Рельсовые скрепления
Испытания рельсовых скреплений с предельными нагрузками Требования к подвижному составу и пути на линиях с движением тяжеловесных грузовых поездов постоянно растут: в горнодобывающей промышленности уже стали обыденными нагрузки на ось до 42 т. В регионах со сложными климатическими условиями для доступа к местам с природными ресурсами строят новые железнодорожные инфраструктурные объекты, устойчивые к большим колебаниям температур и высокой влажности. Рынок постоянно требует все более эффективных и экономичных системных подходов, гарантирующих новые качества устройств инфраструктуры в отношении их функциональности и долговечности. Для обеспечения высокого качества рельсовых скреплений большое значение имеют методы, применяемые при их испытаниях. Эти
методы могут быть как затратными, когда исследуется система рельсовых скреплений в целом, так и обычными — в случае проверки
отдельных элементов в рамках обеспечения качества. Компания Vossloh Fastening Systems предлагает железнодорожным компаниям мира недорогие и эффективные системы рельсовых скреплений, отвечающие высоким эксплуатационным требованиям. На выставке InnoTrans 2014 компания Vossloh представила многочисленные системы рельсовых скреплений, предназначенные для перевозок особо тяжеловесными поездами, и усовершенствованные системные компоненты, общая направленность в разработке
Рис. 1. Длинносоставный поезд в США, штат Вашингтон
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 6 71
Рельсовые скрепления
которых — ресурсосберегающие технологии при оптимизации эффективности системы.
Современные требования при тяжеловесном движении В Европе требования, предъявляемые к системам рельсовых скреплений для городских и магистральных железных дорог, а также для высокоскоростных перевозок и грузовых, выполняемых тяжеловесными поездами, определены в стандарте DIN EN 13481, который также дает описание методики соответствующих испытаний. Несмотря на то что в настоящее время осевые нагрузки до 42 т — это уже обыденная практика, как, например, на линиях горнодобывающих предприятий Австралии, в мире пока не определены требования к испытаниям инфраструктурных объектов, используемых в перевозках тяжеловесными поездами с указанной осевой нагрузкой. Существующие стандарты Австралии и Европы рассматривают такие перевозки с осевой нагрузкой не выше 35 т. Описание требований к тяжеловесному движению в США (рис. 1) содержится в документе AREMA (Американской инженерной ассоциации по текущему содержанию и ремонту железнодорожного пути). Американский стандарт рассматривает системы для тяжеловесного
движения иначе, чем европейский. Для систем рельсовых скреплений он определяет конкретные требования: • высокое прижимное усилие; • большое сопротивление угону; • оптимальное поглощение высоких поперечных и вертикальных сил; • предотвращение износа рельсовой подкладки. Соответственно американские стандарты AREMA предусматривают следующие виды испытаний для рельсовых скреплений: • о пределение сопротивления продольному сдвигу; • проверку усилия при отжатии; • и спытания на длительное нагружение; • проверку реакции на действие поперечной силы; • определение воздействия на упругую прокладку под подошвой рельса; • измерение сил, воздействующих на рельсовое скрепление при экстремальных нагрузках. В документе AREMA для нагрузок на ось до 35 т предусмотрено испытание на износ шпал и рельсовых скреплений. Комплекс сложных испытаний предусматривает движение в кривых малого радиуса, в том числе в тяжелых условиях эксплуатации, а также исследование поведения скреплений при больших колебаниях температуры,
Рис. 2. Упругое скрепление типа 300 (фото: Vossloh)
повышенной влажности и загрязнении рельсов песком. На основе результатов испытаний на износ шпал и рельсовых скреплений, проведенных компанией Vossloh Fastening Systems, удалось усовершенствовать системы скреплений для линий с движением тяжеловесных поездов за счет повышения усталостной прочности и износостойкости.
