Cучасні елементи конструкції контактної мережі

ВСТУП

Розвиток транспорту - це не тільки підвищення пропускної спроможності та впровадження нових технологій перевезення  вантажів. Крім цих, безсумнівно, важливих напрямків розвитку, на сучасному  етапі для українських залізниць  не менш актуальними є проекти, спрямовані на підвищення ефективності та зниження собівартості перевезення вантажів і пасажирів, а також зменшення  залежності від імпорту енергоресурсів, ціна яких так нестабільна на світових ринках.

     Реалізація  проектів електрифікації залізниць,  які дозволять суттєво підвищити  ефективність перевезення вантажів, а також зміцнять позиції залізниці,  як найбільш екологічного виду  транспорту, є одним з пріоритетних  напрямків модернізації залізничної  інфраструктури.

Електрифікація залізничного транспорту - невід'ємна частина електрифікації господарства країни. Пристрої електропостачання  електрифікованих залізниць, від яких отримує харчування не тільки тяга, а й інші районні споживачі, прилеглі до залізниці, в тому числі і не тягові споживачі залізничного транспорту, є складовою частиною енергопостачальної системи.

Основним елементом системи  тягового електропостачання є контактна  мережа. Будівництво і модернізація контактної мережі в даний час  має здійснюватися за типовими проектами.

До завершення розробки всіх модифікацій контактних підвісок повинні  застосовуватися діючі типові рішення. Конструкції контактних підвісок відповідно до Правил технічної експлуатації залізниць  повинні відповідати вимогам, що забезпечують пропуск пасажирських поїздів зі швидкістю руху 140 км / год і враховувати можливість перспективного підвищення швидкостей руху на окремих напрямках до 200 км / год і збільшення пасажироообігу.

Всі знову розроблені конструкції контактної мережі, вузли та арматура до дозволу на їх застосування повинні піддаватися випробуванням за затвердженою Департаментом електрифікації та електропостачання методикою. Модернізація контактної мережі проводиться для оновлення основних фондів, відновлення ресурсу постійних елементів і підвищення технічних показників контактної підвіски. Основні цілі проведення модернізації:

- Збільшення швидкості  пересування пасажирських і вантажних  поїздів;

- Підвищення ресурсу основних  елементів і їх зближення для  створення передумов при подальшій  експлуатації проведення комплексних  видів капітального ремонту;

- Підвищення надійності  і стійкості роботи за рахунок  застосування виробів та вузлів  з поліпшеними властивостями;

- Зниження витрат на  обслуговування за рахунок виключення  або збільшення періодичності  робіт з діагностики, оглядам,  ремонту;

- Збільшення терміну служби  контактного проводу за рахунок  підвищення показників якості  струмознімання;

- На основі аналізу  роботи контактної мережі усунення  причин порушень в роботі контактної  мережі внаслідок неврахування  при проектуванні місцевих особливостей  кліматичних умов, стану земляного  полотна, інженерно-геологічних  умов і забезпечення стійкості опор контактної мережі.

1.ВПРОВАДЖЕННЯ  ШВИДКІСНОГО РУХУ ЕЛЕКТРОПОЇЗДІВ  НА ЕЛЕКТРИФІКОВАНИХ ДІЛЯНКАХ  В УКРАЇНІ

     Залізнична мережа України органічно вписується в європейську мережу через Польщу, Словаччину, Угорщину, Румунію, Молдову. Потенційні можливості країни у справі залучення додаткових міжнародних транспортних потоків досить великі. Обсяг відповідних перевезень уже найближчим часом може бути збільшено на 25...30 %. Однак вигідне, з погляду транспортних перевезень, геополітичне розташування України зараз не використовується повною мірою, тому важливим завданням є інтеграція залізничного транспорту в загальноєвропейську транспортну систему шляхом приведення українських дільниць пан-європейських транспортних коридорів у відповідність з міжнародними технічними параметрами. Перш за все це стосується підвищення швидкості руху поїздів до 160...200 км/год.

Згадана проблема є складною і багатоплановою. Її розв'язання може відбуватися в такій послідовності: дослідження наявного закордонного досвіду і передумов в Україні щодо організації швидкісного руху поїздів; розробка нормативно-технічної бази для проектування реконструкції залізниць; визначення першочергових напрямків і оптимальне розподілення інвестицій на об'єкти(дільниці), що підлягають реконструкції.

