Железнодорожные технологии

“Железные дороги, предназначенные для перевозки насыпных грузов, должны проектироваться с небольшим уклоном. Железнодорожные магистральные линии для скоростных пассажирских поездов могут иметь более крутой уклон.”


Инфраструктура
Как правило, железнодорожная инфраструктура представляет собой комплекс постоянных сооружений, включающих следующие основные компоненты:

Компоненты железнодорожной инфраструктуры

Базовая железнодорожная инфраструктура включает в себя земляное полотно, песчаную подушку, балласт, шпалы (также известные как поперечины), рельсы и путевые скрепления, которые фиксируют рельсы в определенном положении по отношению к шпалам и друг к другу.13 Данные сооружения, составляющие основу железнодорожной инфраструктуры, должны проектироваться с учетом предполагаемого назначения железной дороги. Железным дорогам, предназначенным для перевозки тяжелых грузов, понадобится плотная песчаная подушка, не содержащая таких проблемных образований, как, например, мягкие болотистые почвы, а также значительная прослойка из твердого щебня, обычно гранитного. Балласт также должен быть представлен твердым щебнем; толщина прослойки должна быть достаточна для распределения нагрузки по всей песчаной подушке, а размер щебня должен обеспечивать беспрепятственный сток воды в водоотводные сооружения, прилегающие к откосам поперечного профиля верхней части балластовой призмы. Одним из основных преимуществ железной дороги являются очень низкие затраты энергии, необходимой для перемещения стальных колес по стальным рельсам.

Однако ввиду того, что сила трения между стальными колесами и стальными рельсами ничтожно мала, железная дорога должна иметь пологие уклоны – мягкий подъем и мягкий спуск. Как отмечалось ранее, обычно железные дороги проектируются с уклонами от 1,0 до 2,0 процентов (10-20 метров на километр).14 Проектировщики железных дорог применяют различные технологии для минимизации вертикальных уклонов; некоторые из них представлены ниже на диаграмме.

Технологии минимизации вертикальных уклонов

Проектировщики используют мосты и туннели для решения проблем с вертикальным уклоном на территориях с особенно сложным ландшафтом, прокладывают пути напрямую сквозь холмы, засыпают впадины, зачастую используя грунт, оставшийся после прокладки туннелей, т.е. делают все для того, чтобы железнодорожное полотно было как можно более ровным. Они также строят разного рода водоотводные сооружения, такие, как водопропускные трубы — бетонные трубы либо коробчатые сооружения, по которым вода протекает под железнодорожными путями, – а также дренажные канавы.

Ниже на схеме короткого железнодорожного пути приводятся другие термины, часто используемые при разработке проектов строительства железных дорог: Схема короткого железнодорожного пути

На данной схеме изображены разнообразные компоненты инфраструктуры — пункты технического обслуживания, путевые стрелки (другое название – стрелочные переводы) и стрелочные съезды, позволяющие поездам переходить с одного пути на другой, а также ремонтный и сортировочный парки, где грузовые и пассажирские вагоны группируются в соответствующем порядке перед отправлением поезда. Приспособление, известное как «горловина», используется для поворачивания локомотивов и даже целых составов в обратном направлении. Оно пришло на смену поворотной платформе, которая ранее применялась для этих целей.


Одноколейные и двухколейные железные дороги
Многие железные дороги являются одноколейными. Поезда отправляются со станции или из парка с множеством железнодорожных путей, прибывают на следующую станцию или в парк по одному железнодорожному пути. Только один поезд может одновременно передвигаться по одноколейной железной дороге. Зачастую через определенные промежутки на пути следования поезда одноколейные железнодорожные линии оборудуются разъездными путями, благодаря которым составы, двигающиеся в противоположных направлениях, могут встретиться и разъехаться. Пропускная способность железнодорожной линии определяется тем, сколько времени требуется поездам для преодоления расстояния между разъездными путями.
Традиционно инженеры-путейцы рассчитывают приблизительную суточную пропускную способность железнодорожной линии, используя «Формулу Скотта» (Рисунок 2.4), согласно которой:

