Балансовата призма като елемент на железния път

Гл. ас. д-р инж. Милчо ЛЕПОЕВ

УАСГ - София

 

Баластовото легло е сред основните елементи на горното строене на железния път. От него в голяма степен зависи размерът на натрупване на деформации и устойчивостта на пътя в хоризонталната и вертикалната равнина.

 

Задачите, които трябва да изпълнява баластът, са следните:

-    да предава най-равномерно натоварването от траверсите на възможно най-голяма площ от земното платно;

-    да служи като еластична възглавница на релсо-траверсовата скара, т.е. еластично да преработва ударите от колелата на подвижния състав, осигурявайки равноеластичност по дължината на пътя;

-    да осигурява най-малка неравномерност на остатъчните слягания;

-    да оказва максимално съпротивление срещу хоризонталното и вертикалното преместване на траверсите;

-    да позволява лесно и точно поправяне на железния път;

-    да притежава дрениращи свойства, за да не задържа водите;

-    да има ниска електропроводимост, което да осигурява нормална работа на устройствата по автоматика;

-    да възпрепятства развитието на треви и растения, чиято коренова система влошава качествата на баластовата призма.

 

За да може да отговори на тези изисквания, баластът трябва да се изготвя от здрави скали, които не се износват от механичните удари и не се изветрят от атмосферните влияния.

 

От баластовата призма зависи трайността на всички елементи на горното строене на железния път. Ако за изграждането й се използва каменен материал с недостатъчна носеща способност, след непродължителна експлоатация се появяват неравномерни резки и шахматни пропадания и играещи траверси, което пък води до вълнообразно и общо износване на релсите, до преждевременна поява на дефекти и дори на счупвания. При лошо състояние на баластовата призма интензивно излизат от строя гумените и пластмасовите елементи на скрепленията, чупят се стоманените подложки, появяват се дефекти и разрушавания на траверсите.

 

Повишаването на носещата способност на баластовата призма е резерв за намаляване на експлоатационните разходи в НК ЖИ и следователно – едно от най-важните изисквания към нея.

 

Още от началото на съществуването на железопътния транспорт баластовата призма е изпълнявала функцията на среда, чрез въздействието върху която се отстраняват неизправностите на железния път в хоризонталната и вертикалната равнина. Неизправностите възникват вследствие на толерансите в размерите на релсите и траверсите поради износването им, както и поради поява на пластични деформации във всички елементи от горното строене на пътя. Така че по-голямата част от работите по поддържането и ремонта на железния път, които се извършват с цел той да се намира винаги в изправно техническо състояние, са по същество работи, извършвани в или чрез баластовата призма.

 

Състояние на проблема

 

Баластовата призма се изготвя от насипни материали, които под въздействието на вибрационното натоварване от влаковете дават както еластични, така и остатъчни слягания. Големината на остатъчните деформации на баластовата призма, тяхната неравномерност и интензивност на натрупване са следствие на голям брой фактори. Към тях спадат:

-    постоянното уплътняване на баласта за сметка на непрекъснатото запълване на въздушните пространства между частиците, под въздействие на вибрационното натоварване от влаковете;

-    оглаждането на острите ръбове на баластовите зърна в местата на техните контакти;

-    различното съчетаване на натоварванията, предавани на баластовата призма от подвижния състав напречно и надлъжно на пътя;

-    различното опиране на съседните траверси върху баласта и на всяка траверса в различните й сечения.

 

Характерът на уплътняването зависи съществено от началните празнини на баласта, от зърнометричния състав, от формата на баластовите зърна, от якостта и другите физико-механични свойства на изходните скали. При това, дори и след пределно уплътняване на баластовата призма, сляганията на релсо-траверсовата скара могат да продължат, вследствие на изтласкването на баласта в междутраверсието и пред челата на траверсите.

 

Първият период от работата на баластовата призма се характеризира с най-интензивно натрупване на остатъчни слягания. През този период основната част от сляганията произлиза от намаляване на обема на празнините, вследствие уплътняване на баласта и заглаждане на острите ръбове на зърната. Съкращаването на срока и големината на сляганията в  този период на относителна стабилизация е възможно чрез пределно най-голямо уплътняване на баластовата призма при полагането й. В този случай са необходими уплътнителни машини с голяма мощност, които биха въздействали на баласта с по-голяма интензивност, отколкото бъдещите влакови натоварвания.