Оскільки мережа Українських  залізниць взаємодіє з мережею  інших країн, насамперед Росії і  Польщі, то підготовленість сусідніх регіонів до впровадження швидкісного руху має для України неабияке значення.

У Росії розроблено і прийнято Концепцію організації швидкісного  і високошвидкісного руху, яка  передбачає узгоджені з білоруською  та українською мережами поетапні підвищення на існуючих залізничних лініях швидкостей руху пасажирських поїздів до 160...200 км/год, а в подальшому — перехід на спорудження спеціалізованих високошвидкісних магістралей (ВШМ) зі швидкістю руху поїздів до 350 км/год. Визначений у Росії полігон швидкісного руху має 10 пріоритетних напрямків, один з них — український: Москва— Суземка, який стикується з транспортним коридором Зернове—Київ.

Міністерство транспорту та зв'язку України і Міністерство транспорту Російської Федерації спільним рішенням від 3 вересня 2004 року затвердили Концепцію інтеграції транспортних систем Російської Федерації та України, яка передбачає, зокрема, розвиток швидкісного пасажирського руху на напрямку Київ — Москва.

Польські залізниці в  рамках найважливіших міжнародних угод АОС і АСТС передбачають модернізацію коридору Е-30 , що є також «Критським» транспортним коридором № 3, частина якого проходить територією України. Технічні параметри коридору мають забезпечувати рух пасажирських поїздів зі швидкістю 160 км/год і вантажних — не менше 120 км/год при максимальному осьовому навантаженні 22,5 кН. Усі роботи з реконструкції існуючих і будівництва нових об'єктів залізничного транспорту намічено виконати поетапно до 2010 р. Модернізацію дільниці Краків — Пшемишль — Медика заплановано на період після 2005 р., передбачено модернізувати прикордонний перехід Медика — Мостиська. Не виключено, що роботи з модернізації прикордонного переходу буде включено у план модернізації всього напрямку Пшемишл — Львів.

Програмами розвитку залізниць  Чехії передбачено упровадження швидкісного руху в напрямку України: (Ширидинг) — Хеб —Пльзень — Прага — Колин —Острава. На частині коридору, що проходить територією Чехії, передбачається до 2010 р. модернізувати лінію для забезпечення швидкостей руху 140...160 км/год.

Словацька Республіка намічає  впровадити до 2010 р. швидкісний рух (до 160 км/год) за маршрутом: кордон з Чехією — Жиліна — Попрад —Татри—Кошице—Чієрна над Тисоу —(Чоп).

Програмами розвитку залізниць  Угорщини намічено впровадження швидкісного руху в напрямку України: (Відень)—Хедьюшхалом —Будапешт— Мішкольц—Захонь—(Чоп). Максимальні швидкості руху на цій лінії становитимуть 140...160 км/год. Повну реконструкцію відповідно до положень європейських угод СМЗ уже виконано на ділянці Хедьюшхалом— Будапешт, яка є складовою частиною «Критського» коридору №4, де можливе курсування швидкісних пасажирських поїздів у напрямку Відня зі швидкістю 160 км/год.

Румунські залізниці визначили  впровадження швидкісного руху (до 140 км/год) у на- пряку України: Бухарест—Унгени.

Швидкісну мережу Молдови  у напрямку України визначено проектом модернізації колійної інфраструктури Унгени—Кишинів—Бендери—(Роздільна) з виходом до Києва (швидкість руху до 160 км/год). Термін впровадження швидкісного руху — 2005 р., однак роботи на цих напрямках не провадяться.

При розгляді питання передумови впровадження швидкісного руху поїздів в Україні було проаналізовано основні технічні показники транспортних коридорів (технічне оснащення, параметри плану й профілю, вантажонапруженість) і їх відповідність європейським вимогам, а також тенденції зростання маршрутних швидкостей, стан колійної інфраструктури, і зроблено відповідні прогнози розвитку рухомого складу.

