1.4 Эксплуатационная классификация железных дорог

При решении вопросов содержания и ремонта пути необходимо учитывать классность путей и соответствующие требования конструктивным особенностям всех основных элементов.

Тяга. Наиболее важными параметрами, влияющими на движение поезда, являются сила тяги локомотива и удельное сопротивление подвижного состава. Последнее выражается в расчете на вес типичного (например, грузового или пассажирского) вагона. Чтобы перемещать с малой скоростью по горизонтальному прямолинейному профилю обычный грузовой вагон весом 30 т, необходима тяга в 90 кг (т.е. к тонне веса пустого вагона надо приложить движущую силу в 3 кг). Для движения там же того же вагона с грузом 60 т потребуется тяга всего в 130 кг (т.е. 1,4 кг/т). При движении на малой скорости пассажирского поезда с вагонами весом 60 т на том же участке пути требуется преодолевать удельное сопротивление 2,2 кг/т. Поскольку пассажирские поезда обычно ходят быстрее товарных, при их движении следует учитывать и сопротивление воздуха, для преодоления которого необходима дополнительная тяга, что в итоге может потребовать от 3,6 до 5,4 кг/т в диапазоне скоростей от 113 до 160 км/ч. Удельное сопротивление при тяжелых рельсах на балласте из скального щебня меньше, чем при легких рельсах на мягком балласте. Кроме вышеупомянутых факторов, на величину требуемой тяги влияют уклоны (так, на участке пути с подъемом в 1% нужно увеличивать тягу на 9 кг/т) и повороты (каждый дополнительный угловой градус кривизны пути требует от 0,2 до 0,7 кг/т тяги).

Скорость. Основные ограничения скорости движения по железной дороге диктуются свойствами ее полотна, верхнего строения пути и особенностями конструкции железнодорожного колеса. Стандартная колея представляет собой довольно узкую базу, которая должна выдерживать все нагрузки от железнодорожного состава. Верхние пределы скорости обусловлены еще и тем, что у каждого колеса гребень (реборда) имеется лишь с одной стороны, и потому практически только сила тяжести удерживает вагоны и локомотивы на рельсах. Источниками возмущений динамической устойчивости движущихся составов являются пересечения путей и их сопряжения с переводными стрелками. Такого рода препятствия ограничивают скорость движения величиной 210 км/ч при идеальном состоянии средств и оборудования железной дороги. Однако это идеальное состояние практически недостижимо из-за многих причин. Поэтому на магистральных железных дорогах максимально допустимая скорость товарных поездов составляет 80-90 км/ч. Трудно обеспечивать движение на повышенных скоростях даже пассажирских поездов, для которых тоже существуют экономически обоснованные ограничения скорости, связанные с износом и пределами прочности конструкции узлов подвижного состава. Повороты пути тоже ограничивают скорость. Действие центробежной силы можно до некоторой степени скомпенсировать, поднимая на поворотах внешний рельс относительно внутреннего, но разницу между их уровнями нельзя делать больше 15 см. При повороте на 1° (радиус кривизны поворота 1750 м) нельзя развивать скорость более 150 км/ч; при повороте на 2° скорость надо снижать до 80 км/ч; при 3° - до 65 км/ч; при 5° (радиус кривизны 349 м) - до 50 км/ч. На скоростных трассах следует исключать повороты более 2°. Тем не менее, повороты железнодорожного пути более 3° встречаются даже на равнинах; в гористой местности нередко приходится делать повороты в 8° и даже 10°. Ограничивает скорость движения и многое другое - условия движения по мостам и в тоннелях, на пересечениях путей, на стрелках, на спусках (где особенно важно контролировать скорость, учитывая возможности тормозной системы). Трение между рельсом и железнодорожным колесом является одним из важнейших факторов функционирования железной дороги. Когда рельсы покрываются влагой или наледью, их посыпают песком, чтобы колеса не пробуксовывали. Максимальное значение силы трения между колесом и рельсом, необходимое для торможения поезда или его разгона, равно четверти веса, приходящегося на это колесо. Поскольку для экстренного ускорения или замедления движения железнодорожного состава необходимо относительное тяговое усилие в 45 кг/т, торможение изменением нагрузки на колесо ограничивается максимальным значением соответствующего замедления в 8 км/ч за 1 секунду.

Габариты единицы подвижного состава. Важной характеристикой являются габариты вагонов и перевозимых ими грузов, какие допустимы при передвижении мимо придорожных строений, в тоннелях и под мостовыми сооружениями. На американских железных дорогах рекомендуется оставлять стандартное свободное пространство шириной 4,9 м до высоты 4,9 м над головками рельсов. Таким образом, допустимая ширина транспортного средства не намного превышает 3 м в наиболее широкой его части, а максимальная высота его над рельсами ограничена 4,4-4,6 м. Расстояние между центральными линиями магистральных путей составляет 4 м, и, поскольку на поворотах транспортное средство заносит, длина единицы подвижного состава несочлененного типа ограничивается 26 м. Конечно, старые участки дорог и боковые ветки не отвечают стандартным требованиям. Из-за этого железнодорожному транспорту иногда приходится совершать объезды по окольным маршрутам и нередко продвигаться на малых скоростях. Все эти габаритные ограничения оказывают влияние на конструктивные решения и мощность локомотивов. Нагрузка на ось единицы подвижного состава является еще одной важной эксплуатационной характеристикой железнодорожного транспорта. Она зависит от различных параметров: размеров рельсов, расположения шпал, состояния железнодорожного полотна, прочности мостовых конструкций и т.п. Нагрузка на ось может достигать 29 000 кг. Вследствие этого стандартные крытые вагоны выпускаются грузоподъемностью 50-60 т, хопперы - от 70 до 100 т, крытые хопперы - 100 т. Вес локомотива может достигать 200 т. Обычно мощность дизельного тепловоза составляет от 2200 до 2650 кВт. В зависимости от рельефа местности и общего веса состава к нему иногда подцепляют до 6 тепловозов. При начале движения локомотив может развивать тяговое усилие, равное 30% его полного веса, а на уклонах - до 240 т. Локомотивы той же мощности, предназначенные для пассажирских поездов, могут развивать такую же тягу при разгоне, а на уклонах - до 18 т на единицу подвижного состава.

