2.3. Продольный профиль железных дорог и соображение элементов железных дорог в плане и профиле

 Продольный профиль трассы, называемый проектной линией, представляет собой развертку трассы на вертикальную плоскость. Элементы (отрезки, плавно соединенные между собой) продоль­ного профиля пути характеризуются крутизной, протяжением и способами сопряжения в месте их соединения. Для поезда, движу­щегося от низшей точки к высшей, уклон является подъемом, и наоборот, если поезд движется от высшей точки к низшей (спус­кается), то уклон этого поезда будет спуском. Горизонтальный уча­сток без подъемов и спусков называется площадкой.

Преодоление подъема вызывает дополнительное сопротивление движению поезда. Чем круче подъем, тем больше это сопротивле­ние. Поэтому при расчете массы поезда, который может пройти по участку пути, учитывается влияние наиболее крутых подъемов, име­ющихся на данном участке или направлении.

Наибольший затяжной подъем на участке, по величине которо­го устанавливается расчетная масса грузового поезда при одиноч­ной тяге и расчетно-минимальной скорости для данного локомоти­ва, называется руководящим уклоном.

Руководящий уклон новой железной дороги должен выбираться на основании технико-экономических расчетов в зависимости от топогра­фических условий местности, размера, характера и темпа роста перево­зок на перспективу во взаимосвязи с расчетной массой поездов, мощно­стью локомотивов и основными параметрами проектируемой дороги, а также с учетом массы поездов, полезных значений длины станцион­ных путей и уклонов примыкающих железнодорожных линий.

На новых железнодорожных линиях руководящий уклон в грузовом направлении не должен превышать: 9 ‰ — на особогрузонапряженных линиях; 12 ‰—на линиях I категории; 15‰ — на линиях II категории; 20 ‰ — на линиях III категории; 30 ‰ — на линиях IV категории[1].

В трудных условиях допускается применять более крутые руково­дящие уклоны. При усиленной (двойной, тройной) тяге допускаемый (круче руководящего) уклон может быть 40‰. Наибольшая крутизна спусков и их протяженность должны обеспечивать безопасность дви­жения, исходя из условий работы тормозных средств поезда

На новых скоростных линиях, специализированных для пассажирского движения, допускается при технико-экономическом обосновании применять местные превышения руководящего уклона.

Уклоны, круче руководящего, преодолеваемые с использованием дополнительных локомотивов (уклоны усиленной тяги), допускается применять в местах сосредоточенных высотных препятствий с обоснованием таких решений в проекте.

Наибольший допускаемый уклон усиленной тяги следует устанавливать в соответствии с таблицей 2.5.

Крутизну ограничивающих уклонов на затяжных подъемных в кривых участках пути следует уменьшать на величину, эквивалентную дополнительному сопротивлению от кривой.

Под ограничивающими уклонами здесь и далее понимаются руководящий уклон и наибольший уклон усиленной тяги.

Целесообразность дополнительного смягчения затяжных ограничивающих уклонов из-за снижения коэффициента сцепления в кривых участках пути с радиусом 500 м и менее при электрической тяге и менее 800 м при тепловозной тяге следует обосновывать в проекте.

В проектах железных дорог с тепловозной тягой следует обосновывать целесообразность смягчения ограничивающего уклона или использование дополнительного локомотива на участках с отметками свыше 800 м над уровнем моря.

При проектировании дополнительных главных путей и усиления (реконструкции) существующих железных дорог следует сохранять существующий ограничивающий уклон; целесообразность изменения ограничивающего уклона следует обосновывать в проекте.

Таблица 2.5 - Уклоны Ж.Д. при усиленной тяге.

