Улучшение взаимодействия
подвижного состава и пути

Первостепенными задачами железных дорог являются наращивание объема перевозок и получение адекватной прибыли. Проблема состоит в том, что развитие бизнеса невозможно без улучшения обслуживания клиентуры, а это требует капитальных вложений, которые, в свою очередь, необходимо быстро окупать. Для этого необходимо увеличить провозную способность магистральных линий, на которых концентрируется бóльшая часть грузопотоков.

Одним из способов достижения этих целей является повышение осевых нагрузок, что связано с ужесточением требований к состоянию пути и искусственных сооружений, совершенствованием их текущего содержания и, соответственно, с увеличением затрат. Железные дороги Северной Америки первого класса ежегодно расходуют до 7,6 млрд. дол. США на развитие и поддержание в должном состоянии инфраструктуры и еще 8,5 млрд. на закупку и техническое обслуживание подвижного состава. В 1999 г. средний по железным дорогам коэффициент окупаемости инвестиций составил 6,93 % при установленной норме прибыли в 10,8 %.

С точки зрения выживаемости железных дорог как отрасли экономики это означает, что, несмотря на принимаемые меры по повышению производительности и снижению издержек с целью улучшения финансового положения, в настоящее время большинство железнодорожных компаний не в состоянии обеспечить своевременную окупаемость капитальных вложений.

Для изменения ситуации в отрасли в лучшую сторону путем повышения осевых нагрузок и тем самым увеличения грузооборота на основных магистральных линиях железные дороги могут выбрать два решения: применить технологии, позволяющие ослабить напряженное состояние в зоне контакта колесо — рельс и повысить сопротивляемость инфраструктуры увеличивающимся нагрузкам с одновременным управлением ее характеристиками по несущей способности. Исторически в США обеспечивали возможность эксплуатации подвижного состава с более высокими осевыми нагрузками путем повышения прочности путевой структуры, что требует больших капитальных вложений и не всегда эффективно в разных условиях эксплуатации.

В настоящее время приоритетным представляется путь ослабления напряженного состояния во взаимодействии колеса и рельса. Деятельность в этом направлении координирует комитет по управлению и обеспечению безопасности эксплуатационного процесса Ассоциации американских железных дорог (AAR). Одним из результатов стала программа стратегических исследований AAR по снижению сил и напряжений, возникающих в инфраструктуре и подвижном составе при повышении осевых нагрузок.

Рассматриваются четыре основных аспекта достижения поставленной цели:

• снижение уровня поперечных сил;
• снижение статических и динамических (в том числе ударных) вертикальных нагрузок;
• снижение контактных напряжений в колесах и рельсах;
• улучшение динамических характеристик подвижного состава.

Использование имеющихся в распоряжении железных дорог технических новшеств или их сочетаний в любом из этих аспектов в разной степени изменяет энергетическую картину контакта и, соответственно, износ контактирующих тел. В таблице показано, как использование того или иного новшества положительно сказывается в одном или нескольких аспектах рассматриваемой проблемы, что объясняет больший или меньший интерес, проявляемый к этим новшествам.

 

Значимость разных технических решений для улучшения взаимодействия подвижного состава и пути
Техническое решение	Аспект проблемы
	снижение поперечных нагрузок	снижение вертикальных нагрузок	снижение контактных напряжений	улучшение динамики подвижного состава
Совершенствование рессорного подвешивания	+		+
Смазывание рельсов и колес	+		+	+
Смазывание шкворневого узла	+		+
Оптимизация профиля рельсов	+		+	+
Оптимизация профиля колес	+	+	+	+
Мониторинг взаимодействия подвижного состава и пути	+	+	+	+
Улучшение геометрии пути		+
Улучшение состояния тележек	+		+

Ниже рассмотрено влияние некоторых технических решений на взаимодействие подвижного состава и пути.

Совершенствование рессорного подвешивания

Тележки грузовых вагонов со стандартным рессорным подвешиванием не оснащены направляющими устройствами, вследствие чего при движении в кривых могут возникать большие поперечные силы, приводящие к быстрому износу рельсов, колес и иных конструктивных элементов тележек. Усовершенствование компонентов рессорного подвешивания, работающих в вертикальном и поперечном направлениях, и их связей между собой улучшает динамические характеристики подвижного состава и снижает поперечные силы, что способствует лучшему вписыванию в кривые.

Согласно сведениям, полученным в ходе реализации стратегической исследовательской программы AAR, испытания на полигоне ускоренных эксплуатационных испытаний (FAST) Центра транспортных технологий (TTC) в Пуэбло, штат Колорадо, а также в условиях регулярного движения на действующих линиях подтвердили достоинства вагонов с усовершенствованными тележками в перевозках массовых грузов и смешанных.