Розвиток швидкісного  руху в післявоєнний період здійснювався із застосуванням нових видів  тяги. На початку 70-х років на дільниці Дніпродзержинськ—Новомосковськ Придніпровської залізниці було проведено випробування швидкісного вагона-лабораторії з реактивною тягою, на якому було досягнуто швидкість 250 км/год . Більшої швидкості розвинути не вдалося через обмеження сили тяги двигунів і довжини прямої ділянки. До початку XXI століття це залишалося рекордом швидкості на залізницях України і держав СНД.

Швидкісний рух на тому чи іншому напрямку визначається двома категоріями швидкостей — максимальною і маршрутною. Перша характеризує рівень інфраструктури залізниць і рухомого складу, друга визначає кінцевий результат перевезень (час доставки вантажів і пасажирів).

Аналіз графіків руху швидкісних поїздів між обласними центрами показав, що на сьогодні маршрутна швидкість становить (0,48...0,53) , що є низьким показником у порівнянні з європейськими залізницями, де співвідношення маршрутної і максимальної швидкості становить 0,7...0,9.

В Україні найбільша маршрутна  швидкість становить 92 км/год, яка  досягається швидкісним поїздом  на напрямку Дніпропетровськ—Київ.

Порівняльні дані про маршрутні  швидкості Таблиця 1.1

Як випливає з табл. 1, маршрутні  швидкості на основних напрямках Українських залізниць в 1,1...1,5 раза нижчі, ніж у сусідніх країнах. Тому наступне завдання полягає як у підвищенні рівня максимальної швидкості до 160 км/год, так і в досягненні маршрутної швидкості 100 км/год і більше.

Аналіз кривої вартості реконструкції             Таблиця 1.2

У першому інтервалі менш ніж110 км/год) вартість реконструкції збільшується повільно і становить у середньому 0,16 млн грн. на кожні 10 км/год підвищення маршрутної швидкості. Маршрутна швидкість 110 км/год забезпечується при максимальній швидкості руху пасажирських поїздів 110...160 км/год.

У другому інтервалі  час  руху поїзда майже вдвічі менший, ніж у першому інтервалі, але вартість реконструкції інтенсивно зростає і становить у середньому 1,67 млн грн. на кожні 10 км/год підвищення маршрутної швидкості. Маршрутна швидкість =160 км/год забезпечується при максимальній швидкості руху пасажирських поїздів 160...200 км/год.

У третьому інтервалі  час  руху у 1,5 раза менший, ніж у другому  інтервалі, а вартість перебудови залізниці  зростає повільніше і становить  у середньому 0,36 млн грн. на кожні 10 км/год підвищення маршрутної швидкості. Така швидкість забезпечується будівництвом нової залізниці і впровадженням високошвидкісного руху пасажирських поїздів (більше 200 км/год).

З урахуванням виконаних  досліджень і наведених вище даних  розвиток швидкісного залізничного руху в Україні пропонується здійснювати  поетапно.

1-й етап — впровадження  прискореного руху пасажирських поїздів до 160 км/год, пропонується здійснити в умовах і пасажирського руху існуючими залізничними лініями на напрямках транспортних коридорів, включених у міжнародну мережу. Це має бути здійснено без істотної перебудови цих ліній, але з модернізацією плану і профілю, а також постійних пристроїв і споруд.

Виконані розрахунки показали, що в разі підвищення маршрутної швидкості до 95... 110 км/год і максимальної швидкості до 140...160 км/год можна здійснювати поїздки поїздами денного сполучення від Києва до Харкова, Одеси, Львова, Дніпропетровська, а також від Харкова до Сімферополя.

2-й  етап — впровадження  швидкісного руху пасажирських поїздів до 200 км/год. Це також може бути виконано на існуючих залізничних лініях, однак потребує більш істотної реконструкції ліній і використання нового рухомого складу. Експлуатація таких доріг майже несумісна з одночасним рухом пасажирських і вантажних поїздів, тому вимагає різкого скорочення інтенсивності руху останніх, зменшення їх маси і переведення більшої частини вантажного руху на паралельні ходи.

3-й етап — реалізація  цього етапу, тобто впровадження швидкості руху більшої за 200 км/год, належить до віддаленої перспективи. Для створення високошвидкісної магістралі потрібні спеціалізований рухомий склад і окрема траса, спеціальні конструкції колії, колійних пристроїв та штучних споруд.

