Назначение транспортной системы и сферы ее применения прямо влияют на: исполнение пути (на эстакаде, насыпи или в тоннеле); характер и параметры трассы в зависимости от рельефа поверхности местности; системы магнитного подвеса и ЛТЭП, которые позволяют определить электромагнитное сопротивление движению (ЭСД), возникающее в процессе взаимодействия токов, индуктированных в путевой структуре.
На основе этого необходимо добавить ряд новых технических требований, касающихся бесконтактных тяги и магнитного подвеса и направления экипажа; его торможения и опирания на путевую структуру и продвижения по ней в нерабочем состоянии, а также возможности оценки экономических, прочностных, технологических, эксплуатационных достоинств и недостатков в том числе: подсистем магнитного подвеса и ЛТЭП в направлении обеспечения ими надежного и безопасного выполнения своих основных функций в транспортной системе; номинальной величины и пределов изменения воздушного зазора между ЭМП и направлением и феррорельсом при самом неблагоприятном сочетании сил (рис. 7.2): Р — от действия массы экипажа; Р2 — центробежных, возни-
Рис. 7.2. Расчетная схема экипажа н действующие на него силы кающих в сопряжениях профиля пути и местных неровностей; Рз, Р4 — вертикальных и горизонтальных аэродинамических; Р5 — от действия непогашенных ускорений при прохождении кривых с учетом местных неровностей; систем и эффективности служебного, экстренного и аварийного торможения; структуры пути (одно- или двухпутный, эстакада, необходимые размеры); расчетных нагрузок пути с учетом перечисленных выше сил; переходных кривых, подъемов и уклонов пути в зависимости от Ушах, допустимых нагрузок на элементы конструкции и комфорта; устройств переводов и раздельных пунктов; продолжительности суточной работы, подвижного состава.
Пассажиропотоки свыше 20 млн. в год предопределяют строительство двухпутных наземных транспортных систем для бесконтактного движения [32]. В густонаселенных районах наиболее благоприятное решение всех сопутствующих проблем возможно при использовании в качестве путевой структуры эстакады, состоящей из сборных элементов в виде пролетных строений определенной длины и опор различной конструкции [8, 15, 64].
Наименьший радиус кривых в плане находится в непосредственной зависимости от параметров системы магнитного подвеса и направления, а наибольший направляющий уклон — от параметров привода и тормозной системы. Поэтому их выбор для проекта трассы требует предварительной оценки наилучшего соответствия между технической мощностью системы магнитного подвеса и направлением и приводов от ЛТЭД, с одной стороны, и параметрами трассы — с другой. Наименьшие допустимые радиусы кривых в вертикальной и горизонтальной плоскостях и элементы, их сопрягающие, должны определяться допустимыми ускорениями. При этом согласно [46]
Vі
п шах
-хвmіn, иг, і ’
3,62 [ав]
где [ая] =0,08ч-0,5 м/с2.
Для высокоскоростных железных дорог в СССР принимают #min, соответствующие [йв] =0,3 М/с2, Т. е. ^ВЩ|П -П2тах/3,89.
Исследованиями [46] установлено следующее: на гиперболическую зависимость RBm
(aB) в наибольшей мере скорость vmax влияет в диапазоне авдоп, т. е. до 1 м/с2; проектирование пути для каждой утах должно быть отдельно, поскольку характеристики пути, например, для vmax, равных 400 и 500 км/ч, различны (табл. 7.1). С учетом авдоп Для бесконтактного транспорта с ЭМП для движения с цтах=400 км/ч ^Bmin^12 500 м, а для колесного — 40 000 м при [ав]=1 м/с2 и 155 000 м при 0,08 м/с2. Взаимодействие на путь центробежных сил от сопряжений профиля меняется в зависимости от допустимых значений [ав]. В частности, для экипажа массой 40 т они составят при [ав] =
7,1. Наименьшие радиусы кривых пути в вертикальной плоскости в зависимости от скорости движения
|
»ПЫХ, К“/4 |
*,П,|Л‘ м, при [ав], |
м/с2 |
|||
|
0,08 |
0,3 |
0,5 |
0,7 |
»,0 |
|
|
100 |
9700 |
2600 |
1550 |
1100 |
770 |
|
200 |
38000 |
10300 |
6200 |
4400 |
3050 |
|
300 |
87000 |
23100 |
13900 |
9900 |
6950 |
|
400 |
154000 |
41200 |
24700 |
17600 |
12350 |
|
500 |
242000 |
64500 |
38600 |
27600 |
19300 |
= 1 м/с2— 40,8 кН, при 0,3 м/с2-12,2 кН, а при 0,08 м/с2 — 3,3 кН.
