Избор на стрелки при реконструкция на жп линии и гари

 

Проф. д-р инж. Йордан ТАСЕВ

Гл. ас. д-р инж. Димитър ДИЧЕВ, Технически университет – София

 

Коловозните развития в гарите трябва да отговарят на съвременните технически технологични изисквания. Тенденциите, сега и в перспектива, са за максимално използване на предимствата на железопътния, автомобилния и въздушния транспорт. Железопътните линии не могат да достигнат до всички населени места. Тази възможност имат автомобилите. Експресни високоскоростни влакове преодоляват големите разстояния между центровете на регионите. В близост до жп гарите се разполагат автогари. От тях заминават автобуси до всички населени места в региона. За по-рационално използване се предлагат широка гама от автобуси: с 10, 20, 30 и повече места. Те се включват в различните маршрутни линии според размера на пътникопотока. Въздушният транспорт също се комбинира с железопътния. Повечето големи градове в света имат връзки с аерогарите чрез релсов транспорт. Пътниците се превозват с високоскоростни крайградски влакове, най-често наричани „Airport express”.

 

За увеличаване на скоростите трябва да се осигури железен път, отговарящ на определени изисквания. Основни елементи на пътя в гарите са стрелките. В продължение на повече от 60 години се прилагаха предимно три типа стрелки: на приемно-отправни коловози за пътнически влакове, за товарни влакове и в маневрени райони. Сега диапазонът се разшири значително – от стрелки по линиите на градския релсов транспорт до междуколовозните съединения на магистрални високоскоростни жп линии.

 

Редица фирми производителки предлагат стрелки с различни параметри. Докато у нас и в много други страни стрелките бяха почти стандартизирани, сега асортиментът се разшири значително, особено на стрелките за високи скорости. Водещи са фабриките в Германия, Австрия и Франция. Някои страни като Испания, където високоскоростното движение не е широко разпространено и се внасят стрелки, имат свои изисквания за техните параметри. Собствени нормативи за размерите на стрелките имат също  швейцарските, белгийските и други жп администрации. През последните години получихме значителна информация, която е целесъобразно да споделим с по-широк кръг специалисти.

 

Насоки за полагане на различните видове стрелки

Според специализацията на коловозите стрелките се разделят на три категории:

 

А. За преминаване на влакове в отклонение с повишени скорости:

- на приемно отправни коловози, на които се предвижда редовно приемане на такива влакове;

- в междуколовозни съединения (S-връзки) при двойни линии, през които ще минават влакове с повишени скорости както в района на гарите, така и в междугарията.

Стрелките в тази категория трябва да отговарят на съвременните изисквания за осигуряване на високоскоростно движение.

 

Б. За преминаване с досегашните скорости в приемно-отправни коловози за обикновени пътнически и товарни влакове, съединителни, гаражни, изтеглителни коловози. В тези райони могат да се запазят наличните стрелки, освен ако се налага преустройство по технологични причини.

 

С. В маневрени райони, където скоростите са малки, а стрелковите развития трябва да са къси, което позволява бързо извършване на маневрената работа. В тези райони на сегашния етап преустройство се прави само, ако поради намаления трафик се редуцира броят на коловозите и трябва да се оформи по-компактна гърловина.

 

Новости при проектиране на геометричната схема на  стрелките

Съществена новост е въвеждането на преходни криви в стрелките. При стрелки, конструирани по класическия начин, отклонителните коловози са с кръгови криви. Те започват от началото на стрелките и завършват или преди сърцето, или в техния край. Съответно, сърцата биват дъгови или прави. С увеличаване на скоростите се повишават изискванията за удобство при пътуването. В кривите центробежното ускорение смущава пътуващите. За да се преминава плавно между прави и криви, между тях се оформят преходни криви. В междугарията с тях се преминава към надвишението на едната релса, с което се постига по-висока скорост. В гарите коловозите нямат надвишения и преходните криви помагат само за по-комфортното пътуване. Лимитиращ за определяне на допустимата скорост остава радиусът на кривата. Нормативен показател при конструиране на елементите на обикновените стрелки е страничното ускорение. При конструиране на нови типове стрелки с преходна крива се ползва още един нормативен критерий – изменение на страничното ускорение, като в повечето железопътни администрации се препоръчва то да не превишава 0,4 m/s³.

