Земляное полотно на всем протяжении сети 86 тыс. км в основном удовлетворяет требованиям перевозочного процесса, однако с различными дефектами и деформациями эксплуатируется 7,7 тыс. км (8,9%). В связи с этим работа с характеристиками земляного полотна является актуальной.
Функции земляного полотна в конструкции железнодорожного пути
Основная площадка земляного полотна является одним из важных элементов железнодорожного пути. На неё приходятся наибольшие величины воздействия подвижного состава и сезонные изменения состояния грунтов, которые подвержены периодическому промерзанию и оттаиванию. В процессе эксплуатации, под поездной нагрузкой, стабильность геометрии рельсовой колеи в значительной степени зависит от состояния подбалластной зоны земляного полотна.
В настоящее время научно-исследовательскими институтами и организациями реализуется несколько программ, предусматривающих повышение ресурса рельсов и скреплений, балластных материалов, однако, невозможно обеспечить долговечность пути в условиях эксплуатации только за счёт улучшения его характеристик. Надежную работу железнодорожного пути при максимально возможном сроке эксплуатации в межремонтный период может обеспечить только комплексная разработка и внедрение высокоэффективных технологий, техники и новых материалов, в том числе создание подбалластных защитных слоев (далее – ПЗС), имеющих повышенные прочностные и деформационные свойства. Обеспечение стабильности основной площадки земляного полотна особенно важно для линий, на которых предусматривается введение скоростного пассажирского движения и организация тяжеловесного движения для грузовых поездов.
Внедрение технологий укладки подбалластных защитных слоёв
Отечественные исследования и работы по укладке ПЗС в России проводились с 2003 года на Экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ» и на участках реконструкции пути, что позволило накопить определенный опыт для дальнейших разработок нормативной базы и технологий.
Первые работы по укладке ПЗС были выполнены в 2008 году на перегоне Торбино – Боровёнка линии Санкт-Петербург – Москва, в связи организацией опытных поездок поезда «Сапсан» со скоростью до 275 км/ч. ПЗС состоял из разделительного слоя (геотекстиль+георешетка), уложенного на грунты земляного полотна и щебеночно-песчано-гравийной смеси, которую послойно уплотняли общестроительной техникой.
В дальнейшем, с целью повышения эффективности работ по укладке ПЗС, ОАО «РЖД» приобрело инновационную путевую машину AHM 800-R австрийской компании Plasser&Theurer. Производительность AHM 800-R составляла до 70 м/ч в зависимости от глубины и ширины вырезки имеющегося балластного слоя, а также от рода грунта срезаемого земляного полотна. Работа выполнялась в режиме круглосуточных «окон» в две смены. Годовая выработка составляла до 70 км модернизации главных путей.
Предпосылки разработки ЩОМ-МРС
Основным и существенным недостатком технологий вырезки и очистки загрязненного балласта являлось отсутствие оборудования на щебнеочистительных машинах автоматизированной системы с контурами подъёмочно-рихтовочного устройства и заглублением баровой цепи на проектные отметки. AHM 800-R выполняла все эти операции автоматически, однако производительность машины была низкой. Повысить её можно было за счёт увеличения количества машин, но это повлекло бы дополнительные расходы на эксплуатацию техники и содержание контингента.
По качеству выполняемых работ традиционная дорожно-строительная техника не могла конкурировать с AHM 800-R, так как не позволяла обеспечить равномерную оптимальную влажность смеси по всему слою, а, следовательно, достигнуть максимального равнопрочного уплотнения. Кроме того, существовали сложности с равномерной толщиной слоя и качеством поверхности.
Выбор организационно-технологических решений при выполнении реконструкции и ремонте земляного полотна с устройством ПЗС получил обоснование в трудах ученых ПГУПС и РУТ(МИИТ), коллективами которых, наряду с научными исследованиями, проведена огромная практическая работа с ремонтными и строительными организациями.
Приоритетным направлением является усиление земляного полотна на реконструкции и капитальном ремонте пути в сжатые сроки, существенно снижая влияние ремонта на движение поездов.
Исходя из этого следует вывод, что необходима разработка и внедрение принципиально новых требований к технике и технологиям ремонта пути с укладкой ПЗС.
Известно, устойчивое положение рельсошпальной решетки обеспечивает балластная призма, которая в процессе эксплуатации теряет свои первоначальные свойства: упругость, дренирующие свойства и др. Как следствие, появляются и увеличиваются остаточные деформации пути. Это отрицательно сказывается на состоянии всех элементов верхнего строения пути и подвижного состава. Периодическое восстановление физико-механических характеристик и геометрических параметров щебеночной балластной призмы производится путем очистки щебня или, в случае несоответствия уложенного в пути балласта требуемым характеристикам, – за счет полной его замены на щебень твердых пород специализированными машинами.