Для трассировки в плане выбор наибольшего возвышения наружных рельсов определяется, прежде всего, условиями комфортабельности пассажирского сообщения и исключения его чрезмерности для грузовых поездов.
Согласно отечественной практике проектирования скоростных железных дорог при и = 121ч-160 км/ч из условия необходимого комфорта непогашенные ускорения а„п должны быть равны 0,7 м/с2, а наименьшие радиусы кривых в плане — Ятш ^ 2000 м. При V = 200 км/ч а„„ = 0,4 -г 0,6 м/с2, Ятт = = 2000-^4300 м.
Радиус Ктт можно определить по формуле
где Лу.в — установленное возвышение наружной нити кривой; 5ш.к — ширина колеи, т. е. расстояние между электромагнитами.
Наименьшие радиусы кривой в плане в зависимости отитах, анп и угла наклона пути (при 5шк = 2,65 м) приведены в табл.
7.2.
Из данных табл. 7.2 следует, что при птах=400 км/ч и угле а = 8~МЗ° в зависимости от допустимых а„п Ятт может быть принят в пределах 4000-6500 м и линии необходимо проектировать на одну Птах. Повышение скорости потребует переустройства или приведет к снижению комфортабельности езды.
В практике [15] наибольшее возвышение пути /гув для бесконтактного движения принято 0,235 м, что соответствует углу поперечного наклона 9°. Определено оно из условия пропуска грузовых вагонов без управления положением кузова. В пассажирских вагонах следует предусмотреть систему управления положением кузова, причем угол наклона составляет приблизительно ±3°, что дает дополнительное возвышение Лу.в== ±0,075, снижающее боковое ускорение, которое испытывает на себе пассажир. Тогда общее возвышение, допустимое для пассажира, составляет 0,31 м.
Наибольшее установленное возвышение а радиус
(7.1)
В табл. 7.3 для совместно работающих на одной линии пассажирских поездов с массой 172 т и Отах=300 и 400 км/ч (вариант А) и грузовых составов с массой 1220 т и отах — 250 км/ч (вариант Б) приведены наименьшие радиусы кривых в плане ктш и рекомендуемые Ярек, которые, как правило, должны применять при проектировании трассы, а также непогашенные ус-
7.2. Наименьшие радиусы кривых пути в плане в зависимости от возвышения наружной нити и скорости движения
|
Яш1п> “¦ "Рн аип- м/с* |
|||||
|
Лу м |
Угол наклона пути а |
0,4 |
0.6 |
0,7 |
1.0 |
иШах = 300 КМ/Ч
|
0,2 |
4°20′ |
6100 |
5180 |
4820 |
3990 |
|
0,4 |
8°40′ |
3700 |
3340 |
3190 |
2800 |
|
0,6 |
13°04′ |
2650 |
2460 |
2380 |
2160 |
|
0,8 |
17°35′ |
2770 |
1950 |
1900 |
1760 |
|
1,0 |
22°Ю’ |
1700 |
1620 |
1580 |
1480 |
Стах ==400 КМ/Ч
|
0,2 |
4°20′ |
10830 |
9210 |
-8570 |
7100 |
|
0,4 |
8°40′ |
6570 |
5940 |
5670 |
4980 |
|
0,6 |
13°04′ |
4720 |
4380 |
4230 |
3840 |
|
0,8 |
17в35′ |
3680 |
3470 |
3370 |
3120 |
|
1,0 |
22°10′ |
ЗОЮ |
2870 |
2810 |
2630 |
Стах — 500 км/ч
|
0,2 |
4°20′ |
16920 |
14400 |
13400 |
11090 |
|
0,4 |
8°40′ |
10270 |
9280 |
8850 |
7780 |
|
0,6 |
13°04′ |
7360 |
6840 |
6610 |
6000 |
|
0,8 |
17°35′ |
5740 |
5420 |
5270 |
4870 |
|
1,0 |
22°10′ |
4710 |
4490 |
4390 |
4100 |
7.3. Наименьшие и рекомендуемые радиусы кривых пути в плане и непогашенные боковые ускорения
|
Вид сообщения |
"тзг *м/4 |
*ШП’ м |
*Р=к’ м |
анп, м/с2 •^тт |
, при ^рек |
|
Пассажирское |
400 |
4000 |
4400 |
0,99 |
0,72 |
|
Грузовое |
250 |
4000 |
4400 |
-0,35 |
-0,45 |
|
Пассажирское |
300 |
2300 |
2500 |
0,93 |
0,69 |
|
Грузовое |
250 |
2300 |
2500 |
0,53 |
0,37 |
корения аНп (знак минус означает «направлено во внутрь кривой»).
