СТН Ц-01-95. Железные дороги колеи 1520мм. М., Транспорт, 1995.

15. Яковлева Т.Г., Карпущенко Н.И., Клинов С И . , Путря Н.Н,, Смирнов М.П. Железнодорожный путь. М., Транспорт, 1999.

16. СНиП 32-01-95. Железные дороги колеи 1520 мм. Минстрой России, М., 1996.

17. Овечников Е.В. Рельсовые пути трамваев и внутризаводских дорог. М., Издательство литературы по строительству. 1968.

18. Косой Ю.М. Рельсовые пути трамваев и внутризаводских дорог. М., Транспорт, 1987.

19. Никерова И.Н. Требования к использованию рельсов железнодорожного типа в условиях городского рельсового транспорта. Межвузовский сборник научных трудов «Молодые ученые, аспиранты и докторанты ПГУПС». ПГУПС, Санкт-Петербург, 1997.

20. Никерова И.Н. Результаты эксплуатационных испытаний рельсов железнодорожного типа в условиях городского рельсового транспорта. Межвузовский сборник научных трудов «Молодые ученые, аспиранты и докторанты ПГУПС». ПГУПС, Санкт-Петербург, 1997.

21. Дьяков К.Н., Никерова И.Н. Технико-экономическаяч эффективность применения рельсов железнодорожного типа на городском рельсовом транспорте. Сборник «Труды молодых ученых, аспирантов и докторантов ПГУПС». ПГУПС, Санкт-Петербург, 1999.

22. ГОСТ 2.105-95. Общие требования к текстовым документам. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск, 1995.

23. Положение о проведении планово-предупредительного ремонта трамвайных путей. М., 1986.

24. Волков В.А. Экономическая эффективность инвестиций на железнодорожном транспорте в условиях рынка. М., Транспорт, 1996.

25. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. Официальное издание. М., Информэлектро, 1994

26. Ефанов А.Н., Зайцев А.А., Коваленок Т.П. Методы определения экономической эффективности инвестиционных проектов. Учебное пособие. Санкт-Петербург, ПГУПС, 1996

27. Методика оценки эффективности инвестиционных проектов на Октябрьской железной дороге. Санкт-Петербург, МПС, 1998.

28. Яковлев В.Ф. , Никеров Н.С., Дудкин Е.П. Проектирование и расчет рельсовой колеи в кривых участках пути. Методические указания. ЛИИЖТ, 1986.

29. Руководство по определению бокового воздействия на путь и оптимальных параметров рельсовой колеи в кривых участках путей промышленных предприятий. М., Союзпромтрансниипроект, 1983.

30. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М,, Транспорт, 1969.

31. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М., Транспорт, 1987.

32. Ершков О.П. Расчеты поперечных горизонтальных сил в кривых. Труды ВНИИЖТа, вып. 301. М., Транспорт 1966.

33. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М., Транспорт, 1988.

34. Галеев А.У. К вопросу теории схода колес с рельсов. Труды ЦНИИ, вып. 207, 1961.

35. Трофимов А.Н. Процесс всползания гребня колеса на головку рельса при движении железнодорожного экипажа на бокуовой путь стрелочного перевода. Труды ЛИИЖТ, вып. 323. Л., Транспорт, 1971.

36. Трофимов А.Н. Об устойчивости подвижного состава против схода с рельсов. Межвузовский сборник научных трудов. Днепропетровск, 1983.

37. Мищенко К.Н, Современное состояние вопроса о вползании колеса на рельс. Труды ДИИТ, вып. 20, 1950.

38. Чернышев М.Л. Практические методы расчета пути. М., Транспорт, 1967.

39. ГОСТ 25712-88. Бандажи чистые для вагонов трамвая. Технические условия. М., Государственный комитет по стандартам, 1988.

40. ГОСТ 5257-89. Бандажи черновые из углеродистой стали для подвижного состава трамвая. Технические условия. М., Изд-во стандартов, 1989.

41. Резник М.Я., Кулаков Б.М. Трамвайный вагон ЛМ-68. М., Транспорт, 1977.