 

Руководящий уклон, 0/00	Наибольшие уклоны, 0/00 при усиленной тяге
	двойной		тройной
2	5		8
3		7	11
4		9	14
5		11	16,5
6		13	19
7		14,5	22
8		16,5	24,5
9		18,5	27
10		20	29,5
11		22	32
12		24	34,5
13		25,5	37
14		27,5	39,5
15		29	40
16		31	-
17		32,5	-.
18		34,5	-
19		36	-
20		37,5	-
21		39,5	-
22 и круче		40	-

Примечания:1. На криволинейных участках пути с уклонами, близкими к ограничивающим, должна быть проверена необходимость уменьшения крутизны этих уклонов. 2. Уклоны продольного профиля принимаются с округлением до 0,1 ⁰/₀₀.

Имеющиеся на существующем пути местные превышения ограничивающего уклона разрешается сохранять и на проектируемом дополнительном главном пути, если обеспечивается пропуск поездов установленной массы состава при принятом типе локомотива и расчетной скорости движения. В трудных условиях при соответствующем технико-экономическом обосновании допускается применять местные превышения ограничивающего уклона на дополнительном главном пути, если обеспечивается пропуск поездов установленной массы состава при принятом типе локомотива и расчетной скорости движения.

 Продольный профиль пути следует проектировать элементами возможно большей длины при наименьшей алгебраической разности уклонов смежных элементов.

Длина элементов профиля, как правило, не должна быть менее половины полезной дашны приемо-отправочных путей, принятой на перспективу, а на внутристанционных соединительных и подъездных путях IV категории - половины длины поезда или состава, передаваемого маневровым порядком, но не менее 100 м.

Алгебраическая разность уклонов смежных элементов не должна превышать значений   Δ iн указанных в числителе таблице 2.6. При большей разности уклонов смежные элементы следует сопрягать посредством разделительных площадок и (или) элементов переходной крутизны, длина которых при указанных значениях    Δ iн       должна быть не менее значений Iн, приведенных в знаменателе таблице 2.6. При алгебраической разности уклонов менее Д/_н длину разделительных площадок и элементов переходной крутизны допускается пропорционально уменьшать, но не менее, чем до 25 м. Уменьшенную длину элементов следует определять по формуле

                                                           (2.18)

 где Δi1 и Δi2- алгебраические разности уклонов, %о, по концам элемента профиля

Допускаемые нормы, указанные в таблице 2.6, не следует применять:

v  в углублениях профиля (ямах), ограниченных хотя бы одним тормозным спуском;

v  на уступах, расположенных на тормозных спусках;

v  на возвышениях профиля (горбах), расположенных на расстоянии менее удвоенной
полезной длины приемо-отправочных путей (расчетной длины поезда) от подошвы
тормозного спуска.

Таблица 2.6 - Требования к сопряжению элементов продольного профиля.

Категория железнодорожной линии, подъездного пути	Наибольшая алгебраическая разность уклонов смежных элементов профиля Дг %о, (числитель) и наименьшая длина разделительных площадок и элементов переходной крутизны IН, м, (знаменатель) при полезной длине приемо-отправочных путей, м
	850	1050	2•850= 1700	2 • 1050 = 2100
Рекомендуемые нормы
Скоростная	6/250	4/300	-	-
Особо-грузонапряженная	-	3/250	3/250	3/400
I	6/200	4/250	3/250	3/300
II	8/200	5/250	4/250	3 о 00
III	13/200	7/200	7/250	4/253
IV	1.3/200	3/200	3/250	-
Допускаемые нормы
Скоростная	10/250	9/300	-	-
Особо-грузонапряженная	-	10/200	5/250	4/300
I	13/200	10/200	5/250	4/300
II	13/200	10/200	6/250	4/250
III	13/200	10/200	8/250	6/250
йг	20/200	10/200	10/200	-

Примечания: 1. Временные участки трассы проектируются по нормам железных дорог IV категории при полезной длине приемо-отправочных путей 850 м.

2. При проектировании подъездных путей и временных участков в трудных условиях допускается увеличивать алгебраическую разность уклонов  Δiн до 30 %о при длинб^лементов профиля 1_Н не менее 150 м.