Здесь диапазоны Дт1П выбирают так, чтобы ускорение ат, испытываемое пассажиром, было 0,6^анп^0,8 м/с2. На станционных путях радиус Яшы кривых допустим 500 м, а предельная скорость для пассажирских поездов- 140 км/ч.
Большие скорости и крутые уклоны создают значительные трудности в сопряжении элементов продольного профиля линии. Два смежных уклона различных знаков должны сопрягаться элементом переходной крутизны (вертикальной кривой). Переходные вертикальные и горизонтальные кривые пути предварительно должны обеспечивать скорость нарастания ускорения ф^0,5 м/с3. По ограничению ^ длина переходной кривой должна удовлетворять условию
31.6ф ‘°тах‘ (7‘2)
При определении Бв в вертикальной плоскости в (7.2) вместо [а] необходимо подставлять [ав], а для горизонтальной Бг надо брать [а нп}*
7.4. Длины переходной кривой в вертикальной плоскости Ьв при ч|)=0,5 м/с3, различных итзх и [ав]
|
утах- км/4 |
а„, м/с2 |
||||
|
0.08 |
0,3 |
0,5 |
0,7 |
1,0 |
|
|
100 |
4,5 |
16,7 |
27,8 |
39 |
55,5 |
|
200 |
9,0 |
33,4 |
55,6 |
78 |
111,0 |
|
300 |
13,5 |
50,1 |
83,4 |
117 |
166,5 |
|
400 |
18,0 |
66,8 |
111,2 |
156 |
222,0 |
|
500 |
22,5 |
83,5 |
139,0 |
195 |
277,5 |
7.5. Длины переходной кривой в горизонтальной плоскости Ь, при гр=0,5 м/с3, различных отах и [аап]
|
итах’ км/4 |
Длина Ьг при Ускорении [анп], м/с2 |
|||
|
0,4 |
0,6 |
0,7 |
1,0 |
|
|
100 |
22,2 |
33,3 |
39, |
55,5 |
|
200 |
44,4 |
66,6 |
78 |
111,0 |
|
300 |
66,6 |
99,9 |
117 |
166,6 |
|
400 |
88,8 |
133,2 |
156 |
222,0 |
|
500 |
111,0 |
166,5 |
196 |
277,5 |
Значения Lв и Ьг приведены в табл. 7.4 и 7.5.
Если же путь для транспорта с магнитным подвесом будут проектировать с [ав]=?1 м/с2, то помимо круговой кривой необходимо предусматривать переходные кривые длиной 222 м (см. табл. 7.5). Переходные кривые в горизонтальной плоскости должны обеспечивать также отвод возвышения наружной нити направляющего пути в кривой. Его уклон не должен превышать величины, нормированной для движения с ьтах.
До получения на основе исследований уточненных данных отклонения по ширине колеи и по уровню можно принять равными 0,001 м на 3 м или /=0,333%о. т— е. вдвое положе, чем разрешено нормами СЖД для высокоскоростного колесного железнодорожного транспорта.