N = E x 24 x 60 x T

где N = Количество поездов/сутки
E = Эффективность системы сигнализации (обычно варьируется от 0,7 до 0,9)
T = Выраженное в минутах максимальное время следования и остановки на участке между разъездными путями на данной железнодорожной линии

Формула Скотта для расчета пропускной способности железнодорожной линии

Составы обычно обладают достаточно большой массой, но низкие потери на трение, благодаря которым достигается высокая энергоэффективность железнодорожных перевозок, в то же время не позволяют останавливать их достаточно быстро. Каждое колесо грузовых и пассажирских вагонов оборудовано пневматическим тормозом, при необходимости замедляющим движение и останавливающим поезд, но, несмотря на это, для полной остановки состава требуется довольно большое расстояние: в большинстве случаев от километра и более. Чем выше скорость поезда и чем он тяжелее, тем больше времени необходимо для его остановки. Аналогично, требуется больше времени и большее расстояние для того, чтобы вывести тяжелый поезд с разъездного пути и разогнать его до нужной скорости. Данные факторы принимаются во внимание при определении значения показателя «T» в приведенном выше уравнении. Для одноколейных железных дорог со скоростью движения около 100 км/ч, оборудованных современной системой сигнализации и разъездными путями (разъездные пути выдерживают поезда стандартных размеров), пропускная способность одноколейной железнодорожной линии составляет 30 поездов в сутки (при условии, что половина из них движется в одном направлении, а другая половина – в другом). При увеличении количества поездов увеличивается и взаимовлияние между ними, приводя к более длительным задержкам в пути. Инженеры-путейцы используют различные приемы для повышения пропускной способности: увеличивают скорость движения поездов (это уменьшает значение параметра T в уравнении), прокладывают больше разъездных путей (что также способствует уменьшению значения параметра T), модернизируют системы сигнализации (повышая значение параметра E).

При дальнейшем увеличении количества поездов, следующих по железной дороге, имеющиеся разъездные пути объединяются в участки двухколейного железнодорожного полотна, что позволяет поездам разъезжаться друг с другом, не сбавляя скорости, при этом экономя время на остановке и разгоне. В конечном итоге, для еще большего увеличения пропускной способности железнодорожной линии всю ее придется сделать двухколейной. Правда, и у двухколейных железных дорог имеются определенные проблемы с пропускной способностью. Поезда могут следовать друг за другом на расстоянии как минимум равном тормозному пути самого медленного из них; в случае перевозки смешанных грузов некоторые поезда могут двигаться медленно – либо за счет многочисленных остановок, либо большой массы груза, в то время как другие могут идти с достаточно большой скоростью. Большая разница в скорости поездов в определенной степени ограничивает пропускную способность даже двухколейных железнодорожных линий, так как поездам приходится переходить с одного пути на другой для обгона более медленных составов. Некоторым городским железнодорожным системам требуется до шести колей для обеспечения необходимой пропускной способности в густонаселенных районах города.

Сигнализация и авторегулировка
Центр диспетчерского управленияНа большинстве железных дорог с высокой пропускной способностью для регулировки движения поездов устанавливаются специальные системы сигнализации; по принципу действия они похожи на дорожные светофоры, и они позволяют поездам двигаться в обоих направлениях, как по одноколейным, так и по двухколейным железным дорогам. На одноколейных дорогах системы сигнализации могут работать только на разъездных путях или станциях. Современные системы сигнализации способны отслеживать движение поезда, и их индикаторы связаны со стрелочным механизмом для предотвращения перехода поезда на путь, по которому уже движется другой поезд. «Автоматическая блокировка» – это общепринятый термин для обозначения систем сигнализации, связанных с текущим разъездным путем, а также последующим и предыдущим путями, для обеспечения безопасности движения поездов.