Компания TTX, владеющая собственным вагонным парком, также отмечала эксплуатационные преимущества (с точки зрения ходовых характеристик) тележек с усовершенствованным подвешиванием, используемых в вагонах для перевозки автомобилей.

Лубрикация рельсов

Достоинства лубрикации рельсов были продемонстрированы на полигоне FAST в Пуэбло и в эксплуатационных условиях. Вместе с тем смазывание поверхности катания головки рельсов снижает уровень поперечных нагрузок, но не износ рабочей грани головки. И наоборот, смазывание рабочей грани уменьшает ее износ, но не влияет на величину поперечных нагрузок.

Для всестороннего использования преимуществ лубрикации железные дороги должны дополнить напольные лубрикаторы, наносящие смазочный материал на рабочую грань головки рельсов, бортовыми и напольными устройствами регулирования трения на поверхности катания. На основе практического опыта и результатов исследований TTC разработал рекомендации по оптимизации смазывания рельсов и колес. Отмечено, что для контроля и управления эффективностью лубрикации необходимо использовать высокоскоростные трибометры.

В настоящее время продолжаются исследования и эксперименты по решению оставшихся проблем, касающихся методологии лубрикации, надежности применяемых систем и распределения смазки, финансируемые AAR и Федеральной железнодорожной администрацией (FRA).

Смазывание шкворневого узла

Когда подвижной состав входит в переходную кривую, тележка должна поворачиваться относительно кузова вагона, чтобы следовать очертаниям кривой. Этот поворот обеспечивается системой сил, возникающих в зоне контакта колес и рельсов. Сопротивление сухого трения между шкворнем рамы кузова и подпятником шкворневой балки тележки увеличивает момент поворота тележки, для преодоления которого, в свою очередь, необходимо наличие более высоких поперечных и продольных сил во взаимодействии колеса и рельса.

Трехэлементные тележки без первой (надбуксовой) ступени рессорного подвешивания и с низким сопротивлением межосевому сдвигу при движении в кривых могут перекашиваться с возникновением повышенных поперечных сил как у передней, так и у задней по направлению движения колесной пары. Суммарные силы распора колеи могут привести к повышению напряжений в рельсовых скреплениях. Смазывание шкворневого узла снижает сопротивление повороту тележки и улучшает вписывание в кривые при одновременном уменьшении распирающих сил.

Эксплуатационные преимущества смазывания шкворневого узла широко используются на железных дорогах, и для повышения его эффективности TTC в настоящее время испытывает более долговечные смазочные материалы, а также изыскивает оптимальную периодичность смазывания.

Оптимизация профиля рельсов

Образование оптимального профиля рельсов и его сохранение способствуют снижению поперечных сил и напряжений во взаимодействии колеса и рельса и ослабляют динамическое воздействие подвижного состава на путь. Вместе с тем выполненные TTC расчеты на математической модели и натурные эксперименты показали, что шлифование рабочей выкружки головки наружного рельса кривых создает условия для возникновения жесткого двухточечного контакта колесо — рельс, снижает способность вагонных тележек к самоустановке и ведет к перекашиванию тележки.

Однако недавнее обследование показало, что некоторые железные дороги продолжают шлифовать рабочую выкружку наружного рельса. По этой причине TTC на основе изучения опыта и результатов исследований выработал рекомендации железным дорогам по оптимизации и сохранению профиля рельсов. В рекомендациях отражены следующие аспекты:

• профилактическое местное и специальное шлифование рельсов;
• шлифование внутренних рельсов кривых, изготовленных из улучшенной стали методом непрерывного литья, для образования и поддержания радиуса поверхности катания головки рельсов в пределах 178 – 254 мм и сглаживания наружной выкружки головки во избежание повреждения колесами с большим износом по прокату;
• шлифование наружных рельсов кривых для сглаживания рабочей выкружки головки в целях обеспечения ее естественного износа;
• легкое шлифование внутренней выкружки стандартных рельсов и исключение какого-либо другого шлифования, которое приводит к жесткому двухточечному контакту между колесами и рельсами в кривых;
• шлифование после пропуска 25 млн. т брутто поездной нагрузки (как минимум) в случае отсутствия каких-либо иных факторов.

TTC проводил дополнительные исследования по автоматизации расчетов контактных напряжений в рельсе и определению их пороговых значений, ниже которых интенсивность нарастания усталости и износа резко снижается. Первые результаты показывают, что с помощью разработанного программного обеспечения можно определить очертания профиля рельса, которые чреваты повышением риска возникновения повреждений контактно-усталостного происхождения.