Загрязненный щебеночный балласт представляет собой уплотненную поездной нагрузкой смесь минеральных частиц и загрязнителя (угля, цемента, глины, руды, грунта, нефтепродуктов и др.), достигающего по объему 30% и более, при этом следует учитывать, что степень засоренности балласта в шпальных ящиках существенно выше, чем под подошвой шпал.
Щебень необходимо очищать при его загрязнении частицами менее 22,4 мм в количестве 30% и более (эта норма соответствует содержанию в щебне частиц менее 25 мм в количестве 32–37% и более). Жесткость балласта заметно снижается только при засоренности выше 50%, и поглощение энергии балластным материалом остается неизменным до уровня загрязнения около 50%.
Другой не менее важный засоритель - растительность, приводящая к интенсивному загрязнению балластной призмы, особенно щебеночной, ухудшающая ее дренирующие свойства, нарушающая устойчивость пути и вызывающая быстрое накопление неисправностей, на устранение которых затрачивается много средств и времени. Как показывают натурные осмотры пути, растительность рано или поздно прорастает на балласте и, закрепившись на нем, начинает формировать ту специфическую среду обитания, которая способствует превращению строительного материала в почвоподобное тело. Корневая система растений нарушает основные свойства балласта.
Для выполнения работ по очистке балласта от засорителей на сети железных дорог широко применяют щебнеочистительные машины различных модификаций. Наиболее производительной щебнеочистительной машиной в настоящее время является ЩОМ-2000.
Основы конструкции машины ЩОМ-2000 были заложены тульскими конструкторами и коллективом Проектно-конструкторского бюро по инфраструктуре – филиала ОАО «РЖД» в начале 2000-х годов, когда был создан первый прототип одной из её щебнеочистительных секций – прицепная щебнеочистительная машина ЩОМ-1200ПУ. В ней были реализованы основные принципы, позволившие в дальнейшем создать щебнеочистительный модуль с электромеханическим приводом баровой цепи, минимальным количеством конвейеров, трехъярусным очистным устройством с изменяемым положением в рабочем и транспортном режимах. Первые испытания показали, что машина преодолевала загрязненный балласт любой плотности на скорости более 300 м/ч, выполняла его очистку с высоким качеством и имела при этом самое низкое среди всех аналогов удельное энергопотребление.
В развитие этого направления в 2014 году был создан прицепной прототип ЩОМ-1600, в которой были реализованы главные решения будущей машины: последовательной двухслойной вырезки балласта двумя баровыми устройствами и его дальнейшей параллельной очистки двумя очистными устройствами. В 2015-2016 годах поступили в эксплуатацию самоходные щебнеочистительные модули ЩОМ-1200С, ставшие основной для двухсекционной машины ЩОМ-2000.
Первый образец ЩОМ-2000 поступил в эксплуатацию на сеть железных дорог России в 2018 году. Машина сразу же показала на сложных участках ремонтируемого пути скорость по очистке балласта более 600 м/ч. Также в конструкции машины был применен ряд решений, позволяющих повысить темпы и качество обслуживания пути.
Возможность двухслойной вырезки балласта, реализованная в ЩОМ-2000, позволила решить еще одну важную проблему – удаление вторым баровым устройством старого защитного геоматериала при одновременной очистке балластной призмы.
Таким образом первая часть задачи – машинизированная очистка балластной призмы и подготовка земляного полотна для укладки ПЗС была решена. С ней успешно справлялась первая секция ЩОМ-2000.
Далее необходимо было разработать машины, способные создавать смесь ПЗС, а также укладывать её и уплотнять с требуемыми характеристиками модуля упругой деформации.
Особенности отечественной разработки
Перед отечественными машиностроителями стояла сложная задача – разработать такую технику, которая позволяла бы выполнять укладку ПЗС без съема рельсошпальной решетки в «окно» с выработкой, превышающей зарубежные аналоги.
Благодаря результатам научных исследований ПГУПС в области усиления основной площадки земляного полотна, а также исходя из опыта укладки ПЗС на Октябрьской железной дороге, стало возможным определить основные параметры и требования к проектированию техники и к материалу ПЗС.
Для решения этой задачи конструкторским коллективом ООО «КБ «Тулажелдормаш» (входит в Группу ПТК) разработана путевая машина для вырезки, укладки подбалластного защитного слоя и уплотнения балласта ЩОМ-МР (щебнеочистительная машина-машина распределительная) внедрение которой позволит повысить производительность и эффективность работ. (Рис.1)
Технические характеристики комплекса предусматривают укладку ПЗС в уплотнительном состоянии за один проход толщиной от 200 мм до 400 мм. ЩОМ-МР может выполнять работу в кривой минимального радиуса 300 м.
Комплекс способен выполнять сразу несколько ключевых задач: получать необходимый объем засорителя и обеспечивать сформированный заданный гранулометрический состав ПЗС с последующей подачей его под рельсошпальную решётку. Это гарантирует стабильную работу по укладке и уплотнению ПЗС с производительностью до 250 м/ч и повторное использование очищенного балласта.
