Типы верхнего строения

Вопросы типизации элементов верхнего строения на отечественных дорогах стали рассматриваться в кругу принципиальных проблем конструирования пути еще со времени введения первых казенных рельсов, спроектированных Ф. И. Энрольдом. В полной мере типизация была осуществлена в 1903-1908 гг., когда для казенных рельсов четырех известных типов были разработаны конструкции промежуточных и стыковых скреплений, эпюры шпал и т. д. Основой типизации были прочностные расчеты, а выбор типа рельса связывался в первую очередь с уровнем допустимой нагрузки на него. Практически выбор типа рельса зависел главным образом от величины локомотивных осевых нагрузок, причем преимущественно пассажирских паровозов.

Это объясняется характером дореволюционного подвижного состава. Массовый двухосный вагон грузоподъемностью 16,5 тс и паровозы серии О, имевшие осевые нагрузки около 13 тс, относились к вездеходному подвижному составу, который мог обращаться по рельсам самого легкого типа. Пассажирские локомотивы, осевые нагрузки которых уже тогда достигали 16-17 тс, требовали более мощных рельсов, что усугублялось динамическим эффектом, обусловленным достаточно высокой скоростью. Поэтому тяжелые рельсы применяли в первую очередь на линиях с обращением быстроходных (курьерских) поездов, среди которых резко выделялась линия Петербург - Москва. Что же касается линий с относительно высокими размерами грузовых перевозок, то на большинстве из них, начиная с 1900 г., работали паровозы серии О и использовались рельсы самого легкого или следующего за ним типа.

После Великой Октябрьской социалистической революции некоторое время действовали дореволюционные принципы установления типа рельса. Дело здесь не только в преемственном сохранении прежних методик прочностной оценки, но и в объективных причинах, а именно: в невиданном росте осевых нагрузок. Произошел скачок от паровозов О к ФД, приведший к увеличению осевых нагрузок более чем в 1,5 раза. Примерно в такой же степени возросли вагонные осевые нагрузки. Столь значительное увеличение нагрузок выдвигало их на первый план и диктовало необходимость скорейшего усиления верхнего строения за счет применения в первую очередь более тяжелых типов рельсов.

Однако, как известно, усиление пути шло медленнее, чем было необходимо, и вскоре выявилось еще более острое неблагополучие с общим состоянием пути, который на линиях со значительным движением не удавалось содержать в исправности традиционными способами и средствами. Уже тогда начало складываться представление о том, что несоответствие типа рельса размерам перевозочной работы, а не только величине осевых нагрузок, влечет за собой непомерное возрастание расходов на содержание и ремонты пути.

Новая типизация верхнего строения стала создаваться после Великой Отечественной войны и в 1958 г. она была введена приказом МПС № 38/Ц. Предусматривалось три типа верхнего строения (легкий, нормальный, мощный) с рельсами Р43, Р50 и Р65, применение которых на сети дорог определялось интервалами грузонапряженностей брутто менее 10, от 10 до 25 и более 25 млн. ткм на 1 км в год. При этом сохранялись еще и ограничения по уровню нагружения: для легкого типа верхнего строения - не более 20 тс, для среднего - до 23, для мощного - до 27 тс на ось локомотива.

В последующие годы типизация корректировалась и дополнялась. В 1959 г. в нее введен четвертый тип верхнего строения с рельсами Р75. Несколько позднее исключен легкий тип с рельсами Р43. В результате пришли к современной типизации, предусматривающей наличие трех типов верхнего строения, обеспечивающих вездеходность подвижного состава. Области применения верхнего строения этих типов определяются только грузонапряженностью: нормальный тип с рельсами Р50 должен укладываться при грузонапряженности брутто до 25 млн. ткм/км, тяжелый с рельсами Р65 - при 25-50 млн. ткм/км и особо тяжелый с рельсами Р75 при грузонапряженности более 50 млн. ткм/км в год. В 1964 г. указанная типизация была утверждена Госстроем СССР.