Оптимизация профиля колес

Колеса, имеющие значительный износ по прокату, препятствуют ориентированию тележек в колее, вызывают распор колеи, повреждения внутреннего рельса кривых и элементов стрелочных переводов. Такие колеса, а также колеса с утоненным гребнем в кривых с изношенными рельсами могут вызвать высокие контактные напряжения вследствие несогласованности профилей колеса и рельса.

Колеса с дефектами на поверхности катания являются причиной возникновения ударных нагрузок, также вызывающих повреждения компонентов пути и подвижного состава. Математическое моделирование и натурные испытания выявили и позволили количественно оценить отрицательное влияние колес с прокатом на установку тележек в кривых. Поэтому было предложено ужесточить требования по изъятию из эксплуатации сильно изношенных и дефектных колес. Однако соглашения о таком ужесточении достичь не удалось, потому что для данного случая не узаконен порядок распределения доходов и расходов между компаниями — владельцами вагонов и операторами.

Следующей задачей стал пересмотр руководящих документов по содержанию колеи в связи с обращением подвижного состава с изношенными и поврежденными колесами и по оптимизации схемы изъятия таких колес из эксплуатации. AAR и TTC вели исследования с целью определения выгод экономических и с точки зрения безопасности движения, получаемых от своевременного изъятия дефектных колес, и достижения консенсуса по данному вопросу между причастными сторонами в железнодорожной отрасли.

Проблемой также является ударное воздействие колес на путь. Оно сокращает срок службы шпал (особенно железобетонных) и самих колес, увеличивает затраты на текущее содержание и замену рельсовых скреплений, вызывает изломы рельсов в холодное время, расстраивает элементы ходовой части подвижного состава, в частности рычажных тормозных передач, и повышает сопротивление движению поездов. Исследования AAR и TTC, проведенные в 1989 – 1993 гг., показали, что при использовании датчиков ударных нагрузок можно измерять обусловленные неровностями поверхности катания ударные воздействия колес на рельсы и на основе результатов этих измерений вырабатывать критерии изъятия дефектных колес из эксплуатации.

С опорой на результаты многочисленных испытаний, касающихся взаимодействия пути и подвижного состава, и на статистическую информацию, полученную при использовании датчиков динамических нагрузок в условиях реальной эксплуатации, был выполнен скрупулезный экономический анализ с целью выявления потенциальных преимуществ и недостатков изъятия колес с высоким ударным воздействием на рельсы. Результаты анализа подтвердили, что экономически оптимальная пороговая динамическая нагрузка для изъятия таких колес составляет 38,25 т при статической нагрузке от колеса, равной 15 т.

В январе 1993 г. механический комитет AAR рекомендовал изымать из эксплуатации колеса, оказывающие на рельсы динамическую нагрузку, превышающую 45 т. В 2001 г. этот же комитет понизил пороговое значение динамической нагрузки до 40,5 т и рекомендовал изымать все колеса с более высокими динамическими нагрузками, обусловленными любыми дефектами на поверхности катания.

Развертывание сетевых систем

Системы мониторинга состояния подвижного состава и пути, такие, например, как с применением датчиков состояния тележек, выявляют вагоны, оказывающие на путь высокие поперечные нагрузки. Положительный эффект применения этих датчиков документально подтвержден. В TTC с участием представителей многих железных дорог разработаны критерии оценки ходовых характеристик вагонных тележек. В настоящее время продолжаются работы по уточнению этих критериев с установкой датчиков на большое число находящихся в регулярной эксплуатации вагонов и последующим сбором и анализом информации об износе компонентов тележек.

Как отмечалось, датчики динамического воздействия колес на путь выявляют вагоны, которые необходимо срочно осмотреть и при необходимости вывести из эксплуатации. Такие датчики, которые в настоящее время стали коммерчески доступными, широко используются на грузовых железных дорогах Северной Америки в соответствии с действующим с 1994 г. руководящим документом AAR 41as о критериях изъятия колес на основе показаний детекторов. Железные дороги получают существенную экономию за счет увеличения срока службы колес и рельсов.

Системы мониторинга состояния профиля колес обеспечивают автоматизированное выявление колес с износом по прокату и утоненным гребнем. Своевременное изъятие из эксплуатации колес с большим прокатом позволяет снизить контактные напряжения во внутреннем рельсе кривых и в элементах стрелочных переводов. Предварительные результаты испытаний трех коммерчески доступных систем мониторинга профиля колес показали, что многокамерная лазерная система мониторинга имеет благоприятные перспективы внедрения благодаря высокой точности измерений толщины и высоты гребня, толщины обода колес и глубины проката.

