Доктор техн. наук, проф. М. Ф. ВЕРИГО

К вопросу об устойчивости бесстыкового пути
под проходящими поездами

Экспериментальные и теоретические исследования температурной устойчивости бесстыкового железнодорожного пути при отсутствии на нем подвижного состава проводились многократно с использованием многочисленных методов и допущений. Все эти методы и получаемые с их помощью результаты опубликованы и общеизвестны. Но если современные методы исследования устойчивости бесстыкового пути, не нагруженного движущимся подвижным составом (особенно методы математического компьютерного моделирования!), уже позволяют решать огромное количество различных практических задач, то в исследованиях устойчивости бесстыкового пути под движущимся поездом, по-видимому, в настоящее время делаются только первые шаги. По существу же нарушение устойчивости бесстыкового пути с образованием выброса рельсо-шпальной решетки под движущимися поездами до сих пор почти не подвергалось достаточно глубокому научному исследованию, если не считать упрощенного решения этой задачи.

Более того, как показано в работе [1], даже для решения задачи о выбросе рельсо-шпальной решетки, не нагруженной движущимся поездом, требуется отказаться от методов статики и применить методы кинетики случайных процессов. В случае же решения задач о деформациях выброса бесстыкового пути под движущимся поездом исследователь обязан не только рассматривать перемещения, деформации и силовые факторы для различных вариантов и состояний конструкции верхнего строения бесстыкового пути с учетом случайных значений циклически изменяющихся параметров методами кинетики, но и все динамические процессы, возникающие из-за выброса пути, в самом подвижном составе. Иначе говоря, расчетная схема в такой задаче должна представлять собой единый динамический комплекс «бесстыковой путь плюс подвижной состав», у которого во времени и в пространстве взаимно связаны все динамические и статические перемещения, деформации и все силовые факторы. Ко всему этому надлежит добавить статистический разброс различных параметров, входящих в расчетные схемы, и их циклические изменения, связанные с погодными условиями, изменениями скоростей движения поездов на перегонах и станциях, процессов разгона и торможения поездов и т. п.

По-видимому, понимая всю сложность решения указанных теоретических задач механики и динамики конструкций, появились авторы, которые предложили и по-своему обосновали утверждение о том, что сходы и крушения поездов, если они образовались под движущимся поездом, не связаны с состоянием пути в месте схода поезда с рельсов, так как выброс пути под поездом невозможен. Эта гипотеза впервые была опубликована еще в начале 90-х годов; автор этой гипотезы сделал вывод, что выброс путевой решетки может произойти только перед локомотивом, а не в средней части поезда вследствие того, что под ней рельсо-шпальная решетка пригружена грузовыми вагонами [2], а значит, по его мнению, причину крушения следует искать не в состоянии пути под поездом.

Между тем такого рода крушения поездов — явление совсем нередкое и в зарубежной, да и в отечественной практике эксплуатации железных дорог. В связи с этим следует вспомнить слова римского оратора Квинтилиана: «Практика без теории ценнее, чем теория без практики». Рассмотрим статистику и примеры такого рода сходов и крушений на зарубежных железных дорогах в 1979 – 1981 гг. и на отечественных дорогах с начала 1998 до конца 2001 г.