Комплекс оснащен подъёмно-рихтовочными устройствами, которые устанавливают рельсошпальную решетку на проектную ось пути. Захваты роликового типа позволяют иметь сменные бандажи по рабочим поверхностям, обеспечивающие удержание рельсовой головки. Наличие двухпоточной конвейерной системы обеспечивает подачу материала полного объёма с каждой из сторон. Уплотнение верхней и боковой поверхности щебёночно-песчано-гравийной смеси выполняется до требуемого значения - 120 Мпа коэффициента деформативности. За беспрепятственную работу ЩОМ-МР отвечает отвал-планировщик высотой не менее 300 мм и конвейер-распределитель с шириной рабочей зоны 4–5 м. (Рис.2)
На графике работы комплекса АHМ 800-R на 1 км приведены параметры выработки (Рис.3):
- время работы цепочки машин при создании ПЗС 50,75 часа;
- готовая ПГС доставляется составами для засорителей;
- полный слой ПЗС формируется с добавлением 25% щебня;
- выработка 19,7 м/час.
На графике работы комплекса ЩОМ-МРС на 1 км приведены параметры выработки (Рис.4):
- время работы цепочки машин при создании ПЗС 7,5 часов;
- ЩПГС формируется из продуктов получаемых от очистки щебеночного балласта;
- выработка составляет 133,3 м/час.
Эффективность применения комплекса ЩОМ-МРС приведена на слайде.
Предлагаемая концепция обеспечивает:
- формирование ПЗС толщиной до 300 мм и шириной до 5 м в полном объеме из материала балластного слоя, вырезанного и очищенного первой секцией ЩОМ-2000;
- использование очищенного щебня в объеме до 700 м3/км для предварительной балластировки пути;
- применение комплекса на всех технологиях ремонта пути по очистке или замене балласта, учитывая достигнутую производительность при формировании ПЗС и выполнении операции балластировки пути;
- дополнительным преимуществом данной концепции является использование 100% объема вырезанного первого слоя балласта для формирования ПЗС и балластировки пути, что на 40% сокращает объем вывозимых материалов при работе комплекса.
Кафедрой «Путь и путевое хозяйство» РУТ (МИИТ) совместно с конструкторами ООО «КБ «Тулажелдормаш» и технологами Группы ПТК в 2022 году разработаны «Технические требования к конструкции подбалластного защитного слоя с использованием продуктов от вырезки старого балласта щебнеочистительными комплексами».
Стендовые испытания виброплит ЩОМ-МР проводились на заводе АО «Тулажелдормаш им.А.В.Силкина» и показали выработку 200 м/ч с модулем деформации подбалластного защитного слоя, соответствующего «Техническим требованиям к конструкции подбалластного защитного слоя с использованием продуктов от вырезки старого балласта щебнеочистительными комплексами».
В ноябре 2024 года АО «Тулажелдормаш им.А.В.Силкина» приступило к шеф-монтажу дробилки HPT-300F1 производства китайской компании ZENITH, которая будет использоваться на комплексе ЩОМ-МРС для качественного создания смеси ПЗС. Монтаж дробилки выполнялся под контролем конструкторов КБ «Тулажелдормаш». Разработка технологии создания смеси ПЗС комплексом ЩОМ-МРС проводилась в сжатые сроки. Были исключены все комплектующие изделия импортного производства, которые прежде поставлялись. Принципиально новый рабочий орган комплекса - дробилка, которая прежде вообще не применялась на передвижной технике в России. Работа выполнялась в кооперации с китайской компанией ZENITH – мировым лидером горнодобывающей и обрабатывающей техники, поставщиком решений для дробления и измельчения горных пород и руд.
На стендовых испытаниях экспериментальных образцов рабочих органов комплекса ЩОМ-МРС была продемонстрирована скорость виброуплотнения ПЗС до 250 м/ч. Это более чем в 3 раза выше, чем у машины AHM 800-R производства австрийской компании Plasser & Theurer.
Принципиальной особенностью ЩОМ-МРС является то, что для его работы не требуется дополнительных составов, а применение геосинтетических материалов позволяет производить укладку ПЗС толщиной 20–40 см в соответствии с техническими требованиями к ПЗС, формируемому по технологии безотходной щебнеочистки, разработанной технологами Группы ПТК. На комплексе ЩОМ-МРС внедрена функция рециклинга щебня - мелкая фракция щебня возвращается обратно в бункер для создания смеси ПЗС.
Внедрение ЩОМ-МРС позволит прогнозируемо на 50% увеличить продолжительность жизненного цикла пути, на 20% снизить стоимость работ, а также обеспечить применение этого комплекса на всех видах ремонта пути. Технология укладки ПЗС комплексом ЩОМ-МРС будет востребована на строительстве и эксплуатации линий ВСМ и тяжеловесного движения.