Железные дороги постоянно ищут возможности использования передовых технологий для повышения безопасности движения поездов. Они вкладывают средства в приобретение датчиков и измерительных систем разных конструкций, позволяющих решить некоторые частные проблемы, но пока что ощущается недостаток в таких технических средствах, которые могли бы решить проблему в комплексе с получением от этого всех потенциальных выгод.

Начиная с 2002 г. в соответствии с пилотной программой, предусмотренной в утвержденном конгрессом США бюджете FRA, в Северной Америке будет развернута широкая сеть датчиков с целью сбора и отслеживания данных об эксплуатационных характеристиках хотя бы части эксплуатируемого подвижного состава. Данные будут использованы для подтверждения достоинств интегрированных систем мониторинга.

Предусмотрено также использовать разработанную TTC интегрированную систему дистанционного сбора информации InteRRIS, основанную на использовании Интернета, для накопления, обобщения и анализа данных, получаемых с развернутой сети напольных датчиков.

Инспектирование по поведению

Высокие вертикальные и поперечные силы могут возникать в результате реакции подвижного состава на множественные искажения геометрии пути в плане и профиле. Эта реакция на такие неровности пути, как отклонения от прямолинейности и перекосы рельсовых нитей, достаточно хорошо исследована. Ведутся дальнейшие разработки технологии проверки геометрии пути на основе изучения изменений динамического поведения подвижного состава при движении по пути с разными по виду и размерам нарушениями геометрии.

Специалисты TTC разрабатывают методы инспектирования пути исходя из поведения подвижного состава на основе технологии нейронного сетевого моделирования для прогнозирования чрезмерных реакций подвижного состава, чувствительного к отклонениям в геометрии пути. Используя бортовую компьютеризированную экспертную систему на вагоне-путеизмерителе, железные дороги получат возможность оперативно узнавать, как ведет себя подвижной состав на данном участке пути. Обладая такой возможностью, можно концентрировать усилия на выработке оптимальной системы текущего содержания и ремонта пути для обеспечения безопасности движения поездов во всех местах, где с наибольшей вероятностью могут возникнуть реальные угрозы безопасности, а не только в тех, где имеют место нарушения геометрии пути, выходящие за допустимые пределы.

Предварительная модель, пригодная для определения реакции вагонов на неровности пути, разработана и осенью 2001 г. представлена на рассмотрение причастным комитетам AAR. Эта система подлежит дальнейшему усовершенствованию по результатам испытаний на кольцевом пути TTC для исследования тяжеловесного движения. Планировали к концу 2002 г. подготовить ее оборудование для эксплуатационных испытаний на вагонах-путеизмерителях железных дорог.

Улучшение состояния тележек

Избыточный износ колес и компонентов рессорного подвешивания тележек вагонов может снизить их способность к самоустановке в рельсовой колее, привести к перекашиванию и повышению сил распора колеи в кривых, а также к повышенному вилянию в прямых. Была доказана возможность использования напольных датчиков, отслеживающих ходовые характеристики подвижного состава, для выявления тележек с неудовлетворительными характеристиками, вызывающих большие поперечные силы. В настоящее время TTC и другие организации готовят правила замены тележек с неудовлетворительными ходовыми характеристиками на основе информации от таких датчиков.

Уже разработаны предварительные критерии оценки для своевременного направления тележек в депо для осмотра и ремонта. TTC совместно с железными дорогами продолжает работу по уточнению этих критериев на основе информации о поперечных силах и износе тележек и по установлению связи состояния тележек с характеристиками их вписывания в кривые.

Еще одним направлением является установка на грузовых вагонах боковых опор с постоянным контактом для смягчения проблемы виляния — одного из основных факторов износа конструктивных элементов тележек. В настоящее время комитет технического обслуживания AAR вырабатывает требования по совершенствованию конструкции, содержания и установки таких боковых опор на вагонах.

Выгоды от снижения виляния в принципе доказаны для всех тележек. Однако плохо содержащиеся или неправильно установленные боковые опоры с постоянным контактом оказывают негативное влияние на вписываемость тележек в кривые.

С учетом этой проблемы TTC составил план исследований для определения того, на вагонах каких типов наиболее целесообразно использовать боковые опоры с постоянным контактом. В 2002 г. планировали провести испытания большой партии вагонов для определения влияния таких опор на динамические характеристики подвижного состава.

S. Kalay, J. Samuels. Railway Track & Structures, 2002, № 3, р. 13 – 16.