Скоростные поезда

Проблема создания сверхскоростного поезда является одной из сложнейших, какие стояли когда-либо перед инженерами железнодорожного транспорта. Свой собственный опыт придется коренным образом пересмотреть, привлечь на помощь опыт инженеров других отраслей промышленности, в первую очередь, авиации. Технические средства, рождающиеся на стыке разных отраслей промышленности, приводят к поразительным достижениям. Сверхскоростной поезд — одно из них.

Законы аэродинамики выступают как будто в роли врагов сверхскоростного поезда. Но нет худа без добра. Воздушное сопротивление препятствует движению поезда — но оно же может оказаться и полезным. Колоссальное давление воздуха на стенки поезда приведет к тому, что он будет меньше колебаться в поперечном направлении. Уменьшится виляние. Воздух превратится как бы в плотную оболочку, гасящую колебания, прижимающую поезд к рельсам. Тут может возникнуть новая отрасль науки — аэродинамика скоростных поездов. Так технические проблемы приводят к возникновению научных дисциплин, а те, в свою очередь, способствуют развитию техники.

Путь надо готовить

Если отдельные паровозы-рекордсмены могли в старину двигаться со сверхвысокими скоростями, то путь на подобную резвость никак не был рассчитан. Вот поэтому-то сейчас при обдумывании проблем скоростного движения инженеры обращают внимание на подготовку пути не меньшее (если не большее), чем на конструкцию подвижного состава. Прежде всего речь идет об улучшении плана трассы. Эта работа заключается в увеличении радиусов кривых и спрямлении отдельных участков. Важность ее легко понять из таких цифр: в нашей стране на каждые 100 км сети приходится в среднем 8-16 участков для грузовых и 20–40 участков для пассажирских поездов, где из-за кривых приходится снижать скорость. При радиусе 600 м скорость не может быть больше 115 км/ч, при радиусе 800 м — больше 130 км/ч. Вот поэтому улучшение трассы в плане сыграет очень большую роль при подготовке к сверхскоростному движению. Американцы подсчитали: если можно выиграть минуту в пути, затратив от 46 тыс. до 115 тыс. долларов, на эти расходы целесообразно идти. Поэтому при спрямлении дорог они прибегают к очень большим капитальным работам, вплоть до постройки тоннелей, виадуков, изменения русел рек.

Чем больше скорость движения, тем больше действующие на путь силы. Вот почему при подготовке к сверхскоростному движению стараются усилить путь, применяя более тяжелые рельсы. С повышением веса рельс — возрастает их несущая способность, срок службы, стабильность пути. На линиях, где поезда ходят со скоростью 120 км/ч и выше, применяют рельсы, весящие не менее 50 кг/пог. м. В США, где скоростные поезда ведут тепловозы с осевой нагрузкой 25 т, применяются рельсы весом 60–65 кг/пог. м. На наших дорогах при скоростях от 101 до 120 км/ч укладывают рельсы типа Р50 и при скоростях более 120 км/ч — рельсы типа Р65.

Чем больше неровностей на рельсах, тем меньше комфорт для пассажиров. Удары и толчки неизбежны на стыках рельс, поэтому инженеры стараются на скоростных линиях укладывать длинные сварные рельсовые плети. Бесстыковой путь получает очень большое распространение. И дело не только в сокращении количества рельсовых стыков. Сама колея становится более стабильной в плане и профиле.

Какие только профили рельсов ни применялись в те далекие времена, когда появились железные дороги! После многих опытов наш современный профиль рельса — с подошвой, шейкой и головкой — был признан наилучшим. Не изменился он и с появлением высокоскоростных поездов, только чуть-чуть модернизировался. На линии Новая Токайдо головка сопрягается с шейкой по кривой большего радиуса, чем обычно. Точно так же новые рельсы, которые появляются в Западной Европе, имеют более пологие сопряжения шейки с головкой и подошвой. Все это уменьшает опасную концентрацию напряжений.