Интервалы грузонапряженностей определяли расчетом срока окупаемости дополнительных капиталовложений, граничные значения которого принимались от двух до четырех лет. Поскольку выше отмечалось хорошее согласование с существующей практикой результатов расчета по минимуму приведенных затрат на базе обобщенных зависимостей для капитальных вложений и эксплуатационных расходов, можно применить такой же способ для установления интервалов грузонапряженностей по типам рельсов.

Из формулы (24) вытекает выражение для приведенных затрат

из которого следует, что для данного типа рельса при c = 1 приведенные затраты представляют собой линейную функцию грузонапряженности. Подставляя в (22) и (24) оптимальную массу рельса G_опт в соответствии с (25), а также известные численные значения, получим, опуская громоздкие промежуточные выкладки,

Как видим, приведенные расходы при оптимальной массе рельса являются степенной функцией грузонапряженности. Поскольку при G = G_опт формулы (28) и (27) тождественны, очевидно, существует значение грузонапряженности, обеспечивающее минимум приведенных расходов для рельса данной массы. В этой точке прямая, выражающая изменение приведенных затрат при заданной массе рельса, карательна к кривой min П. Таким образом, пат для тех типов стандартных рельсов выражается ломаной линией, описывающей кривую min П (рис. 46). Абсциссы точек пересечения касательных дают граничные значения грузонапряженностей, при которых необходим переход от одного типа рельса к другому. При E₀ = 0,3, что приблизительно соответствует середине интервала расчетных сроков окупаемости, принимавшихся при разработке существующей типизации, получаются границы применения рельсов Р50 - 26 млн. ткм/км, Р65 - 46 млн. ткм/км в год, что очень близко к установленным граничным значениям (25 и 50 млн. ткм/км в год). Такое хорошее согласование результатов позволяет с доверием относиться к приведенному способу анализа, несмотря на его простоту.

Рис. 46. Определение интервалов грузонапряженности для рельсов определенных категорий

Кривизна функции min П резко увеличивается с ростом Г_и. При больших грузонапряженностях кривая min П как бы выпрямляется. На этом участке касательная незначительно отклоняется от прямой. Следовательно, с экономических позиций в интервале высоких грузонапряженностей нет необходимости варьировать с несколькими массовыми категориями рельсов, что не принесет значительного снижения приведенных расходов. Это вполне согласуется с принципами существующей типизации; интервал грузонапряженностей от 50 млн. ^ткм/_км и выше перекрывается одним типом рельса.

Однако при относительно низких грузонапряженностях целесообразно как раз уменьшение интервалов, перекрываемых рельсами определенных массовых категорий, ибо лучшее приближение ломаной к кривой min П на участке с малой кривизной способствует существенному снижению приведенных расходов. Такую политику в рельсовом хозяйстве проводят дороги ряда стран, работающих в условиях гораздо менее высокой грузонапряженности, чем дороги СССР, например дороги США (табл. 4) [4].

Таблица 4. Условия применения рельсов в США

В США применяют соответственно размерам грузонапряженности более тяжелые рельсы, чем у нас. Эта практика имеет глубокие исторические корни. Она обусловливается гораздо меньшей дефицитностью рельсового металла, которая издавна имела место в США по сравнению с Россией, что, в конечном счете, привело к иному пониманию целесообразных размеров капитальных вложений и эксплуатационных расходов.

Итак, оценка прочности рельсов при разовом нагружении явно отошла на второй план при установлении целесообразных массовых категорий. Однако первостепенный критерий - грузонапряженность - лишь скрывает за собой характеристики многократного нагружения, определяющие интенсивность необратимых процессов в рельсовом пути под воздействием поездов. Многие из них имеют прочностную природу, но касаются длительной прочности материалов и сопротивляемости их развитию различного рода остаточных деформаций. Отсюда вытекают характеристики сроков службы или норм периодичности ремонтов для элементов верхнего строения пути, выражаемые в пропущенном по ним тоннаже или в годах. Нормы периодичности ремонтов пути являются непременной частью существующей типизации верхнего строения пути железных дорог.