В основе передовых систем сигнализации лежат централизованные системы управления для покрытия больших территорий. В самых современных системах используются специальные компьютерные технологии, которые помогают диспетчерам в принятии сложных решений о том, какой поезд следует ускорить, а какой наоборот – задержать. Современные системы сигнализации представляют собой компьютеризированные системы управления, в которых применяются сложнейшие цифровые системы коммуникации. Данные системы способны принудительно подавать необходимые сигналы и автоматически останавливать поезда при возникновении угрозы безопасности движения. Слева показана часть современной системы управления движением поездов.

Электрификация
Большинство скоростных железных дорог и железных дорог с высокой пропускной способностью электрифицированы; на них используются электрические локомотивы, которые обычно снабжаются электроэнергией от воздушных линий электропередачи, но иногда, на внутригородских железных дорогах, источником электроэнергии может служить система тяги с контактным рельсом, проходящая по поверхности земли. Ниже на схеме представлены компоненты электрической распределительной системы и путевые сигналы. Основными элементами системы сигнализации являются сигнальные будки, индикаторные системы (на некоторых железных дорогах сигнальнoе табло установлено внутри локомотива, а не вдоль путей), а также сигнальные кабели и кабели связи, необходимые для управления этими системами. Система электрификации состоит из следующих компонентов: мачты или столбы и система цепной подвески, по которой электрический ток поступает к локомотиву. В воздушных системах, аналогичных системе, изображенной ниже, локомотивы оборудованы пантографами на крыше для приема электрического тока.

При движении поезда пантограф скользит вдоль системы цепной подвески. При электрификации железных дорог соблюдается ряд установленных электрификационных стандартов; на сегодняшний день самым распространенным является 25 кВ переменного тока для магистральных железных дорог, но вместе с тем есть много систем, отвечающих стандарту 3 кВ постоянного тока, ряд систем, соответствующих стандарту 15 кВ переменного тока и несколько систем, построенных согласно стандарту 1,5 кВ постоянного тока. На многих городских железных дорогах используется напряжение 1.5 кВ постоянного тока, но все же в большинстве случаев сегодня применяется напряжение 750 В постоянного тока. Для электрификации чаще всего используют воздушные системы распределения электроэнергии наподобие системы, изображенной на схеме, но в некоторых случаях применяются системы тяги с третьим (контактным) рельсом.

Право пользования воздушным пространством

Они отличаются большей компактностью, меньшими габаритами и более узкими туннелями; большинство из них используют напряжение 600-750 В постоянного тока.

Магистральным пассажирским железным дорогам электрификация дает преимущество высокой удельной мощности на единицу массы – достаточно большая мощность (в киловаттах или лошадиных силах) обеспечивается в относительно легких локомотивах ввиду того, что локомотивам не требуется дизельный двигатель и генератор. Это преимущество особенно полезно, когда поезд должен двигаться с большой скоростью (например, свыше 150 км/ч) и когда необходимо обеспечить высокие показатели разгона при остановке и отправлении поезда. Электрификацию имеет смысл использовать на грузовых железных дорогах, особенно на тех, которые обладают большой пропускной способностью (не менее 40 миллионов длинных тонн в год) и более высокими ценами на дизельное топливо по сравнению с тарифами на электроэнергию.

Электрификация железной дороги стоит очень дорого, в среднем 3,0-5,0 миллионов долларов США/километр, включая подстанции. Электрификация может также потребовать существенной модификации имеющихся систем сигнализации, мостов и туннелей для обеспечения больших габаритных ворот в связи с установкой цепной контактной подвески. Высокие первоначальные издержки и постоянные расходы на техническое обслуживание заставляют руководство большинства коммерческих железных дорог тщательно взвешивать все «за» и «против» электрификации. Несмотря на это, по некоторым данным, около 25 процентов железнодорожных линий в мире электрифицированы, и более 50 процентов железнодорожного транспорта работает на электрической тяге.

В зависимости от источника электроэнергии (например, силовые установки с низким уровнем выбросов) и его удаленности от железнодорожного полотна (так как до 30 процентов электроэнергии, производимой электростанцией, теряется в процессе ее передачи) электрифицированные железные дороги могут помочь снизить вредное воздействие железнодорожного транспорта на окружающую среду.