При атах=12° и расстоянии 5 = 2650 мм имеем йу.Втах= =550 мм. Отвод Иу.втах с /=0,333 % о может быть обеспечен на длине 1650 м, что намного превышает и Ьг по табл. 7.4 и 7.5. Указанная длина переходной кривой при том же /гу.втах может быть вдвое уменьшена, если одновременно с возвышением наружного феррорельса на 0,5йу.вп,ах производить занижение на такую же высоту внутреннего феррорельса, оставляя положение оси пути в пространстве без изменения.
Уширения междупутья в тоннелях и на путях отстоя, на кривых требуют увеличения радиуса кривой наружной колеи и удлинения переходной кривой. На прямых участках они осуществляются так, чтобы ускорение анп регулировалось по всей длине уширения. При этом отпадает необходимость как в возвышении пути, так и в повороте кузова [15, 93]. Переходной участок при уширении междупутья состоит из двух переходных кривых с Б-образной средней частью. При ограничении боковых ударов в плане до 1 м/с3 длина переходной кривой при уширении
где Y — половина уширения, выбираемая из условия, что боковое давление в синусоидальной средней части составляет не более 1 м/с2.
При этом выбирается R^2v, что ограничивает центробежное ускорение до 0,5 м/с2.
На выбор наибольшего руководящего уклона влияют число и протяженность туннелей, высоких виадуков и других сооружений и параметры подвижного состава. Критерием оптимальности служит наименьшая годовая стоимость при заданной скорости движения V. В [15] подробно освещена зависимость меж-Ду Тремя Величинами /шах, i?min И протяженностью туннелей (% от полной длины). Для обеспечения неподвижности предметов в салоне и возможности в случае необходимости передвижения пассажиров в пути уклон не должен превышать 100% [32].
Для реализации скоростей движения 300-500 км/ч требуется большая удельная тяговая мощность подвижного состава, необходимая для преодоления АСД. Небольшое снижение скорости по сравнению с отах высвобождает значительную тяговую мощность, что позволяет при строительстве высокоскоростных линий для бесконтактного движения использовать большие уклоны продольного профиля, максимально допустимые по условию комфорта. Это дает возможность принимать здесь уклоны с наименьшими ограничениями по сравнению с обычными железнодорожными линиями. При назначении максимально допустимого «безвредного» (без торможения) уклона, исходят из предпосылки, что на спуске подвижной состав перемещается без тяги и испытывает только силу сопротивления, которая уравновешивается составляющей силы тяжести, действующей по направлению движения. Ввиду равенства действующих на подвижной состав сил он будет перемещаться с постоянной скоростью. «Безвредный» уклон может назначаться при условии, что эта скорость равна максимально допустимой.
Для экипажей с ЭМП со скоростями 300-400 км/ч «безвредный» уклон составляет примерно 80%о. С учетом сопротивления движению, помимо АСД, эту величину можно принять несколько выше (90-100%). При применении системы ЭДП и использовании более высоких скоростей движения (400- 500 км/ч) наибольший уклон должен выбираться по условиям комфорта и составлять 100%0 («безвредный» уклон получается равным 130%о). По наименьшей стоимости, необходимые радиусы R кривых в плане привели к определению для вариантов А и Б г’шах=35%, хотя для варианта Б можно было бы назначить меньший руководящий уклон, равный приблизительно 20%0 [19]. Здесь приводная и тормозная мощности, необходимые для рассмотренного диапазона скоростей свыше 300 км/ч, ограничивают увеличение tmax с нарастанием скорости. Ограничение исходит от грузового подвижного состава, выбор параметров при вода которого определяется не величиной vm:tx, а условиями пуска и торможения на imях.
Высоту эстакады необходимо выбирать, исходя из наименьшей ее стоимости, обеспечения должного комфорта для пассажиров и возможностей местности прохождения трассы. Полезно сопоставление с аналогом для трассы эстакадного пути и определение различия между параметрами сравниваемых колесного и бесконтактного железнодорожного транспорта.