Во времена первых железных дорог никто не мог поверить, что деревянные шпалы способны выдерживать ту громадную нагрузку, которую создает движущийся поезд. Под рельсы сперва подкладывали камни, которые даже не соединяли колею, потом додумались до каменных шпал, укладка которых стоила чрезвычайно дорого, наконец, пришла очередь деревянных. Интересно, что не с изобретением паровоза и не с подбором профиля рельс, а с появлением деревянной шпалы железнодорожный транспорт сделал большой рывок. Ведь строительство дорог после этого резко подешевело. С появлением скоростных поездов деревянная шпала не изменила своей конструкции. Изменилось число их на километр пути. Специалисты считают, что увеличение этого числа, особенно на кривых, усиливает путь, следовательно, является одной из мер при подготовке к скоростному движению. На дорогах с тяжелыми рельсами укладывают 1840–2000 шпал на километр.

Если вместо деревянных применяют железобетонные шпалы, получающие в последнее время все больше распространение, путь становится более жестким. Зато движение — более плавным. В связи с повышенной жесткостью пути с железобетонными шпалами между рельсом и шпалой на линии Новая Токайдо уложены резиновые прокладки. В систему соединения рельс — шпала должны входить и другие упругие элементы, снижающие жесткость основания. Для этой цели применяются упругие сопряжения. Вот один из вариантов на линии Новая Токайдо (рис. 5).

Рис. 5. Узел крепления рельса со шпалой на дороге Новая Токайдо: 1 — пружинная клемма; 2 — поперечная (боковая) пружинная клемма; 3 — болт; 4 — шайба; 5 — упругая резиновая прокладка; 6 — втулка; 7 — пластичная упругая подушка — башмак; 8 — спираль из проволоки.

Втулка 6 из полиэфирной смолы, вделанная в железобетонную шпалу, имеет внутри резьбу. В эту резьбу ввинчивается болт 3,который прижимает к подошве рельса пружинные клеммы 1 и 2 с силой до 500 кГ. Такие пружинные клеммы дают возможность регулировать положение рельса относительно шпалы и увеличивают стабильность пути Между подошвой рельса и шпалой установлена резиновая прокладка 5. Вообще промежуточные скрепления скоростных линий должны обеспечивать упругую связь рельсов со шпалами и в то же время надежно сопротивляться боковым силам.

Очень важное значение для нормального движения на скоростных дорогах имеет работа балластного слоя. От профиля балластной призмы, степени уплотнения слоя и качества материала зависит устойчивость пути. Балластом обычно служит щебень из твердых горных пород. При подготовке дорог к скоростному движению увеличивают толщину балластного слоя, иначе будут возникать деформации основной площадки земляного полотна. Увеличивают плечо — расстояние от торца шпалы до балластной бровки. Уменьшают, наконец, крутизну откоса балластной призмы, так как из-за вибраций на высоких скоростях при крутом откосе щебеночный слой быстрее теряет свою плотность.

При движении по стрелкам даже с обычной скоростью чувствуются толчки. На больших же скоростях подобные неприятные явления должны стать еще заметнее. Данная проблема тоже очень серьезная. Задача конструкторов в этом вопросе — повысить плавность движения, чтобы свести к минимуму силу и частоту ударов колес об элементы стрелочного перевода. Правда, когда поезд идет в прямом направлении, ограничений скорости нет. Японские экспрессы проходят на прямую стрелки со скоростью 210 км/ч. Но — вот когда нужно переходить на боковой путь, приходится либо снижать скорость, либо применять особые конструкции. На Новой Токайдо скорость хода по стрелкам приемно-отправочных путей равняется 70 км/ч. Сейчас все большее применение находят стрелки с большим радиусом переводной кривой. Во Франции, например, есть стрелки с радиусом переводной кривой, равным 1300 м. Это позволяет переходить на боковой путь поезду, движущемуся со скоростью 100 км/ч. А если работает стрелка с радиусом 3000 м, то величина скорости увеличивается до 140 км/ч. Рельсы французских стрелок отличаются от обычных более широкой и толстой подошвой. Когда поезд движется по стрелке, возникают поперечные усилия, и более массивная подошва должна им противостоять.