Колійна інфраструктура. Існуюча  в Україні конструкція колії дозволяє впровадити швидкісний рух пасажирських поїздів на перегонах, що підтверджується як теоретичними розрахунками, так і випробуваннями нових українських електровозів ДЕ1 і ДСЗ. Встановлено, що при швидкості 160 км/год напруження в окрайках підошви рейок типу ШС 60 в середньому на 20 % більше, ніж у рейках типу Р65, але в обох випадках менше допустимих.

Конструкція колії з рейками  довжиною в перегін і ввареними в пліть стрілочними переводами, з пружними скріпленнями рейок до залізобетонних шпал, укладених на щебеневому баласті, має стати основною на ділянках з максимальною швидкістю руху поїздів до 200 км/год.

На залізницях України  уже є окремі дільниці, де укладені рейки довжиною 11...14 км. Укрзалізниця вводить в експлуатацію пружні скріплення типу КПП, розроблені в Україні, завдяки яким збільшується ресурс рейок, знижується опір рухові поїзда, зменшуються витрати на поточне утримання колії і рухомого складу.

Підшпальна основа має  свої особливості. Загальним для  швидкісних ліній є широке впровадження різних типів полімерних матеріалів для ізоляції підшпальної основи, щоб не допустити забруднення  очищеного щебеню. Взимку полімерні шари служать теплоізолюючим матеріалом. Вони мають різну товщину і конструкцію в залежності від кліматичних і місцевих умов. У колійному господарстві Укрзалізниці при укладанні баласту і рейко-шпальної решітки застосовується геотекстиль. На дільницях Київ—Харків і Київ—Дніпропетровськ, укладено 180 тис. кв. м геотекстилю.

При максимальній швидкості 160 км/год і масі пасажирського поїзда 800...1000 т стрілочні переводи повинні забезпечувати швидкість руху в зоні станцій (на прямому напрямку) не менше 120 км/год, а при максимальній швидкості 200 км/год і масі поїздів до 600...700 т — не менше 140...160 км/год.

Стрілочні переводи, що випускаються в Україні надають можливість забезпечити максимальні швидкості на прямому напрямку до 120 км/год. Для забезпечення підвищення швидкостей до 160 км/год на Дніпропетровському стрілочному заводі розпочато виготовлення стрілочних переводів нового покоління, які мають хрестовину з безперервною поверхнею кочення та гнучким осердям (проекти ДнОбО, ДнЗОО та Дн400). Стрілочні переводи слід уварювати в пліть до безстикової колії, що примикає до них, і укладати на щебеневий баласт.

Проведені дослідження показали, що застосування безстикової колії  з рейками типу Р65 вищої категорії  на залізобетонних шпалах із щебеневим  баластом і пружними скріпленнями типу КПП задовольняє можливості впровадження швидкісного руху на колії у межах встановлених допусків.

Для залізниць України на Дніпропетровському електровозобудівному заводі спільно з фірмою «Сіменс» створено вантажопасажирський чотиривісний електровоз ДСЗ змінного струму з асинхронними двигунами. У 2003 р. його піддано всебічним випробуванням. З 2004 р. почалося виробництво таких електровозів.

Характеристики існуючих та перспективних локомотивів.  Таблиця 1.3

На базі електровоза ДСЗ  у короткий термін передбачається розробити й виготовити універсальний восьмивісний двосистемний (постійно-змінного струму) вантажопасажирський електровоз типу ДС4 для експлуатації в складі швидкісних поїздів.

Електровоз ДС4 зможе вести  пасажирські поїзди далекого прямування (20-24 вагони) зі швидкістю до 160 км/год, контейнерні й контрейлерні — до 140 км/год. При цьому електровоз ДС4 проходитиме весь транспортний коридор без відчеплення від поїзда й без зупинок на станціях стикування різних систем струму, що дозволить значно збільшити маршрутні швидкості і скоротити час руху поїздів. Завдяки універсальності та можливості роботи на великих тягових плечах (більше 1000 км) цей електровоз матиме у 1,5—2 рази вищу продуктивність, ніж односистемні електровози. Це означає, що для заданого обсягу перевезень пасажирів або вантажів буде потрібна відповідно менша кількість електровозів. При цьому слід зазначити, що вартість однієї секції електровоза ДС4 буде лише на 3,2 % вища за вартість односистемного електровоза ДСЗ (22,8 млн грн.). Крім того, кожна секція електровоза ДС4 зможе працювати як самостійний чотиривісний локомотив, а на з'єднання та роз'єднання секцій буде витрачатися всього кілька хвилин.