По-видимому, на железных дорогах всего мира исследуются причины каждого случая выброса пути и по ним делаются соответствующие практические выводы. Однако выполнить сквозной систематизированный анализ причин и следствий всех таких происшествий на каждой железной дороге невозможно, поскольку эти материалы не публикуются в открытой печати. Исключением являются публикации в бюллетенях Американской железнодорожной инженерной ассоциации и некоторых других изданиях статей о работе по этим проблемам специалистов США и Канады. Так, в одном из указанных бюллетеней был опубликован весьма интересный материал исследователей А. М. Зарембски и Д. М. Меги [3]. Они приводят не только итоговые результаты проведенных ими исследований, но и подробнейшие первичные материалы наблюдений, положенные в основу обобщения и анализа. Свои исследования эти авторы проводили в течение 2,5 лет (с 1976 по 1979 г.) на нормально эксплуатируемых участках бесстыкового пути, специально выделенных на железных дорогах США и Канады. Общая протяженность участков 17,5 тыс. км. За указанное время на них произошло 479 температурных выбросов пути, т. е. по два выброса на 160 км в год. Из общего числа этих выбросов около 80 % зафиксировано в кривых, в то время как 65 % протяженности рассматриваемого полигона расположено в прямых. При этом интенсивность возникновения выбросов пути очень сильно возрастала с уменьшением радиуса кривых. Из материалов наблюдений следует, что в круговых кривых радиусом более 580 м интенсивность выбросов была больше в 3 раза, в кривых радиусом от 350 до 580 м — в 7 раз и в кривых радиусом до 350 м — в 20 раз, чем на прямых участках. Максимальное количество выбросов наблюдалось на участках бесстыкового пути, где максимальная скорость движения поездов составляла от 48 до 72 км/ч.

Далее приведем лишь результаты наблюдений для тех условий опытов, при которых происходили крушения поездов. Всего из 479 выбросов пути под поездами только в 65 случаях произошли крушения; в 17 случаях не удалось установить, под каким вагоном, считая от локомотива, возник выброс, на котором произошло крушение. Из оставшихся 48 случаев четыре выброса наблюдались впереди поезда, а остальные 44 схода с рельсов начинались за десятым и следующими за ним вагонами. По месяцам года крушения распределялись следующим образом: в апреле — 4, в мае — 17, в июне и июле — по 15 и в августе — 6. Более 90 % сходов произошло с 10.00 до 18.00. В 41 случае крушения произошли при нормальной тяге поездов, в 12 случаях режим ведения поезда был неизвестен и еще в 12 случаях производились торможение или, как сказано в работе [3], «другие действия». В 37 случаях крушения произошли в кривых и в 28 случаях на прямых участках пути.

Как же обстоят дела с нарушением устойчивости бесстыкового пути из-за выбросов под поездами в последние годы на железных дорогах РФ? Приведенные далее сведения заимствованы из официальных материалов Департамента пути и сооружений МПС РФ за период с начала 1998 до конца 2001 г. В 1998 г. по одному крушению на выбросе пути под поездами произошло на Приволжской и Северо-Кавказской железных дорогах, в 1999 г. — в общей сложности пять подобных крушений на Юго-Восточной, Восточно-Сибирской и Московской дорогах. В 2000 г. одно такое же крушение было на Северо-Кавказской дороге, а в 2001 г. — еще одно на Юго-Восточной. Все эти крушения происходили на выбросах типовых конструкций верхнего строения бесстыкового пути, уложенных рельсами Р65 на щебеночном балласте в основном на железобетонных шпалах в прямых, и лишь два из них в круговых кривых радиусами от 400 и 650 м. Все выбросы пути возникали в интервале между апрелем и сентябрем от 12.00 до 16.00. Первыми, как правило, сходили с рельсов хвостовые вагоны поезда и реже примыкающие к ним вагоны хвостовой части. Среди сошедших вагонов были пассажирские и грузовые, цистерны, платформы-контейнеровозы и вагон-зерновоз. В обобщенных материалах МПС РФ по этим крушениям отсутствуют сведения о состоянии пути и сошедших с рельсов единиц подвижного состава, необходимые для соответствующего полного анализа причин этих сходов с рельсов. Однако ценно прежде всего то, что сходы с рельсов произошли и начинались с образования выбросов пути и не перед поездом, а в его концевой части.

Приведенные примеры сходов с рельсов и крушений из практики отечественных железных дорог с полной очевидностью свидетельствуют о том, что крушения поездов из-за выбросов бесстыкового пути под движущимися поездами были и могут возникать в будущем, если не будут приняты соответствующие меры по их предотвращению.

