Всем привет! Все мы хотим передвигаться по железной дороге быстро. Нам нужны такие скорости как 150, 200, 300, 400 км/ч.
Сегодня средняя скорость наших поездов 200 км/в сутки. Цифра ужасная и сильно утрирована, так как взята наподобие «средней температуры по больнице». Но тем не менее, расстояние в 200 км между Челябинском и Екатеринбургом преодолевается за 5 часов. В наше время это ужасно долго.
На скорость в пути влияет много факторов, в том числе запланированные остановки, текущее состояние пути, и то, как железнодорожный путь был запроектирован.
А поскольку я проектировщик-строитель железных дорог и искусственных сооружений, я имею полное право вам рассказать о причинах снижения скоростей, вызванных именно проектными решениями.
В этой статье я расскажу о самой банальной причине - радиусе круговой кривой
Ниже представлен план участка Южно-Уральской железной дороги на подходе к городу Златоуст.
Деды проектировщики спроектировали это место по понятным причинам.
Участок проходит через Хребет. Это довольно серьезное препятствие, которое решили преодолеть с помощью кривых. И мы можем примерно узнать самые маленькие радиусы. Они будут порядка 300 метров.
Можно ли проехать по такому плану пути со скоростью 200 км/ч? Ставим на рельсы скоростной поезд и вперед?
Если у вас есть инстинкт самосохранения, то скорей всего вы понимаете что не в коем случае нельзя. А вот со скоростью, например, 40 км/ч пожалуйста. Проедем безопасно.
Угроза безопасности движения. Что говорят инженерные расчеты?
Когда дело касается проезда по кривой возникает проблема с воздействием центробежной силы. Которая прижимает весь подвижной состав к внешней стороне кривой. К внешнему рельсу.
Из-за такого прижатия возникают такие проблемы
- Инерционное давление на пассажиров, прижатие их к стенке, если мы поговорим про пассажирский поезд
- Инерционное давление на закрепленные грузы, если мы говорим про грузовой поезд
- Боковой износ наружного (внешнего) рельса
Чем выше скорость движения в кривой, тем эти проблемы будут всё больше угрожать безопасности
Поэтому самый простой способ решения - это снизить скорость 👎
Сложный и инженерный способ решения проблемы
Сложный способ решения проблемы - это увеличить радиус кривой. Так, известная формула показывает нам что при увеличении радиуса R падает инерционное давление.
Чтобы увеличить радиусы на участке который мы рассматриваем нужно произвести целую реконструкцию. А это дорого, и не менее важное, что это трудозатратно, сложно. Нужно всё организовывать, проектировать, работать. 🦥
Это тот же участок, но в пространстве. Чтобы его проехать с высокой скоростью нужно план пути выпрямлять. Например по зеленой штриховой линии. Строить тоннель. А это очень сложно. Когда проектировали деды они сделали всё возможное чтобы построить дорогу через это место. Но реконструировать этот участок должны мы.
Очень хорошим примером выпрямления плана пути является Северомуйский тоннель.
Обратите внимание на «дикие» петли. Проектировали их, стараясь максимально возможно обойти высотные препятствия. Это старая дорога.
На плане есть штриховые линии, это петлевые тоннели. Преодоление этого участка настолько тяжело далось, что даже при проектировании тоннелей, не удавалось выпрямить план пути. Ездить по такому плану с высокой скоростью также не представлялось возможным.
Решением было строительство Северомуйского тоннеля. Самого длинного железнодорожного тоннеля в России, длиной 15.343 км. Прямой план это классно, ездить по нему уж точно можно быстрее чем по петлеобразному. Но все же тоннель это искусственное сооружение. И нужно понимать что оно также может ограничивать скорость
А вот вам участок на Кавказе. Возле станции Индюк есть такая петля. Она состоит из 3 тоннелей. Её проектировали и сделали еще во временна Российской Империи. И всё для что чтобы преодолеть высотное препятствие. В среднем она в диаметре 900 метров и соответственно радиусом 450 метров. Это все таки считается небольшим радиусом и он не годится для высоких скоростей.
Инженерный способ решения проблемы с сохранением скорости для кривой это устроить «возвышение рельса»
Про возвышение рельса я уже рассказывал:
1. В этой статье;
2. Делал ролик о возвышении;
3. Выводил формулу;
Сейчас кратно напомню
Возвышая наружный (внешний) рельс мы наклоняем состав и создаем новую горизонтальную ось, на которой у нас идет борьба двух ускорений.
Одно из ускорений и создаёт центробежную силу. Но поскольку состав у нас наклонён, оно будет немного меньше.
Второе ускорение вызвано свободным ускорение свободного падения земли g = 9.81 м/с². Это то что создаёт силу тяжести. Но поскольку мы наклонили состав g будет действовать и на наклонную плоскость, пусть даже и в неполную силу.
В идеале эти две силы должны быть равны и таким образом мы полностью погасим инерционное давление. Такого добиться очень сложно, так как поезда ездят с разными скоростями и всегда будет побеждать одна из двух сил. Или это будет центробежная сила, или сила тяжести.
Но в инженерном способе борьбы с инерционным давлением есть ограничения.
Первое ограничение из-за разрешения возвышать рельс до 150 мм. Наклон при таком возвышении будет всего 5 градусов.
Второе ограничение устанавливают на победу центробежной силы. Она не должна превышать определенный предел. Он выражается в непогашенном ускорении В итоге мы имеем 2 предела. Объединив их мы получим такое правило:
При максимальном возвышении рельса в 150 мм, непогашенное ускорение должно быть не больше чем 0.7 м/с² при максимальной скорости пассажирских поездов до скорости 140 км/ч.
Если мы хотим увеличить скорость, то непогашенное ускорение нам желательно ограничить до 0.4 м/с²
Все это можно свернуть в удобную формулу, с помощью которой мы найдем минимальный радиус для кривой по которой мы сможем безопасно ехать с той скоростью, с какой хотим мы
Так мы можем узнать минимальные радиусы для нужных нам высоких скоростей
- 200 км/ч - Радиус 2323 метра;
- 300 км/ч - Радиус 5256 метров;
- 400 км/ч - Радиус 9290 метров
Изобразим эти радиусы на участке Южно-Уральской железной дороги и увидим как должен выглядеть план пути, чтобы мы проехали быстро и главное безопасно по нему
Радиус кривой - это не единственное препятствие, для преодоления которого необходимо снижать скорость.
Например, есть такие проблемы как продольный уклон в профиле, грузоподъемность мостов, прочность и устойчивость земляного полотна, напряжения в конструкции верхнего строения пути в целом, и так далее.
Дорогие подписчики канала, если вам нравится читать статьи про проблемы развития высоких скоростей на железной дороге, поставьте лайк к этой статье. Так я пойму, как часто мне нужно их выпускать.