Смежные элементы продольного профиля следует сопрягать, в вертикальной плоскости кривыми радиусом Rв, км:

20 - на скоростных линиях; 15 - на линиях I и II категорий, 10 - на особогрузонапряженных линиях и линиях III категории; 5 - на железных дорогах IV категории. При проектировании, дополнительных главных путей и усиления (реконструкции) существующих железных дорог в трудных условиях, а также подъездных путей допускается уменьшать радиусы вертикальных кривых до, км: 15 - на скоростных линиях; 10 - на линиях I и II категорий; 5 - на особогрузонапряженных линиях и линиях III категории; 3 - на железных дорогах IV категории.

При алгебраической разности уклонов смежных элементов менее 2,0 %о при

v  R_B = 20 км; 2,3 %о

v  R_B = 15 км; 2,8 %о

v  R_B = 10 км; 4,0 %о

v  R_B = 5 км и 5,2 %о

v  R_B = 3 км вертикальные кривые допускается не предусматривать.

Вертикальные кривые следует размещать вне переходных кривых, а также вне пролетных строений мостов и путепроводов с безбалластной проезжей частью.

Для построения продольного профиля используют дан­ные технических изысканий и геодезических съемок.

При изучении продольного профиля земляного полотна железно­дорожных линий необходимо иметь в виду следующее.

Для передвижения вагона или состава надо, чтобы движущая сила (сила тяги локомотива) была больше силы сопротивления. Если движение происходит на горизонтальном участке пути, то приходится преодолевать так называемое основное сопротивление, которое возникает от трения качения колес о рельсы, трения между шейками осей вагонов и подшипниками, от ударов колес в стыках и сопротивления воздушной среды. Основное сопротивление зависит от нагрузок, типа подшипников подвижного состава (скольжения или роликовые), состояния рельсового пути, износа колес, скорости движения и других факторов. В обычных условиях основное со­противление составляет малую величину 30—40 Н на 1 т массы вагона.

Следовательно, на горизонтальных участках пути локомотив может тянуть большое количество вагонов. Поэтому крайне важно, чтобы поверхность земляного полотна, а значит, и рельсовый путь были расположены в продольном профиле горизонтально. Однако сделать это, как правило, не удается, так как железные дороги редко прокладывают на совершенно плоской местности. Для умень­шения объема земляных работ продольный профиль железных дорог проектируют так, чтобы приблизить его к естественному очертанию земной поверхности. В местах преодоления возвышенностей или оврагов и в долинах участки железных дорог наклонены к горизонту под разными углами, зависящими от местных условий. Поэтому продольный профиль линии представляет собой горизон­тальные участки (площадки) и уклоны (спуски и подъемы).

Таким образом, элементами продольного профиля линии являют­ся площадки и уклоны. Уклон для поезда, движущегося от низшей точки к высшей, называется подъемом, а обратно — спуском. Кру­тизну уклонов выражают отношением возвышения одной точки уклона над другой А(м) к горизонтальному расстоянию между ними и выражают в десятичных дробях (например, 0,005) или в тысячных (например, 5‰— пять тысячных).

При движении поезда на подъеме кроме основного сопротивления действует еще добавочное сопротивление от подъема. Оно возникает в результате того, что масса вагонов Q (рис. 2.8.)  раскладывается на две силы: силу давления вагонов Q₁, (перпендикулярную плоскости движения) и силу Q_t параллельную плоскости движения и являющуюся дополнительным сопротивлением от подъема. Дополнительное сопротивление от подъема, приходящееся на каж­дый килограмм массы вагонов, равно крутизне подъема, выраженной в тысячных. Это видно на рис. 2.8. Сила Q_t = Qsina. При малой величине углов можно приближенно считать, что sinα≈tgα. Так как tgα=i, то силу дополнительного сопротивления от подъема определяют по формуле

Q_t = Q_i.                                                                      (2.19)

 

Рис. 2.7 -  Подробный продольный профиль.