Все приведенные факты не могут быть неизвестны тем, кто утверждает, что невозможны выбросы и, как их следствие, крушения под движущимися поездами. Несоответствие теоретических положений, на которых базируется гипотеза о невозможности выброса бесстыкового пути под поездами [2], реальным процессам заключается, во-первых, в том, что, как утверждает ее автор, «при расследовании крушений и аварий поездов на бесстыковом пути необходимо руководствоваться прежде всего законами механики с проявлением потенциальной энергии (подчеркнуто мною. — М. В.), накапливаемой в рельсовых плетях от нагревания» [2]. Это означает исключение из рассмотрения всех других сил и перемещений во времени, влияющих на кинетику механических процессов сил и моментов сил инерции в конструктивных элементах пути и вагона, динамических сил угона в рельсовых плетях и еще ряда механических факторов, входящих в единую механическую систему путь — подвижной состав.

Во-вторых, в расчетной схеме реальная конструкция вагонов, состоящих из кузова, отдельных тележек, колесных пар, рессорного подвешивания и т. п., заменена неким неопределенным понятием «пригруз», не имеющим конкретного смысла с точки зрения механики. Между тем опыты, проведенные Федеральной железнодорожной администрацией США [4], показали, что наличие движущегося экипажа, создающего динамическую нагрузку, может весьма заметно понижать устойчивость бесстыкового пути по сравнению с той, которая у него была при отсутствии поездной нагрузки (рис. 1). Это происходит из-за образования волны подъема рельсо-шпальной решетки над ее основанием. При большой длине вагонов температура динамического выброса пути может быть на 20 – 30 % ниже соответствующей для статики. Как указывает в своей статье А. Зарембски, это согласуется и с результатами опытов, проводившихся в Западной Европе.

 

Рис. 1. Боковое сопротивление пути под открытым хоппером: 1 — в статике (без экипажа); 2 — при поднятии рельсо-шпальной решетки под поездом

В-третьих, автором гипотезы из рассмотрения исключается продолжительность прохождения межтележечными пространствами вагонов по горизонтальным и вертикальным неровностям пути; однако в ряде случаев возможен практически мгновенный выброс рельсо-шпальной решетки, когда продольные силы в плетях находятся на критическом уровне.

Кроме того, при некоторых размерах и формах неровностей в продольном профиле рельсовых плетей, в случае действия в рельсовых плетях больших продольных сжимающих сил, происходят отрыв некоторых подошв шпал, прекращение действия на них вертикальных нагрузок, а иногда и отрыв некоторых групп шпал от балластных постелей. Это вполне может произойти в момент прохода данного места межтележечными пространствами, а в результате сопротивление таких шпал поперечному сдвигу становится практически равным нулю [5].

Еще в 30-е годы и несколько позже, когда применялись легкие типы рельсов, вертикальное выпучивание звеньевого пути под действием продольных сжимающих сил в рельсах изучали многие ученые-путейцы, решая вопрос о возможности использования так называемых длинных рельсов (профессора Н. Т. Митюшин, К. Н. Мищенко, доценты М. П. Никифоров, М. Т. Членов и др.). Однако вначале проблему выпучивания связывали с так называемой обратной волной изгиба балок, лежащих на сплошном упругом основании, при их нагружении вертикальными силами. Лишь К. Н. Мищенко в 1950 г. опубликовал расчеты устойчивости бесстыкового пути в вертикальной плоскости при действии продольных сжимающих температурных сил в рельсовых плетях бесстыкового пути. Однако и методы расчетов К. Н. Мищенко были неточны, поскольку основывались на гипотезе Винклера. Эти «неточности» выявил проф. В. Н. Данилов, используя предложенный им совершенно новый и оригинальный математический аппарат — теорию функций абсолютного переменного. Но главный шаг в этом направлении был сделан в 1961 – 1962 гг. канд. техн. наук Е. М. Бромбергом, который впервые в мире с помощью прибора, предложенного инж. В. В. Богословским, исследовал и зарегистрировал результаты вертикального выпучивания рельсовых плетей реальных конструкций бесстыкового пути в эксплуатационных и лабораторных условиях на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа и в Институте пути [6]. На рис. 2 приведены траектории горизонтальных поперечных и вертикальных перемещений рельсовых плетей бесстыкового пути при нагреве их до критической температуры. Этот график заимствован из статьи Е. М. Бромберга [6], в которой он пишет, что процесс выброса весьма сложен, развивается на значительной длине пути и протекает не во всех опытах одинаково. Например, в одном опыте поднятие рельсо-шпальной решетки на высоту 12 – 15 мм наблюдалось даже на расстоянии 45 м от центра развивающегося выброса пути; в другом такое же выпучивание наблюдалось на расстоянии 43 м, в третьем поднятие рельсо-шпальной решетки на 11 – 13 мм происходило на расстоянии 35 м и т. д.