Трасса «Москва -Юг» была разбита на три зоны [46]. В каждой из них сделаны выборки протяженности насыпей, выемок по высотам на участках длиной по 100 км, характеризующих рельеф местности. В зоне с наиболее пересеченным рельефом местности на 27 км выполнено профилирование пути прямого участка трассы для транспорта с ЭМП с тремя радиусами R в вертикальной плоскости, равными 12 500, 20 000 и 40 000 м, и уклонами до 50 %0 при двух значениях наименьшей высоты эстакад: Яmin^6 м над поверхностью земли без ограждения пути забором и Н2тin^2 м над поверхностью земли и устройством на значительном протяжении линии ограждаемых забором выемок и эстакад небольшой высоты (2-6 м).
На основе этого было установлено, что принятие разных условий комфорта езды в вертикальной плоскости на прямом участке мало сказывается на высоте Яср эстакады, которая при уменьшении радиуса R кривой с 40 000 до 12 500 м уменьшается лишь на 0,8 м, или менее 8%, а протяженность особо высоких эстакад (свыше 18 м) сокращается с 10 до 5,4%. Трассирование с выемками и Я2 min не менее 2 м вдвое снижает ЯСР. При
Рис. 7.3. Рекомендуемое поперечное сечение «эстакада — путь» с ЭМП:
1 — габарит подвижного состава грузовых поездов; 2 — то же пассажирских поездов; 3 — то же приближения строений; 4 — горизонтальная нулевая ПЛОСКОСТЬ; 5 — плоскость направляющих рельсов; 6- ширина пути В; 7 — междупутье; 8 — ширина свободной полосы; 9 — ширина колец
этом доля эстакад высотой до 12 м возрастает с 75-83 до 95- 96%. Полученная статистическая совокупность высот эстакад может быть распространена на все направление «Москва — Юг».
Величина междупутья зависит от ширины подвижного состава и бокового аэродинамического давления на стенки вагона. На путях отстоя расстояние между путями определяется конструктивными особенностями стрелочных устройств (рис. 7.3). Ширину пассажирского и грузового подвижного состава вычисляют конкретным проектом, например, равной 4,2 м. Зависимость разности давлений Ар, кН/м2, проявляющейся на ровном участке пути при скрещении встречных поездов, от расстояния у3 между стенками вагонов показана на рис. 6.14.
Исходя из условия, что для герметичного подвижного состава, оборудованного установками искусственного климата, аэродинамическое давление не должно превышать Ар=2,5 кН/м2, получают следующие величины:
Варианты……………….. А Б
Расстояние между стенками вагонов уа, м……1,4 0,7
Ширина междупутья 5М.„, м…………5,6 4,9
Из-за особенностей аэродинамики ширина междупутья в тоннеле должна повышаться по сравнению с открытыми участками пути для варианта А до 7,6 м и для варианта Б до 6,0 м. От конструкций стрелочных устройств для пути на магнитном подвесе зависит ширина междупутья Бт на путях отстоя. Ее принимают равной 7,3 м. Габарит приближения строения (см. рис. 7.3) определяется: сбоку — характером аэродинамического взаимодействия стенок, вагонов быстродвижущихся пассажирских поездов с примыкающими строениями; вверху над направляющими рельсами — высотой грузового подвижного состава, размеры которого взяты из условия перевозки груженых автоприцепов на вагонах. В качестве поверхности катания обозначена плоскость нижних кромок направляющих рельсов. Нижнее очертание габарита приближения строений совпадает с горизонтальной (нулевой) плоскостью. Виадуки, откосы и подпорные стенки могут простираться вплоть до края габарита приближения строений.