Железнодорожная колея
Инженеры-путейцы часто обсуждают «габарит нагрузки» железной дороги, который представляет собой комбинацию ширины рельсовой колеи, размеров габаритных ворот и максимальной осевой нагрузки. Ширина рельсовой колеи измеряется как расстояние между внутренними поверхностями рельсы, см. рисунок слева. Несмотря на то, что в мире используется огромное множество значений для ширины рельсовой колеи, самые распространенные из них приведены на Рисунке 2.5.

Значения ширины рельсовой колеи

Ширина колеиВо многих странах железные дороги строятся с использованием сразу нескольких значений ширины рельсовой колеи. Почему же тогда одна ширина предпочтительнее другой? На это есть две основные причины – традиции и затраты. Многие железные дороги были построены зарубежными инженерами, которые использовали ширину рельсовой колеи, принятую в их странах. Вторая причина – это затраты: при строительстве узкое расстояние между рельсами обходится дешевле, чем широкое ввиду того, что расход материалов меньше, меньше грунта приходится выкапывать или взрывать, туннели можно делать уже; при меньшей ширине рельсовой колеи также требуется меньшее количество гравия и можно использовать меньшие по размеру и более дешевые шпалы. Когда железнодорожная сеть только развивалась и в основном использовалась в качестве средства сообщения в местах разработки полезных ископаемых и других природных ресурсов, инвесторы часто строили железные дороги с меньшей шириной рельсовой колеи для минимизации своих издержек. Например, некоторые латиноамериканские железные дороги, предназначавшиеся для транспортировки бананов, имеют ширину рельсовой колеи всего 560 мм, так как такие дороги можно было быстро и дешево построить, а затем довольно легко переместить.

“Два фактора влияют на ширину железнодорожной колеи– это либо традиции, либо затраты.”


Каковы преимущества различной ширины рельсовой колеи? Более широкая колея предпочтительнее для железных дорог, которые планируется использовать для перевозки тяжелых грузов; широкая колея обеспечивает стабильность железнодорожного полотна, снижает нагрузку на рельсы и увеличивают срок службы компонентов железной дороги. В середине 80-х годов прошлого века компания «Вале» (CVRD) построила новую широкую железнодорожную линию протяженностью 1000 км в долине Амазонки с целью транспортировки крупных партий полезных ископаемых. Однако железные дороги и с более узкой колеей способны не менее эффективно перевозить тяжелые грузы. Компания «Вале» владеет еще одной железной дорогой в Бразилии, очень узкой дорогой с капской шириной рельсовой колеи (EFVM), по которой перевозится более 120 миллионов тонн железорудного концентрата с гор в штате Бело Хоризонте до порта отгрузки на побережье Атлантики. Данная железная дорога также перевозит пассажиров и универсальные грузы. В Южной Африке железные дороги с аналогичной шириной рельсовой колеи успешно используется для транспортировки миллионов тонн угля.

Большая часть железных дорог, используемых сегодня для перевозки тяжелых грузов, имеют стандартную ширину рельсовой колеи, вероятно, в связи с наличием широкого выбора подвижного состава, соответствующего данному стандарту, а также большого количества поставщиков компонентов, систем и сопутствующего оборудования для железных дорог со стандартной шириной рельсовой колеи. Использование стандартной ширины рельсовой колеи можно считать хорошим компромиссом между дешевыми узкоколейными железными дорогами и дорогими ширококолейными. Вопрос о ширине рельсовой колеи является важным лишь на этапе проектирования (в связи с расчетом затрат на строительство) и теряет свою значимость, когда железнодорожная линия уже построена и введена в эксплуатацию.

“Оптимальная ширина колеи – это та, которая уже используется; тем не менее, новые обособленные железнодорожные линии могут иметь любую необходимую ширину колеи. Все же в большинстве случаев использование стандартной ширины колеи является хорошим компромиссным решением.”


