Cучасні елементи конструкції контактної мережі

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 .