При проектировании прежних трасс для определения ширины полосы отвода, необходимой для соответствующего рекомендуемого поперечного сечения, предусматривалась (добавочная) крайняя полоса (обе стороны вместе), равная 6-10 м. Эта полоса (боковой путь) на уровне плоскости направляющих рельсов при БЭПС будет не нужна. Устройство пути на эстакаде должно стать основным решением. При высоте Я;5г8 м пролетных строений от уровня земли до нулевой плоскости под ни ми могут быть пропущены другие дороги. При высоте 20 м отпадает боковая полоса грунта, свободная от застройки. В Германии определились три типа рекомендуемых эстакад с соответствующими высотой опор и длиной пролета.
|
Тип эстакады…. |
II |
III |
|
|
Длина пролета I., м. |
36 |
72 |
|
|
Высота опоры #*<, м. |
20 |
40 |
Как правило, эстакады следует применять: типа 1-в интервале высот 2,5-15 м на открытой местности, типа II — высотой от 10 до 30 м’для возможности устройства пересечений с другими дорогами и водотоками. Выемки можно выполнять глубиной до 30 м, путь опускать в грунт до 2,5 м. Самые важные размеры приведены на рис. 7.4, где ?=16,24-5+1,Ь[(Ні)г+{Ні)і]. В плоскости основания по обе стороны пути находятся метровые тротуары (измерены от наружной поверхности подвижного состава), которые выполнены одновременно как водоотводные канавы с заполнением. Рекомендуемое поперечное сечение «опущенный в грунт путь» вытекает из поперечного сечения «выемка», если высоту откосов принять за нуль. При глубине 15 м
Рис. 7.4. Рекомендуемые поперечные сечения выемки (размеры в м):
а ~ для пути и экипажей с ЭМП при Утах“400 км/ч; б -с подпорными стенквми*. А — габарит приближения строений; В -ширина полосы отвода; С — ширинв колеи; О — точке изменения гвбвритв; 1 — плоскость нвпрввляющнх рельсов; //> ///-нулевые ПЛОСКОСТИ
можно устраивать выемки с подпорными стенками (рис. 7.4, б). Однако необходимость в’них будет возникать относительно редко, так как наилучшая приспосабливаемость к местности с помощью эстакад получается благодаря тому, что будет применяться или различная высота опор первой и второй колеи, или ступенчатое расположение колеи. Возможна также установка подпорной стенки только на одной стороне.
На рис. 7.5 показано рекомендуемое поперечное сечение туннеля Лт=165 м2 для V = 400 км/ч и ПО м2 для 300 км/ч, выработанных при проходке, а на рис. 7.6 — зависимости Аг и междупутья Sm.ii от бокового давления АР при различных утах [15]. С учетом допустимой разности давления Ар = 2,5 кН/м2 для пассажирских поездов, движущихся со скоростью 300 км/ч, достаточна площадь сечения тоннеля приблизительно 100 м2. Из-за необходимой ширины междупутья и очертания грузовых подвижных составов площадь сечения тоннеля должна составлять приблизительно 110 м2. У варианта А (итах = 400 км/ч) площадь сечения тоннеля должна составлять 164 м2 (решающую роль играют явления аэродинамики).
Путь с движением на магнитном подвесе можно устраивать на насыпи высотой от 5 до 10 м. Целесообразность этого может определяться необходимостью использовать грунт, вынутый для выемок или требованиями выполнения эстакады. При этом тяговые и направляющие рельсы должны опираться на сваи. Ширина полосы отвода и наклон насыпи такие же, как и в рекомендуемом поперечном сечении «выемка».
Рис. 7.5. Поперечное сечение тоннеля:
а — ширина полосы подошвы; 1 — бетонная плита; 2 — водоотводная труба; 3 — канал для хабелей; 4 — торкрет-бетон; 5 — изоляция, А — отметка над нулевой поверхностью (размеры в скобках для 1> = 300 км/ч); 1 — нулевая плоскость
Рис. 7.6. Зависимости площади поперечного сечения А, и междупутья Sm.ii. тоннеля от бокового давления Др при различных скоростях:
1 — 500 км/ч; 2 — 400 км/ч; 3 — 300 км/ч; Р — область давлений, допустимых в течение 3 с (а»і>*>?І)
⇐Обоснование технических требований к БЭПС с магнитным подвесом | Транспорт с магнитным подвесом | Методические основы технико-экономической оценки бесконтактного наземного транспорта с магнитным подвесом⇒