Испытания на усталость при осевой нагрузке 42 т Новая система рельсовых скреплений W30 T HH, предназначенная для стрелочных переводов, была подвергнута компанией Vossloh испытаниям на усталость при осевой нагрузке 42 т. Поскольку пока еще полностью не завершено описание испытаний на износ шпал и рельсовых скреплений и не определены другие параметры, в том числе для стрелочных переводов, за основу при усталостных испытаниях был взят европейский стандарт DIN EN 13481-2 (испытание на усталость при многократных нагрузках), дополненный требованиями из австралийского стандарта AS 1085.19 – 2003. В результате пересчета указанных в этих стандартах испытательных нагрузок была разработана технология испытания скреплений на усталость при многократных нагрузках,
Рис. 3. Рельсовое скрепление W 30 HH (фото: Vossloh)
72 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 6
Рельсовые скрепления
которые моделируются для режима работы пути при осевой нагрузке 42 т. Компания Vossloh в сотрудничестве с испытательной лабораторией Технического университета Мюнхена выполнила перерасчет угла приложения нагрузки и ее величины. Подобная методика была применена в рамках процедуры приемки системы рельсовых скреплений типа 300 (рис. 2) для городской железной дороги. Здесь испытательная лаборатория ТУ Мюнхена выполнила сравнительный анализ приведенных ранее стандартов, в результате чего были получены вертикальная и поперечная силы, а также опрокидывающий момент для заданных условий эксплуатации рельсового скрепления. В упрощенном виде опрокидывающий момент и вертикальная сила определяют нагрузку, действующую на прокладку под подошвой рельса и прижимные элементы, например на пружинную клемму Skl 30 компании Vossloh, в то время как поперечная и горизонтальная силы нагружают боковые направляющие элементы системы (боковые упоры, направляющие болты, плечики бетонной отливки и т. д.). В соответствии с указанными стандартами в лаборатории можно смоделировать осевую нагрузку 42 т, действующую на рельсовые скрепления в кривых радиусом 230 м. Первое испытание новой системы W 30 T HH успешно прошло в лаборатории ТУ Мюнхена в апреле 2013 г. В результате этого испытания была проведена оценка пригодности всей системы не только для осевой нагрузки 42 т, но и для геометрически оптимизированных угловых направляющих плит при заданных условиях эксплуатации. Эту систему следует использовать в первую очередь на стрелочных переводах линий горнодобывающих предприятий, но благодаря эффективности конструкции ее можно также применять и на других участках.
Испытание на усталость упругих клемм рельсовых скреплений в кривых малого радиуса В настоящее время усталостная прочность упругих клемм рельсовых скреплений определяется по величине вертикальной усталостной прочности. Последняя соответствует примерно более чем 3 млн циклов нагружения и характеризует способность клеммы длительно выдерживать вертикальные перемещения рельса. На основе испытаний по стандарту DBS 918 127 железных дорог Германии можно оценить, может ли выдержать клемма циклическое продольное смещение рельса ±0,4 мм при эксплуатационном режиме нагружения 300 тыс. нагрузочных циклов или поперечное (горизонтальное) смещение ±0,4 мм с пределом выносливости 3 млн нагрузочных циклов. В действительности такие смещения, как правило, встречаются редко, скорее всего, в сочетании с другими видами перемещений. В частности, в кривых малого радиуса нередко происходит наклон рельса. Эти смещения вызывают износ регулировочных элементов, например угловых направляющих плит, и увеличивают амплитуду комбинированных нагрузок на клемму. При использовании жестких упругих подкладок возникают комбинированные нагрузки на скрепления как внутри, так и снаружи колеи. Спрогнозировать воздействия, вызываемые поперечным смещением рельса в наружном направлении, можно путем испытания клемм на усталость согласно стандартам DB. Для скреплений с внутренней стороны рельса срок службы клеммы при экстремальных нагрузках и величину максимальной допустимой нагрузки, которую она может длительно выдерживать, пока еще невозможно спрогнозировать. Компания Vossloh занималась этой проблемой и разработала
технологию комбинированных усталостных испытаний. Путем установки клеммы под углом относительно направления воздействия испытательной машины можно легко исследовать воздействие вертикальных и поперечных сил, а также связанные с ними перемещения. Первые практические результаты такого рода экспериментов показали их хорошую воспроизводимость для отдельных типов упругих клемм. Вместе с тем они свидетельствуют о том, что клеммы с большими амплитудами упругих вертикальных перемещений при многократных нагрузках не всегда обеспечивают качества, которые требуются от них в кривых малого радиуса. Следует заметить, что износ угловых направляющих элементов приводит к увеличению перемещений, которые невозможно воспроизвести самой современной техникой при испытаниях на усталость.