 

Рис. 2. Деформации рельсо-шпальной решетки в процессе выброса: IV – X — номера поперечных сечений пути

Начальный угол наклона траекторий поперечных перемещений точек на оси рельсов в плоскости их поперечных сечений изменялся от 0 до 45°, а вертикальные и поперечные горизонтальные перемещения на продольных осях рельсов независимы и как бы разделены; такой вид движения точек называют бифуркационным, или бифуркацией.

Ускоренная киносъемка показала, что весь процесс выброса пути продолжается от 0,1 до 0,2 с; он завершается колебаниями рельсо-шпальной решетки и разрушением балластной призмы. Следовательно, выпучивание рельсовых плетей может распространяться на весьма большие отрезки бесстыкового пути даже в самой начальной стадии развития выброса, а некоторые точки рельсовых плетей у шпал могут подниматься над своей постелью на 15 – 20 мм, т. е. терять контакт с основанием. При этом силы сопротивления поперечным перемещениям у таких шпал становятся ничтожно малыми. А ведь такая или близкая к ней ситуация возможна и на шпалах, через которые «проходит» межтележечное пространство какого-либо вагона или группы вагонов в поезде.

По результатам опытов Е. М. Бромберга можно судить и о размерах влияния обезгруживания рельсо-шпальной решетки на ее поперечные сдвиги под движущимся по бесстыковому пути поездом. Вот как он описывает процессы поперечного сдвига шпал в этих опытах [7, 8]: «Многочисленными визуальными наблюдениями и по мессурам за поведением ряда шпал на прямых и в кривых участках пути установлено, что, несмотря на вибрацию пути и действие продольной силы, боковой сдвиг шпалы начинается при накатывании колесной пары на расстоянии от нее 0,5 – 1,0 м, т. е. когда она уже в какой-то мере была нагружена и вертикальной силой... После перекатывания, если температура увеличивалась, шпала не полностью возвращается в свое исходное положение».

Заметим, что на прямом участке пути были испытаны конструкции и с деревянными, и с железобетонными шпалами, а в кривых — с железобетонными. Описанные явления наблюдались на участках пути и с железобетонными, и с деревянными шпалами. Хотя известно, что на участках с железобетонными шпалами вертикальную нагрузку от каждого колеса воспринимают только те шпалы, которые с каждой стороны этого колеса удалены менее чем на 1 м; это значит, что поперечный сдвиг шпал начинается в зоне, где уже нет вертикальных нагрузок от колес подвижного состава на шпалах или они совсем малы.

Итак, подводя некоторые итоги всему изложенному, заметим, что для возникновения выброса бесстыкового пути под движущимися вагонами поезда необходимо следующее:

• на участке должно быть хотя бы одно такое слабое по устойчивости пути место, в котором совпадали бы неровности рельсовых плетей, вызывающие вертикальное выпучивание с отрывом шпал от их постелей, и неровности горизонтальные, вызывающие температурные сдвигающие решетку силы и поперечные динамические рамные силы, также стремящиеся сдвинуть ее поперек пути. Это условие почти всегда соблюдается, когда в одном и том же месте пути накладываются друг на друга вертикальные (чередующиеся «бугры» и «впадины») и горизонтальные неровности пути, способные в этом месте вызывать силы, отрывающие шпалы от их постели и действующие синхронно с рамными силами, передающимися на путь;
• во время проходов вагонов по пути суммарные продольные силы в рельсовых плетях приближаются к критическим значениям по устойчивости бесстыкового пути, а рамные силы определены с учетом наличия в пути горизонтальных неровностей;
• при выпучивании пути и поднятии шпал над их основанием образуется такой зазор, который исключает или существенно уменьшает силы трения шпал по их основанию либо уменьшает эти силы при разрыхлении или при обогащенном смазкой балласте; если большие зазоры между шпалами и их основанием существовали до въезда вагонов на это слабо устойчивое место пути, интенсивность выброса пути может возрасти. Не исключена и такая ситуация, когда по мере увеличения числа проходящих по участку вагонов эти зазоры и горизонтальные неровности пути еще больше будут увеличиваться; при этом начнется сход и может произойти крушение поезда;
• динамический процесс выброса пути должен укладываться в рамки межтележечного пространства вагонов и в отрезки времени, необходимые для прохода по неустойчивому месту пути межтележечного пространства вагонов.

Совершенно очевидно, что продолжительность процесса выброса в этой ситуации должна быть меньше продолжительности прохода по месту выброса межтележечного пространства отдельных единиц подвижного состава. При этом необходимо учитывать и то, что в начальную длину выброса пути не могут и не должны входить неподвижные прижатые колесами к рельсам отрезки пути указанной длины (около 0,5 м).

Расстояния между вторыми и третьими осями отечественных пассажирских и грузовых вагонов и соответствующая им длина межтележечного пространства составляют, например, у крытых грузовых вагонов около 8 м, а у пассажирских 14,6 м. Если из этих длин вычесть отрезки пути по 0,5 м с передней и задней по ходу движения сторон межтележечного пространства, указанные выше длины «активного» межтележечного пространства необходимо будет уменьшить примерно на 1 м. При скорости движения поездов 50 – 70 км/ч (или соответственно 14 – 20 м/с) в этом случае для развития процессов выбросов останется не менее 0,35 – 0,73 с. Совершенно очевидно, что этого времени вполне достаточно, чтобы полностью завершился выброс пути между тележками (даже одного вагона). При этом не следует исключать и такую ситуацию, когда выброс может начаться в межтележечном пространстве даже под одним вагоном и продолжиться под другим и следующими за ним вагонами, что, как показывает опыт, чаще всего и происходит.

Вполне очевидно, что начало выбросов определяют процессы нарастания вертикального выпучивания пути, а затем и процессы бифуркации, когда воедино соединяются процессы вертикального выпучивания и горизонтального смещения рельсо-шпальной решетки.

 

Рис. 3. Схема выпучивания рельсо-шпальной решетки: l0 — длина полуволны неровности верхней поверхности балластного слоя; R0 — радиус кривизны неровности балластного слоя

Таким образом, наряду с определением значений критических температур нагрева рельсовых плетей бесстыкового пути при отсутствии на нем движущегося подвижного состава надлежит в обязательном порядке определять условия прохождения поездами совмещенных вертикальных и горизонтальных неровностей, т. е. значения температуры нагрева неровностей, вызывающих допустимые зазоры выпучивания рельсовых плетей и возникающие при этом рамные силы. Заметим, что высоту отрыва подошвы шпал от их постелей можно определять по следующей дополненной коэффициентом h формуле В. Шумежа (рис. 3):

где Df(t) — наибольшее значение изменяющегося во времени t зазора между постелью шпал и их подошвами; f₀ — начальная максимальная стрела вертикальной неровности рельсо-шпальной решетки; q — погонная нагрузка от рельсо-шпальной решетки; l₀ —длина неровности; H(t) — действующая в рельсовых плетях в данный момент времени продольная сила; h — эмпирический коэффициент увеличения значений Df₀ вследствие неровностей подошвы шпал, неравномерностей плотностей балластного слоя под этими постелями, отступлений в гранулометрическом составе и загрязненности балласта и т. п.; Н_кр — критическое значение продольной силы: где Е — модуль упругости материала рельса; J_y — момент инерции.