 

Новост при проектирането на стрелките е не само въвеждането на преходни криви, но и определяне на уравнението им с по-прецизни методи. Вместо използваната досега в железниците кубична парабола, се прилага клотоида. Други криви, например синусоидата, също имат променлив радиус. Каква преходна крива да се препоръча за нашите условия е предмет на по-нататъшни изследвания.

 

Определяне параметрите на стрелките

Основният параметър, който трябва да е известен при проектирането на гари, е дължината на стрелките. Тя се определя по два критерия:

–                  в края на стрелката двата коловоза, които се свързват, трябва да са отделени един от друг;

–                  в стрелката да се впише цялата дължина на кривата по отклонителния коловоз, която да има радиус, отговарящ на проектната скорост.

 

Различните модели стрелки имат някои конструктивни особености, влияещи на дължината. За да се получи по-точен резултат, бяха обработени данни от 25 вида обикновени стрелки, ползвани в Германия, Франция, Швейцария, Австрия, Белгия и Испания. За стрелки, допускащи скорост до 100 км/ч в отклонение, беше потвърдена праволинейната зависимост на дължината от скоростта.

 

По-голям интерес представлява изследването на дължините на стрелките, предназначени за преминаване на влакове с повишени скорости, защото те сега се въвеждат в експлоатация в световната практика. Проектните скорости за преминаване на влакове през отклонителния коловоз на стрелката достигат до 220 км/ч. Разполагаме с данни за 25 вида стрелки, допускащи скорост по-голяма от 100 км/ч. В този случай вече са предложени няколко модела за стрелки с преходни криви. При по-прецизни изчисления се оказа, че между дължината на стрелките и скоростта има нелинейна зависимост. Направени бяха изчисления както с праволинейна зависимост, така и с параболична, за да се прецени дали е целесъобразно да се направи апроксимация с правата или да се работи с по-сложната нелинейна зависимост. От това изследваме се оказа, че с нарастване на допустимите скорости функцията, изразяваща нелинейната зависимост, има по-висок коефициент на корелация от тази на праволинейната.

 

Изследвано беше увеличаването на дължината на стрелките, отговарящо на единица нарастване на скоростта. Този показател намалява по хиперболична функция с увеличаване на скоростта.

 

Друг основен параметър при проектирането е ъгълът на отклонение на стрелките. Поради това беше изследвана зависимостта на отклонението на стрелките от скоростта. При увеличаване на скоростите се намалява ъгълът на отклонение на стрелките. При високите скорости от 200-220 км/ч отклонението е 1:49 – 1:62.

 

С нарастването на скоростите, респективно радиусите на кривите, намалява ъгълът на отклонението. По тази причина дължината на стрелките нараства почти праволинейно във функция от скоростта.

 

След обработка на данните от посочените по-горе типове стрелки бяха установени зависимости, при които се оказа, че за стрелки, допускащи скорости до 160 км/ч без преходни криви, достатъчна точност дава праволинейната зависимост, а за стрелки, предназначени за скорости 100-220 км/ч с преходни криви, по-голяма точност има параболичната зависимост.

 

Нов показател, характеризиращ  коловозните развития

В досегашните изследвания стрелковите развития се оценяваха с два показателя: дължина на стрелковата зона в зависимост от броя на свързаните коловози и брой стрелки на един коловоз. Тези изследвания дават възможност да се определи общата дължина на стрелковото развитие. В настоящата разработка предлагаме резултати от нови изследвания, позволяващи да се определи броят на коловозите, отделени от главния, за всяко разстояние от началото на първата стрелка.

 

Зависимостите са установени по данни от добре работещи гари. Коловозите им са разположени по паралелна схема. Мотивът ни да насочим вниманието си към тях е, че големите разпределителни гари у нас са малко. Освен това значението им намалява поради намаления брой на преработваните вагони и нарастване на броя на т. н. блок-влакове, преминаващи през възловите гари без преработка. Както е известно, сравнително новата разпределителна гара в Русе не се ползва и композирането на влаковете се прави в старата разпределителна гара, чиито коловози са разположени по паралелна схема. В Синдел пък се предпочита маневрената работа да се извършва в старата, паралелно разположена, коловозна група. Предлага се дори да се изостави гара Подуяне-разпределителна поради намаления вагонопоток и многобройните кражби в района, като маневрената дейност в Софийския възел се пренасочи към гара Илиянци, чийто коловози са разположени също по паралелна схема.