 

Установено е, че граничната плътност, или минималното количество на празнините на баласта, е около 0,33 - 0,34, като при нормално уплътнения баласт в пътя тя е 0,35 - 0,43, а при насипно състояние (началните празнини) е 0,45 - 0,50. Следователно, стремежът трябва да бъде уплътняването на баласта да достигне празнини в размер 0,33 - 0,34.

 

Интензивността на натрупване на остатъчните слягания вследствие изглаждането на зърната зависи от якостта на скалната порода, от която е приготвен баластът, а също от големината на силите, развиващи се в местата на контакти между зърната. Големината на контактната якост на някои скални породи е дадена в таблица 1.

 

Таблица 1

Скална порода	Контактна якост – dN/mm2
Базалт	304 - 417
Габро	230 - 282
Гнайс	300
Гранит	112 - 400
Диабаз	93 - 287
Диорит	101 - 308
Доломит	62 - 243
Варовик	29 - 357
Кварц	107 - 452
Кварцит	167 - 622
Сианит	262 - 318

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фактическите усилия, които се появяват в мястото на контактите на баластовите зърна, зависят от напреженията под долната повърхност на траверсите, от разпределението на тези напрежения в баластовата призма и едрината на баластовите зърна.

 

В горните пластове на баластовата призма средните контактни напрежения се колебаят от 126 dN/mm²  при баласт 25/50 до 168 dN/mm²  при 25/70, а в долните съответно от 59 до 80 dN/mm² . Сравнението на тези напрежения с контактната якост на различните скални породи показва, че в много случаи, веднага след полагането на новата баластова призма под влаковете, започва отчупване на острите ръбове и закръгляне на контактните повърхности. Този процес се съпровожда с увеличаване на площта на допирането и намаляване на контактните напрежения, а следователно и с постепенно намаляване на интензивността на сляганията.

 

Поради голямото колебание в резултат на неравномерното подпиране на траверсите в баласта (особено при едър баласт и нееднородна подбивка), контактните напрежения нарастват четири до седем пъти и повече. Това ускорява процеса на закръгляване на острите ръбове на зърната и води до неравномерност на сляганията.

 

Колкото по-голяма е якостта на скалната порода, толкова по-голяма е нейната абразивност. В резултат на това, под въздействието на вибрациите от движението на влаковете, допиращите се ръбове на зърната от слаби скални породи се закръглят и изтриват, което води до допълнителни слягания и намаляване на носещата способност на баластовата призма. Особено силно изтриване и заобляне на зърната от слаби породи настъпва, когато те се намират до зърна от здрави породи. Затова не трябва да се допуска смесване на баласт от скални породи с различни якости.

 

Колкото е по-здрав баластът, толкова сляганията са по-малки. Ето защо е необходимо баластът да се изготвя от породи с възможно най-голяма якост, а напреженията в баластовата призма да се разпределят равномерно, без да се концентрират в отделни места, както се случва при нееднородно подбиване и неравномерно подпиране на траверсите върху баласта.

 

Вторият период в работата на баласта настъпва, когато относителната стабилизация на баластовата призма практически е завършила, но все още продължават остатъчните деформации, макар интензивността на натрупването им да е значително по-малка. Този период се счита за период на нормална експлоатация. Деформациите стават главно за сметка на изтласкването на баласта в междутраверсията и зад челата на траверсите. Причината е, че при преминаване на колелата от подвижния състав по релсите, траверсите се завъртат около надлъжната ос на долната им повърхност и около страничните ръбове на траверсите напреженията в баласта стават по-големи отколкото по същата ос, превишавайки няколко пъти напреженията в междутраверсието. Напрежението спада скокообразно и зърната на баласта от по-напрегнатата зона на траверсата се преместват в междутраверсието. По този начин, след многократни натоварвания, се завършва натрупването на остатъчни деформации за сметка на наместване на зърната. При всеки вид баласт, началото на неговото изтласкване в междугарието става при различно напрежение под долния край на траверсата. Ако зърната са дребни и с гладка повърхност, като например зърната на пясъка, коефициентът на вътрешното триене tg‍φ и силите на сцепление на зърната помежду им С са незначителни. Такъв материал няма достатъчна устойчивост, неговите зърна се преместват дори при малки вибрационни натоварвания, т.е. допустимите напрежения са незначителни. С увеличаване на големината на зърната се увеличава ъгълът на вътрешното триене φ и силите на сцепление С, следователно се повишава носещата способност на баластовата призма. Така, при каменните фракции 5-25 и 25-40 mm носещата способност е по-голяма от тази на пясъка и чакъла, но е все още недостатъчна в сравнение с носещата способност на „тежкия” баласт (с най-голяма едрина на зърната).