Например, при движении поезда массой 4000 т на подъем 9 ‰ сопротивление от подъема будет равно 9 * 4000 = 360 000 кН. Этот пример показывает, что локомотиву, ведущему поезд на подъеме, приходится преодолевать большое дополнительное сопротивление. Следовательно, чем больше подъем, тем меньше число вагонов (масса состава Q) может везти локомотив, обладающий определенной силой тяги.

Рис. 2.8. - Определение крутизны и усилий на уклонах.

При движении поезда в сторону спуска сила Q_t будет движущей, способствующей скатыванию вагонов вниз. С этой точки зрения спуски кажутся желательными. Но каждый спуск при движении в обратном направлении является подъемом и создает дополнительное сопротивление движению. Кроме того, на спусках большой крутизны скорости движения поездов постепенно растут, и чтобы они не превысили допустимых, применяют торможение, а от этого страдают и подвижной состав, и верхнее строение пути.

В зависимости от крутизны и протяженности различают: руководящий (расчетный) подъем i_P — это подъем, по которому определяют массу поезда (согласно нормам руководящие подъемы на важнейших дорогах не должны превышать 15‰, а на дорогах местного значения — 20 ‰); подъемы толкания, на которых в хвост поезда ставят дополнительный локомотив — толкач; подъемы двойной тяги, на которых поезда следуют с двумя локомотивами в голове, и др. Руководящий подъем устанавливают до постройки железной дороги на основе технико-экономических расчетов.

Кроме нормального продольного профиля, для которого при­нят стандартный масштаб для горизонтальных расстояний 1:10000 (100 м в 1 см), а для вертикальных 1:1000 (10 м в 1 см), составляют также сокращенный, схематический, утрированный и сжатый профили.

Сокращенный продольный профиль строят на основе продольно­го подробного профиля с повторением его основных данных в мас­штабах: горизонтальный 1:50000 и вертикальный — 1:1000. Такой профиль служит для общей характеристики подробного профиля.

Схематический продольный профиль составляют по карте или плану с горизонталями в стадии предварительного камерального трассирова­ния для сравнения вариантов проектируемой линии. За горизонталь­ный масштаб принимают масштаб карты, за вертикальный — 1:1000.

Утрированный продольный профиль составляют при проекти­ровании усиленного капитального ремонта пути, вторых путей. Горизонтальный масштаб 1:10000, вертикальный — 1:100 (в десять раз крупнее).

Сжатый продольный профиль составляют в произвольных мас­штабах. Он служит для иллюстрации на небольшом чертеже про­филя линии большой протяженности.

Переход элемента профиля одной крутизны к элементу другой крутизны называют переломом профиля. При резком переломе про­филя увеличивается давление на путь от проходящих поездов или создается опасная разгрузка отдельных колес подвижного состава. Для каждого участка железных дорог продольные профили вычерчивают по стандартной форме. Подробный продольный про­филь выполняют в масштабе для горизонтальных расстоя­ний 1:10 000, а для вертикальных 1:1000. Красным цветом показывают продольный профиль земляного полотна и его отметки (красные отметки, или отметки проектной бровки полотна), черной линией — разрез земной поверхности и ее отметки над уровнем моря (черные отметки, или отметки земли).

Уклоны профиля обозначают в особой графе наклонной чертой, причем цифра над чертой показывает величину уклона в тысячных долях, а цифра под чертой — его протяженность в метрах. Положе­ние черты показывает подъем, спуск или площадку. Разница между красными и черными отметками составляет высоту насыпей или глубину выемок и носит название рабочих отметок. Внизу профиля проставляют километраж линии и показывают пикеты (стометровки). Приводят также в условном изображении план линии с указанием радиусов и длины кривых и других характеристик. На профиле обозначают станции, путевые здания, искусственные сооруже­ния и пр.

Рис. 2.9. - Схема железнодорожной кривой с переходными кривыми

 Продольный профиль является важнейшим документом, исполь­зуемым при постройке и эксплуатации железных дорог.