Електровоз ДС4С відрізнятиметься від електровоза ДС4 тільки візками. Для забезпечення екстреної зупинки пасажирського поїзда в межах нормованої довжини гальмівного шляху (1600 м) під час руху зі швидкістю 230 км/год візки електровоза додатково буде обладнано електромагнітними рейковими гальмами. Застосування такого двосистемного електровоза замість односистемних електровозів типу ЧС7 і ЧС8, які зараз експлуатуються, дозволить впровадити швидкісний безупинний рух пасажирських поїздів із маршрутною швидкістю 140...160 км/год, а час руху скоротити, як мінімум, у два рази.

Використання двосистемного  електровоза ДС4 у пасажирському русі на напрямку Київ—Харків дозволить без додаткових витрат вирішити проблему стикування ділянок змінного струму з Харківським вузлом, а також на дільниці Київ—Львів (змінний струм) і Львів—Мостиська (постійний) та інших напрямках.

Найбільш поширений у  Європі метод підвищення швидкостей руху поїздів у кривих — примусове  нахилювання кузова вагона при досягненні максимальної швидкості. Такий спосіб застосовано, наприклад, на електропоїздах «Hyundai» (Корея), а також на поїздах серії ІСТ (Німеччина).

У 2003 р. представники Укрзалізниці ознайомилися з досвідом швидкісного  руху на залізницях Фінляндії поїздів  типу «Hyundai» і дали пропозицію провести техніко-економічне обгрунтування доцільності впровадження на залізницях України поїздів з вагонами, що обладнані пристроями нахилювання кузова.

Розглянемо тягові характеристики «Hyundai» і близьких до нього за потужністю електровозів ЧС4 і ДС4 (рис. 1.1).

Для виявлення сталої швидкості  при різних типах локомотивів  скористаємося сполученими графіками  — тягова характеристика локомотива  — крива загального опору руху.

Загальний опір руху складається  з основного опору руху Wo опору  від уклонуWi і опору від кривизни колії Wr,  W=Wo+Wi+Wr.Абсциса точки  перетину графіків відповідає сталій швидкості руху поїзда на уклоні і.

Рис. 1.1 Тягові характеристики і криві повного опору рухові: 1 — ДС4; 2-—ЧС4; 3 - Hyundai»; 4 — W (при i=30 %о); 5 — W (при i= 15 %о); 6 - W(при i=10 %о): 7 — W(при і=5%о); 8 — W(при i=0%о).

     З рис.1.1 можна зробити висновок, що швидкість 200 км/год може бути досягнута на уклонах не більше 5...6%о, швидкість 160 км/ч — на уклонах до 15 %о при масі швидкісного поїзда близько 500 т.

Проведемо аналіз параметрів плану і профілю щодо можливості реалізації максимальної швидкості  на напрямку Київ—Харків. На дільниці Київ—Гребінка уклонів більше ніж 6 %о — близько 18 %, Гребінка—Полтава — 46%, Полтава—Харків — 15%. Таким чином, друга дільниця є найбільш несприятливою для здійснення швидкісного руху. Аналогічний аналіз було виконано на інших дільницях, які плануються для впровадження швидкісного руху.В сучасних екіпажах, які під час руху в кривій мають примусове нахилювання всередину кривої на кут у, значення допустимої швидкості збільшуються, завдяки введенню у розрахункову формулу додаткового фіктивного підвищення зовнішньої рейки , що компенсує непогашене поперечне прискорення, тобто:

  (1.1)

де —непогашене поперечне прискорення; — розрахункове підвищення зовнішньої рейки; S — ширина колії.

Розрахунки допустимої швидкості V за формулою (1.1) для рухомого складу з примусовим нахилом кузова вагонів показали, що максимальної швидкості 160 км/год можна досягти в кривих радіусом 700...800 м, швидкості 200 км/год — у кривих радіусом 1150... 1250 м при підвищенні зовнішньої рейки 100... 150 мм.