 

Неравномерното огъване на траверсите под въздействието на изменящите се по големина влакови натоварвания напречно и надлъжно на пътя при лъкатушения, галопирания и други колебания на подвижния състав води до неравномерна плътност на баласта по дължина на траверсите, а също така и под съседните траверси, в резултат на което се получават по-интензивни остатъчни слягания на едни краища на траверсите и забавяне на сляганията на други краища. Под въздействието на влаковите натоварвания по-малко слегналите се краища на траверсите, които се намират до силно слегналите се, започват на свой ред интензивно да слягат вследствие на концентрацията на напрежението под долните краища на тези траверси. Неизправността на пътя нараства и възниква необходимост от ремонт. При подбиването на траверсите се намалява плътността на баласта. След това, под въздействието на влаковите натоварвания, баластът отново се уплътнява за сметка на намаляване на празнините между зърната, което води до нарастване на интензивността на сляганията на релсо-траверсовата скара в сравнение с тази преди ремонта. Освен това, след подбиването на пътя, зърната на баласта започват да се допират в нови точки, което възобновява възможността от допълнителни слягания в баластовата призма за сметка на изглаждането на острите ръбове и закръглянето на зърната в новите места на допиране. Провежданите в периода на нормална експлоатация частични ремонти на пътя не позволяват да затихнат общите деформации, а поддържат почти постоянна интензивността на техните натрупвания. Частичният ремонт на пътя постепенно създава все по-голяма неравноеластичност на баластовата призма надлъжно и напречно на пътя, което води до увеличаване на броя на местата, нуждаещи се от ремонт. Попадналите в баласта замърсители, особено ако са овлажнени, играят ролята на смазка и значително снижават коефициента на вътрешно триене и сцепление между зърната.

 

След преминаването на определен тонаж, когато баластовата призма е достатъчно замърсена, а ремонтите с частични пресявания са увеличили неравномерността на носещата й способност, настъпва Третият период, характеризиращ се с рязко нарастваща интензивност на натрупване на неравномерни остатъчни слягания. Повишените слягания възникват главно вследствие на значителното изтласкване на замърсения баласт изпод траверсите. Траверсите започват да „играят”, а баластовата призма става кална. При нормална експлоатация третият период не бива да е продължителен, поради което следва незабавно да се направи ремонт на пътя с пълно пресяване на баластовата призма (по план).

 

След изпълнение на планово-предпазния ремонт на пътя процентът на натрупване на остатъчни деформации се редуцира отново. Ако ремонтът не бъде извършен своевременно, настъпва Четвъртият период, при който съществено се нарушава стабилността на баластовата призма и пътят се оказва в аварийно състояние (което в никакъв случай не бива да се допуска).

 

При движението на влаковете върху релсо-траверсовата скара действат не само вертикални, но и хоризонтални сили, стремящи се да я преместят встрани. Пътят може да се деформира и от действието на температурни сили. За поемане на тези сили той трябва да притежава достатъчна хоризонтална устойчивост в напречна посока, която, както и вертикалната устойчивост, зависи от φ и С.

 

Грапавата повърхност на зърната на баласта, тяхната форма и големина оказват голямо влияние при формиране на коефициента на вътрешно триене и силите на сцепление на зърната помежду им. При баласта от скални породи, чиито зърна имат грапава повърхност, устойчивостта на пътя е по-голяма, отколкото при баласт от валуни и речна баластра, чиито зърна имат гладка повърхност. Ако всички зърна имаха кубична или сферична форма, носещата способност на баластовата призма би била недостатъчна и тя може да се сплеска под тежестта на натоварванията. В действителност обаче, част от зърната имат издължена форма. Тези зърна, подобно на гвоздеи, „пробождат” баластовата призма във всички посоки, правейки я по-устойчива. Но плосковидните и игловидните зърна, чиято дължина е три пъти по-голяма от дебелината им, се чупят при натоварванията и така повишават неравномерността на остатъчните слягания.

 

От казаното дотук може да се направят следните изводи:

-   Якостта на баласта влияе не само върху интензивността на износването му, но и върху устойчивостта на пътя;

-   Колкото по-малка е якостта на баласта, толкова по-бързо се закръглят острите ръбове на зърната, а това води до намаляване на носещата му способност и скъсява периода на стабилност в работата на баластовата призма (втори период);

-   По този начин, при баласт с малка якост, пътят се разстройва по-бързо и се изискват по-чести ремонтни работи. Следователно, разходите за производство на баласт с ниска якост се оказват неоправдани.