Торможение. Чтобы остановить поезд, необходимо рассеять его кинетическую энергию, а на спуске еще и преодолеть скатывающее действие составляющей силы тяжести. Это выполняется с помощью тормозов, установленных на каждой единице подвижного состава и срабатывающих от автоматического привода, управление которым находится на локомотиве. Широко используются пневматические тормоза. В каждом вагоне имеется свой резервуар со сжатым воздухом, который при торможении поступает в тормозные цилиндры, так что остановить любой вагон можно и в том случае, если он отцепится от состава. Обычно торможение осуществляется снижением давления воздуха в системе, состоящей из проходящей вдоль всего поезда магистрали и патрубков к тормозным цилиндрам. При непредвиденном отцеплении вагона от поезда его тормоз срабатывает автоматически. Недостатком такой тормозной системы является то, что тормоза всех вагонов срабатывают не одновременно, так как скорость распространения изменения давления воздуха по магистрали не может быть больше скорости звука в воздухе (в технических устройствах она обычно не превосходит 120 м/с). Следовательно, последний вагон в составе из 150 вагонов начинает тормозиться лишь через 15 с после торможения первого вагона, что приводит к опасной задержке торможения и большой длине тормозного пути. На пассажирских поездах экономически оправданно применение более совершенных тормозов. В тормозных системах высокоскоростных поездов используют электропневматические тормоза, т.е. воздушные тормоза на каждом вагоне с централизованным электрическим их управлением. Если поезд, идущий со скоростью 160 км/ч, после включения чисто пневматических тормозов пройдет еще 2100 м до полной остановки, то при включении электропневматических тормозов это расстояние сокращается до 1200 м.

Вес поезда. С учетом технических возможностей железнодорожного транспорта вес товарных поездов составляет 6000-10 000 т, а число вагонов 80-100; вес пассажирского поезда ограничивается 1500 т. При этом расход энергии и рабочих человеко-часов на тонно-километр перевозок оказывается минимальным.

Движение поездов. Расписание и порядок прохождения поездов. До появления телеграфа управление движением поездов на железных дорогах осуществлялось на основе расписания и правил, предписанных линейной администрацией. Этими правилами устанавливались распорядок преимущественного пропуска поездов различных классов и минимальный интервал от 5 до 10 минут между поездами, идущими в одном направлении. Кроме того, специальные дежурные сигнальщики отвечали за безопасность состава, который в случае остановки отправлялся только после поднятия ими флажков, разрешающих начало движения. С введением телеграфа была создана диспетчерская служба управления движением поездов, что позволило вносить изменения в расписание и правила линейной администрации.

Блок-перегоны. Заданный интервал между проходящими поездами обеспечивается путем разбиения перегонов между станциями на более мелкие участки, именуемые блок-перегонами, на концах которых устанавливаются блок-посты со средствами сигнализации о занятости и свободе участка. Поначалу сигналы подавались вручную станционными и линейными работниками железных дорог. При этом сигнал, разрешающий въезд поезда на блок-перегон, сигнальщик выставлял только тогда, когда уже был оповещен сигнальщиком следующего блок-перегона о прохождении впереди идущего поезда. Кроме того, при однопутном движении надо было проверять и отсутствие встречного поезда. Позже была разработана система электрической сигнализации, в которой ток пропускался по обоим рельсам, благодаря чему определялось не только отсутствие поезда на блок-перегоне, но и разрывов рельсов на нем. Эта же система применяется и поныне. Короткозамкнутая цепь образуется парой рельсов и перемычкой из колес поезда и оси между ними. Из-за большого тормозного пути скоростного поезда необходимо контролировать его приближение к блок-перегону на значительном расстоянии до него. Поэтому еще во времена ручной сигнализации были введены заблаговременные оповещения о разрешении или запрете въезда на блок-перегон. Осуществить это в системе электрической сигнализации оказалось довольно легко, и в простейшем случае аналогичные сигналы на последовательных блок-постах приобрели один и тот же вид. Приближаясь к занятому блок-перегону, машинист видит желтый свет или повернутое под углом 45° крыло семафора, установленного на расстоянии несколько больше тормозного пути от границы занятого блок-перегона, где в это время горит красный свет или крыло семафора расположено горизонтально. Первое сигнальное показание означает "Приготовиться к остановке у следующего блок-поста", а второе — "Стоп".