Новая железная дорога должна соответствовать требованиям к ширине колеи, действующим в конкретном регионе при условии, что после ее постройки она станет частью национальной железнодорожной сети. Однако, если новая железнодорожная линия независима от других линий и имеет четко определенное предназначение, выбор ширины рельсовой колеи будет зависеть от проектного решения, предпочтительного в данном случае. Учитывая, что для скоростной перевозки пассажиров используются железные дороги с разной шириной колеи, новая железнодорожная линия, используемая для таких перевозок, вероятнее всего будет иметь стандартную ширину колеи, так как большая часть специализированного подвижного состава для данной железной дороги спроектирована (и изначально предназначена) для использования на железнодорожных путях со стандартной шириной колеи. Например, в Испании национальная железная дорога имеет иберийскую ширину рельсовой колеи, равную 1668 мм, но вместе с тем власти страны использовали стандартную ширину при строительстве высокоскоростных железнодорожных линий для того, чтобы их можно было легко соединить с существующими французскими и европейскими линиями.

Ввиду того, что большинство железных дорог в мире имеют стандартную ширину колеи, выбор стандартного подвижного состава, а также ремонтного и строительного оборудования для железных дорог, отвечающих данному стандарту, особенно широк. В целом рекомендуется строить новые железнодорожные линии со стандартной шириной рельсовой колеи, за исключением случаев, когда такая линия должна стать частью национальной железнодорожной системы, имеющей другую ширину колеи, а также при наличии какой-либо другой существенной причины выбрать другую ширину рельсовой колеи.

Габаритные ворота или погрузочный габарит
Габаритные воротаТермин «погрузочный габарит» железной дороги также служит для обозначения габаритных ворот (изображены на схеме слева) для подвижного состава. Габаритные ворота также определяют размеры проемов в туннелях и под мостами, а также расстояние от оси железнодорожного пути до станционных платформ, указателей, сигнальных огней и другого путевого оборудования. Железным дорогам с воздушной электрификацией потребуется больший вертикальный габарит, но погрузочный габарит будет все равно определяться с учетом максимального размера подвижного состава. Как правило, в габаритных воротах учитываются проектные характеристики и длина вагонов, а также делаются поправки на возможное покачивание подвижного состава при движении. Размер габаритных ворот должен обязательно учитываться всякий раз, когда руководство железной дороги принимает решение о введении в эксплуатацию нового подвижного состава нестандартного размера, такого, как двухуровневые пассажирские вагоны или железнодорожные платформы для перевозки контейнеров в два яруса, которые могут потребовать расширения габаритных ворот.



Нагрузка на ось
Нагрузка на ось — отношение предельно допустимого веса груженного железнодорожного вагона или локомотива к числу осей, имеющихся на подвижном составе, – это основной показатель физических возможностей и прочности инфраструктуры. Нагрузка на ось является важным элементом погрузочного габарита железной дороги, в то время как предельно допустимые нагрузки на ось и масса порожних грузовых вагонов играют ключевую роль при определении эффективности и устойчивости железнодорожного транспорта.

Многие старые железные дороги были построены согласно стандарту 16-18 тонн на ось. В Индии, России и Китае в качестве предельно допустимых значений использовались 22,5-23,5 тонн. Железные дороги, специально предназначенные для перевозки тяжелых грузов, предусматривают максимальную нагрузку в 32,5 тонн на ось (это стандартное значение для Северной Америки, хотя некоторые железнодорожные линии выдерживают нагрузку и в 36 тонн на ось); а в Австралии была спроектирована новая большегрузная железная дорога, способная стабильно работать при осевой нагрузке в 40 тонн на ось.15.

Масса порожних грузовых вагонов может серьезно повлиять на эффективность железной дороги. Ранее проектные решения подвижного состава не были столь точным, как сегодня, а применявшиеся технологии производства и литья стали не могли обеспечивать высокое качество готовых изделий, в результате чего вагонные компоненты получались более громоздкими и тяжелыми, чем могли бы быть. Тем не менее, сейчас современные системы производства и проектирования, а также высокопрочные сплавы стали и алюминия позволяют изготавливать гораздо более легкие грузовые вагоны, обладающие при этом большей вместимостью.