 

Освен определяне на общата дължина на стрелковото развитие, предлагаме един нов показател, който ще наричаме коефициент на коловозните развития κ. Той представлява отношението на броя на коловозите, отделящи се от главния на съответната дължина на стрелковото развитие.

 

За по-добро изясняване на проблема най-напред правим изследване само на маневрена група, която има най-късо стрелково развитие. Разглеждаме пример с 16 коловоза. Сеченията са през 30 м, а броят на коловозите нараства в прогресия: 1, 2, 4, 8 и 16. При тази постановка се получава зависимост за κ, показана на фиг.1 със син цвят.

 

По-интересно е разгръщането на коловозите в общата гърловина. Събрани са данни от 20 гърловини на наши възлови гари. Във всяка от тях са разгледани по 25 сечения или общо са обработени 500 цифрови данни за броя на коловозите.

 

По тези данни с помощта на стандартна компютърна програма беше установена нелинейна зависимост за κ при възлови гари, показани също на фиг. 1 с червен цвят.

 

Определяне дължината на стрелковите развития

Бяха установени също зависимости на дължината на стрелковото развитие от броя на коловозите. Графично получените резултати са онагледени на фиг. 2. Според новите изследвания за приемно-отправните коловозни групи – с червен цвят, за маневрени райони – със син цвят, а по- старите изследвания – със зелен цвят. По-малките стойности на установената преди зависимост се обясняват с това, че тя е изведена въз основа на данни за единични линии. Освен това са включени данни за по-широк диапазон гари, като се започва с тези от два коловоза. Новите изследвания са направени по данни само за възлови гари на двойни линии, поради това че проблемите с преустройството им са най-актуални.

 

Конструктивни особености и начини на монтаж при новите модели стрелки

Основните конструктивни особености при новите модели стрелки са в езиковата уредба и в областта на сърцата, които за високи скорости имат подвижни елементи. Фирмите производители предлагат редица нововъведения. Известно е, че при стрелките за високи скорости езиците са дълги и се преместват с помощта на няколко електродвигателя (фиг. 3), а също и подвижните сърца (фиг. 4). Предлага се хидравлична уредба за преместване на езиците (фиг. 5). За улеснение се поставят ролка на подезичните плочи (фиг. 6). Подвижните сърца са сложни и скъпи. Поради това фирмите производителки се стремят да конструират стрелки за скорости 160 км/ч, дори до 200 км/ч по правия коловоз с блокови сърца, при специална обработка на стоманата.

 

Проблем представлява транспортирането на предварително монтираните на части стрелки. Технологията, прилагана години наред за полагане на стрелките, отдавна е остаряла. Те се сглобяваха встрани, до коловоза и след това, с помощта на щанги, работниците ги преместваха, или според железничарската терминология ги „нарукваха” в пътя. Сега се сглобяват в цех или на полигон и с вагони се докарват на обекта. На фиг. 7 е показан превоз на стрелки със стоманобетонови траверси върху платформени вагони. Частите на стрелката се разполагат наклонени върху вагоните, за да могат да се впишат в габарита. Подновяването на стрелките става механизирано (фиг. 8).

 

Изводи и препоръки

Програмата за реконструкция на главните ни железопътни линии сочи необходимостта от въвеждане на нови типове стрелки, осигуряващи възможност за движение на влаковете с повишени скорости. Въпреки че голяма част от реконструктивните мероприятия ще се осъществяват в по-далечно бъдеще, целесъобразно е своевременно да се разработи стратегия за номенклатурата на стрелките, които ще бъдат произвеждани и доставяни. При изготвяне на тази програма да се вземат предвид както качествените и икономическите критерии за производство, доставка, монтаж и транспортиране, така и възможностите за осигуряване на резервни части в бъдеще. При проектиране на реконструктивните мероприятия да се преценяват реалните възможности и да не се допускат крайности в усложняване на проектните решения. Приемането на много скъпи проектни решения е сред причините да не се завърши удвояването на жп линията Карнобат - Синдел и да се забави старта на реконструкцията на Пловдив - Свиленград. Икономични решения могат да се постигнат, като се проектира реконструкция само на коловозите и стрелките, през които ще минават влакове с повишени скорости. Демонтираните при реконструкцията стрелки тип 49 кг/м да се използват като втора употреба във второстепенни коловози.