Развитие перевозок тяжеловесными поездами в Северной Америке Рентабельность и безопасность — это решающие аргументы при создании проектов инфраструктуры. Для обеспечения эффективной эксплуатации и малозатратного технического обслуживания участков, где обращаются тяжеловесные поезда с осевой нагрузкой до 35 т, в том числе в кривых с экстремальными механическими нагрузками, требования к системам рельсовых скреплений достаточно высоки. Ярким примером тому служат грузовые перевозки в Северной Америке. Для этого особого рынка компания Vossloh разработала большое число систем рельсовых скреплений. В настоящее время скрепления типа W компании Vossloh установлены в США на участках общей длиной около 760 км. Конструкция рельсовых скреплений W 30 HH (рис. 3) основана
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 6 73
Рельсовые скрепления
на всемирно известной системе W 14 HH и запатентована для осевых нагрузок до 35 т. Она получила все необходимые для эксплуатации в США разрешения и является сегодня стандартной для линий с железобетонными шпалами, предназначенных для движения тяжеловесных поездов. Имея увеличенный диаметр прутка и оптимизированную геометрию, пружинная клемма Skl 30 обладает высокой прижимной силой, большой динамической усталостной прочностью и значительным сопротивлением угону. Это обеспечивает более надежное и безопасное движение поездов даже в экстремальных условиях при температуре от –60 до +50 °C. Вместе с пружинной клеммой Skl 30 также используется рельсовая прокладка жесткостью 400 кН/мм. Кроме того, в расчете на увеличенные поперечные силы снаружи колеи установили трапециевидные полимерные боковые упоры. Еще одним примером целенаправленной научно-исследовательской работы компании Vossloh является система рельсовых скреплений W 40 HH, которая обладает большей удерживающей силой и одновременно оптимизирует поперечные и вертикальные удерживающие силы. Ее высокий предел усталости гарантирует более продолжительный срок службы при меньших затратах жизненного цикла. Более широкие угловые регулировочные плиты с наружной стороны в скреплении типа W 40 HH AP воспринимают более высокие нагрузки, прежде всего экстремальные механические силы в кривых. Особенностью данной системы является абразивная пластина (AP) толщиной 2 мм, установленная между упругой прокладкой и подошвой рельса, оберегающая от повреждения и ту, и другую. Пластина изготовлена из полиамида, армированного стекловолокном, она
износостойка и может выдерживать высокое удельное давление. Кроме того, специальная конструкция пластины затрудняет проникновение под рельс песка. Это было подтверждено усталостными испытаниями, проведенными в соответствии с положениями AREMA, предписывающими проведение таких испытаний при изменениях температуры и воздействии смеси из песка и воды. Пружинная клемма Skl 40 с выгнутыми назад прижимными концами (3,2 мм по вертикали) обеспечивает высокую удерживающую силу при одновременно высокой усталостной прочности. Кроме того, она надежно прилегает к подошве рельса благодаря новой форме. Упругое рельсовое скрепление W 31 РС I служит для переоборудования линий под тяжеловесное движение. Будучи экономичным и простым в установке, оно позволяет компенсировать износ плечиков чугунного анкера. Регулирование ширины колеи в кривых возможно благодаря угловым направляющим пластинам. Абразивная пластина здесь также защищает от износа; с помощью средней петли пружинной клеммы исключается возможность опрокидывания рельса. Пружинная клемма Skl 31 обладает высокой усталостной прочностью. Система почти не требует обслуживания.
Требования к инфраструктуре в России В России требуется строить линии для перевозок с осевой нагрузкой минимум 30 т. Они должны быть рассчитаны на эксплуатацию в сложных климатических условиях при больших колебаниях температур и высокой влажности воздуха. Компания Vossloh в тесном сотрудничестве с российскими специалистами разработала систему рельсовых скреплений W 30, которая приспособлена к сложным
условиям эксплуатации в России. Результаты этого сотрудничества уже вошли в новый российский стандарт на рельсовые скрепления для участков тяжеловесного движения. Аналогичные требования предъявляет Монголия, которая строит линию протяженностью около 270 км от крупного угледобывающего предприятия Таван-Толгой, расположенного в пустыне Гоби, до границы с Китаем. Vossloh разработала систему скреплений MNG 30 для этого участка, по которому будут транспортировать уголь в экстремальных условиях степей и пустыни.