Нагрузка на ось

Выше в таблице приводятся наилучшие соотношения тонно-километра брутто и тонно-километра нетто, которых можно добиться в данных условиях. На практике получить такие высокие коэффициенты не удается в связи с «броуновским» движением железнодорожных составов – они следуют в неправильном направлении либо меняют маршрут, проходят очистку перед следующей загрузкой, отправляются на ремонт или на плановый осмотр. Как правило, средние значения коэффициентов для грузовых железных дорог варьируются в диапазоне от 1,8 до 1,9. Для железных дорог с предельными легкими осевыми нагрузками отношение тонно-километра брутто к тонно-километру нетто, как правило, выше 2,0. Вагоны для перевозки тяжелых грузов и платформы для транспортировки контейнеров в два яруса наоборот являются самыми эффективными видами железнодорожного транспорта. В случае с вагонами для перевозки тяжелых грузов их конструкция и высокие показатели предельной нагрузки на ось компенсируют потери времени, связанные с возвращением порожняком большей части подвижного состава для повторной загрузки. Платформы для транспортировки контейнеров в два яруса имеют низкий коэффициент соотношения тонно-километра брутто к тонно-километру нетто из-за высоких предельных нагрузок на ось, небольшого веса порожних вагонов, универсальности контейнеров и необходимости возврата пустых контейнеров. Значение коэффициента для вагона для перевозки обычных грузов, имеющего нагрузку в 22,5 тонн/ на ось и 30 процентов пустого хода, на практике в среднем равно 2,0. Данный вид вагонов характерен для России, Китая и Индии. С этой точки зрения, легковесный дорожный транспорт, вероятно, используемый для перевозки на небольшие расстояния, не отличается большой эффективностью; в то же время большегрузный дорожный транспорт способен обеспечить достаточно высокую эффективность.

Модуль упругости подрельсового основания
Как правило, прочность инфраструктуры измеряется при помощи модуля упругости подрельсового основания – он позволяет рассчитать степень жесткости или сопротивляемости вертикальному прогибу под нагрузкой. Так, чем больше значения, выдаваемые модулем упругости, тем выше степень жесткости, больше предельная нагрузка на ось и износостойкость. Модуль упругости подрельсового основания определяется многими факторами — шириной рельсовой колеи, массой рельс, типом шпал и расстоянием между ними, типом балласта и его толщиной, а также качеством земляного полотна. Образцы значений модуля приводятся ниже на рисунке. Большие значения говорят о большей жесткости и более стабильном состоянии инфраструктуры.

Модуль упругости подрельсового основания

Реформы в сфере железнодорожных перевозок и инвестиции, способствующие повышению предельных нагрузок на ось, приобретению современных легких вагонов, совершенствованию механизмов управления подвижным составом и укреплению инфраструктуры, – это те меры, благодаря которым повышается рентабельность железных дорог и обеспечивается их устойчивое развитие.

    


13 Путевые скрепления состоят из накладок, костылей, болтов, хомутов и анкеров - все эти приспособления предназначены для сцепления рельсов и шпал и сохранения между ними необходимых промежутков.
14 За исключением скоростных железных дорог, которые используют большую удельную мощность на единицу веса для достижения высоких скоростей. Такие железные дороги можно строить и с более крутым уклоном - до 5 процентов.
15 Изначальная осевая нагрузка на железную дорогу составит 32,5 метрические тонны, а затем по прошествии ряда лет в результате отвердения рельс и утрамбовки земляного полотна показатель предельной осевой нагрузки вырастет до 40 тонн/ось, что наглядно покажет воздействие постоянных высоких нагрузок и частого движения поездов на качество железнодорожного полотна.


Копирайт ©  Всемирный банк. Все права защищены. Правовая информация