Швидкість руху поїзда в  кривій визначалася без урахування впливу сусідніх кривих. Наявність  коротких перехідних кривих і крутих відводів підвищення зовнішньої рейки  часто не дозволяють забезпечити високу швидкість руху на дільницях, де криві розташовані одна за одною. Наприклад, на складній дільниці Гребінка—Полтава, максимальна допустима швидкість руху з урахуванням наявності сполучених кривих і обмежень на роздільних пунктах, не перевищує 180 км/год. Для рухомого складу з ДС4 рух зі швидкістю 160...180 км/год можна запровадити лише на 12% дільниці Гребінка—Полтава, з «Hyundai» — на 22 % .

Застосування тягового рухомого складу типу «Hyundai» сприяє збільшенню середньої ходової швидкості на 7...22 %, залежно від параметрів плану і поздовжнього профілю залізниці.

Пасажирські вагони. Необхідною умовою для забезпечення комфорту пасажирів та безпеки руху пасажирських поїздів є стійкість ходу пасажирських вагонів при всіх допустимих швидкостях руху. Нині на залізницях України експлуатуються переважно пасажирські вагони на візках типу КВЗ-ЦНИИ. Критична швидкість таких візків нижча за 160 км/год навіть у разі неспра- цьованих коліс. Без відповідної модернізації вагони з такими візками не можуть використовуватися на швидкісних лініях.

На дільницях Київ—Харків  і Київ—Дніпропетровськ з прискореним  пасажирським сполученням курсують швидкісні поїзди, укомплектовані пасажирськими  вагонами, які виготовлено на Крюківському вагонобудівному заводі. Одним із останніх досягнень заводу стало створення швидкісних пасажирських візків моделей 68- 7007 і 68-7012 власної конструкції. Візки, спроектовані у відповідності до норм і особливостей експлуатації рухомого складу на залізницях країн СНД та норм утримання верхньої будови залізничної колії. Вони призначені для руху на залізницях України, країн СНД і Балтії зі швидкостями до 160 км/год, а при певних їх доопрацюваннях — до 200 км/год.

Заводом розроблено конструкцію  нового пасажирського вагона для руху із швидкістю 200 км/год . Цей вагон випробовується за участі фахівців ДІІТ.Розробка нормативної бази для проектування реконструкції плану існуючих залізниць.До останнього часу не було вирішене питання щодо забезпечення необхідних параметрів кривих у разі перебудови залізниць для швидкісного руху. Запропонований в ДІІТ підхід  грунтується на моделюванні руху потоку поїздів. Потік поїздів моделюється у вигляді тривимірної поверхні (рис. 1.2), що є апроксимуючою для реального розподілу мас і швидкостей руху поїздів. Така поверхня описується рівнянням , яке визначає кількість поїздів N для заданої швидкості V і маси .

Рис. 1.2. Розподіл кількості, маси і швидкості руху поїздів ;i-ї категорії на основі моделювання поїздопотоку.

    З метою наближення функції f у виразі до реальних умов експлуатації потік поїздів розглядається ймовірнісним, розбивається на категорії, для кожної з яких задаються параметри законів розподілу.

У разі неможливості прийняття  рішення щодо підвищення зовнішньої рейки, визначеного за критеріями, інтервал прогнозованих швидкостей скорочується. Враховуючи важливість питання, при визначенні параметрів плану лінії рекомендується брати до уваги такий додатковий критерій, як співвідношення швидкостей вантажних і пасажирських поїздів.

У більшості випадків саме криві визначають надійність роботи залізничної колії і рівень допустимої швидкості. На основі аналізу даних, отриманих з використанням математичної моделі руху швидкісного пасажирського вагона  і матеріалів швидкісних випробувань локомотивів ЧС7, ЧС8 і ДСЗ, встановлено, що в кривих радіусом 1400...1600 м максимально ймовірні напруги в окрайках підошви рейок становлять 110...177 МПа (до 75% від допустимого значення), а максимально ймовірні бокові сили 70...77 кН. При таких радіусах забезпечуються достатній коефіцієнт стійкості рейко-шпальної решітки в колії з щебеневим баластом і необхідна стійкість коліс проти вкочення на головку рейки. Таким чином, основною умовою для визначення мінімального радіуса є неперевищення допустимих непогашених прискорень. Установлено сферу застосування мінімально рекомендованих і мінімально допустимих радіусів кривих .