Рельсовые скрепления для путевого развития контейнерных терминалов в портах В контейнерных терминалах портов железнодорожная инфраструктура испытывает экстремальные нагрузки, обусловленные работой контейнерных перегрузочных кранов, а также погодными условиями. Специально для такого пути, предназначенного для пропуска поездов с нагрузкой на ось до 72 т, боковыми силами более 12 т и предельными силами ускорения и торможения, Vossloh разработала систему рельсовых скреплений DFF 30 HH. Она базируется на уже испытанных системах DFF 300 и W 30 HH. Скрепление DFF 30 HH сочетает особенности конструкции обеих систем с возможностью регулирования по высоте на 80 мм и изменения ширины колеи в пределах 40 мм без демонтажа всей системы. Благодаря новой конструкции чугунной опорной плиты система позволяет воспринимать предельные поперечные нагрузки. Колея регулируется с помощью направляющих плит. В конструкции скрепления используется упругая клемма Skl 30 с высокой усталостной прочностью.
74 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 6
Рельсовые скрепления
Skl 30 опирается на подошву рельса, причем она не только достаточно упруга, чтобы следовать за рельсом во всех его прогибах, но также обеспечивает необходимую силу прижатия для максимального сопротивления угону. Боковые угловые пластины из полиамида, армированного стекловолокном, служат для отвода боковых усилий рельса в бетонную опорную плиту. Прокладка под подошвой рельса из термопластического полиуретана не только демпфирует нагрузки, но также обеспечивает необходимую устойчивость в предельных условиях нагрузок и окружающей среды. Все стальные части защищены от коррозии, поэтому их можно использовать в экстремальных погодных условиях, включая агрессивный морской воздух, содержащий соль. Скрепления DFF 30 HH уже используются в двух австралийских портах — Брисбене и Сиднее.
Компоненты скреплений нового поколения Чтобы увеличить жизненный цикл компонентов верхнего строения пути, в частности железобетонных шпал, компания Vossloh разработала новое поколение надежных систем скреплений и их компонентов. Требованием разработки стало оптимальное соответствие новых опорных плит, подкладок и полимерных угловых пластин уже существующей конструкции пути и шпал. При этом должны сохраняться возможности регулирования ширины колеи и изменения высоты. Так, новый симметричный дизайн пластин для регулирования высоты в большой степени упрощает монтаж. Значительно улучшены упругие компоненты скреплений. В случае необходимости компания предлагает для упругих элементов альтернативные материалы с меньшей ползучестью. Кроме
того, Vossloh разработала недорогие варианты угловых регулирующих плит Wfp NG. Инновационное сочетание болта с дюбелем, обеспечивающее оптимизированное распределение нагрузки, значительно уменьшает поперечные силы, возникающие при больших моментах затяжки. Это не наносит вреда шпалам и повышает вместе с тем безопасность пути и рентабельность его эксплуатации. Для скреплений в зоне стрелочных переводов Vossloh разработала решение, позволившее значительно снизить капитальные затраты и отказаться от использования традиционных рельсовых скреплений с ребристыми подкладками. Это решение может быть реализовано как на обычных, так и на высокоскоростных линиях. N. Krieg. Eisenbahntechnische Rundschau, 2014, № 9, S. 94 – 99; материалы компании Vossloh (www.vossloh-cis.com).
НОВОС Т И Рельсы для Crossrail поставит TATA steel Индийская компания TATA steel получила контракт на поставку 7000 т рельсов для линии Crossrail, пересекающей Лондон с востока на запад. Компания поставит для этого проекта более 57 км закаленных со снятым внутренним напряжением износостойких рельсов. В 2015 г. после завершения основных работ по прокладке тоннелей планируют начать отделку и монтаж функциональных систем внутри тоннелей и на станциях.
Тоннель Альбфорланд Компания DB Projekt StuttgartUlm, входящая в состав холдинга железных дорог Германии (DB), объявила тендер на строительство участка высокоскоростной линии Вендлинген — Ульм с тоннелем Альбфорланд и примыкающей к нему так называемой Малой вендлингской кривой. Тоннель будет состоять из двух труб длиной более 8000 м каждая, соединенных квершлагами. У обоих порталов каждой из труб будут сооружены стенки с продольно вытянутыми окнами для гашения аэродинамиче-
ского шума, которым сопровождается выход поезда с большой скоростью из трубы. Часть тоннеля имеет открытое исполнение. «Малая вендлингская кривая» представляет собой тоннель (однотрубный) длиной 380 м с участком 110 м, имеющим открытое исполнение. К этому комплексу сооружений относятся также тоннель длиной 187 м, соединяющий линию с путем для грузовых поездов, и однотрубный тоннель длиной 173 м, проходящий под федеральной автомобильной магистралью А 8. Планируемое время выполнения работ — 4 года.
Хотите увидеть новости быстрее? Заходите на сайт www.zdmira.com ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 6 75