Сопоставление расчетных значений Df₀(t) со значениями зазоров, которые приведены Е. М. Бромбергом по результатам опытов, показало необходимость обязательного введения коэффициентаh в эти расчеты.

Затем, также на основе специально проведенных опытов, должны быть определены зависимости изменения сил трения подошвы шпал по их постелям F_тр(Df) от размеров зазоровd. Все эти данные должны быть введены в алгоритмы определения допускаемой температуры нагрева рельсовых плетей, при которой устойчивость бесстыкового пути определяется исключением сил трения нескольких шпал по балласту. Такое математическое моделирование позволит установить нормативы содержания пути, предотвращающие появление зон опасного выпучивания рельсо-шпальной решетки. Должны быть также разработаны и способы диагностики бесстыкового пути для исключения опасного выпучивания.

Остановимся на некоторых выводах и практических моментах, предотвращающих возникновение явлений, связанных с опасным выпучиванием рельсо-шпальной решетки, сделанных польским исследователем бесстыкового пути Веславом Шумежом [8]:

1. Под влиянием сжимающих сил путевая решетка может потерять контакт с основанием на коротких отрезках неровности профиля, что приведет к уменьшению на 30 – 40 % средних значений поперечных сопротивлений сдвигу шпал в балласте и тем самым будет угрожать локальной устойчивости бесстыкового пути. Связь неровностей в профиле и устойчивости пути подтверждена в работе [8];

2. Собственный вес пути имеет решающее значение при определении условий безопасности. Увеличение собственной массы бесстыкового пути повышает безопасность его применения, кроме того, можно принять бóльшие допуски в содержании пути. При этом наиболее желательно и целесообразно использовать железобетонные шпалы;

3. Тщательная укладка и уплотнение балласта в пути, создающие дополнительное сопротивление при его вертикальном перемещении, увеличивают устойчивость пути. Между тем всякая подъемка пути на балласт, изменяя его контакт с основанием, является вредным фактором, особенно при неочищенном балласте;

4. Существенно увеличивает устойчивость пути на коротких неровностях профиля жесткость путевой рамы, зависящая от конструкции, состояния и содержания скреплений на шпалах;

5. Для оценки безопасности бесстыкового пути перед выбросом можно использовать методы оценки результатов измерения неровностей профиля, зарегистрированных на лентах путеизмерительных вагонов;

6. Минимальная критическая сила сжатия в эксплуатируемом бесстыковом пути, которая может вызвать выброс, зависит не только от начальной неровности, но в равной мере и от конструкции пути, особенно от характеристик поперечного сопротивления балласта.

Заметим, что В. Шумеж, по-видимому, первым связал большое количество сходов и крушений поездов на железных дорогах США и Канады с выпучиванием бесстыкового пути из-за неровностей пути в продольном профиле и плане.

Во всех действовавших и действующих нормативных документах МПС, в том числе и на установку допусков при техническом обслуживании бесстыкового пути, значения критических температур по устойчивости пути определяли в случае отсутствия на нем подвижного состава. При этом не учитывалось влияние всех факторов динамического воздействия подвижного состава на путь: мгновенных значений сил угона, торможения подвижного состава, рамных сил, передаваемых колесными парами рельсо-шпальной решетке, особенностей устойчивости рельсо-шпальной решетки в межтележечном пространстве при различных типах подвижного состава и т. д. Вообще, устойчивость бесстыкового пути должна рассматриваться не в горизонтальной плоскости; при ее определении следует решать пространственную задачу.

Большие возможности для таких исследований открывают методы математического моделирования [1] и постановка специальных натурных динамических экспериментов на ряде эксплуатируемых участков бесстыкового пути. Это позволит получить основанные на достижениях современной науки нормы устройства и содержания бесстыкового пути, обеспечить высокую надежность и технико-экономическую эффективность бесстыкового пути.