Геометрия пути связана со свойствами и отношениями точек, линий, кривых и поверхностей [1] при трехмерном расположении железнодорожного пути . Этот термин также применяется к измерениям, используемым при проектировании, строительстве и обслуживании путей. Геометрия пути включает стандарты, ограничения скорости и другие правила в области ширины колеи , выравнивания, высоты, кривизны и поверхности пути. [2] [ не удалось проверить ] Стандарты обычно выражаются отдельно для горизонтальной и вертикальной компоновки, хотя геометрия пути является трехмерной.
Горизонтальная компоновка – это раскладка трассы в горизонтальной плоскости. Это можно рассматривать как вид сверху , представляющий собой вид трехмерной трассы с позиции над трассой. В геометрии пути горизонтальная компоновка включает в себя компоновку трех основных типов пути: касательный путь (прямая линия), изогнутый путь и кривая перехода пути (также называемая переходной спиралью или спиралью ), которая соединяет касательный и изогнутый путь. Изогнутую дорожку также можно разделить на три типа. Первый тип — это простая кривая, имеющая одинаковый радиус на всем протяжении изогнутой дорожки. Второй тип — сложная кривая, состоящая из двух или более простых кривых разных радиусов, имеющих одинаковое направление кривизны. Третий тип - это обратная кривая , состоящая из двух или более простых кривых, имеющих противоположное направление кривизны (иногда называемая S-образной кривой или змеевидной кривой). [3] [4]
В Австралии существует специальное определение изгиба ( или горизонтального изгиба ), который представляет собой соединение двух касательных путей под углом почти 180 градусов (с отклонением не более 1 градуса 50 минут ) без промежуточного поворота. Существует набор ограничений скорости для поворотов отдельно от обычного касательного пути. [5]
Вертикальная компоновка – это компоновка путей в вертикальной плоскости. Это можно рассматривать как вид высоты , который представляет собой вид сбоку пути, показывающий высоту пути. В геометрии пути вертикальная компоновка включает в себя такие понятия, как перекресток, наклон и уклон.
Опорная рейка — это базовая рейка, которая используется в качестве опорной точки для измерения. В разных странах оно может различаться. В большинстве стран один из рельсов используется в качестве опорного. Например, в Северной Америке в качестве линейного рельса используется опорный рельс , который представляет собой восточный рельс касательного пути, идущий на север и юг, северный рельс касательного пути, идущий на восток и запад, внешний рельс (рельс, который находится дальше от центра). ) на поворотах или на внешних рельсах на территории с несколькими путями. [6] Для швейцарских железных дорог опорным рельсом для касательного пути является центральная линия между двумя рельсами, но для криволинейного пути это внешний рельс. [7]
Ширина колеи или ширина колеи (также известная как ширина колеи в Северной Америке [8] ) — это расстояние между внутренними сторонами (сторонами колеи) головок двух несущих рельсов , составляющих одну железнодорожную линию. В каждой стране используются разные колеи для разных типов поездов. Однако 1435 мм ( 4 фута 8 дюймов)+ Колея 1 ⁄ дюйма составляет основу 60% железных дорог мира.
Перекрестный уровень (или «перекрестный уровень») — это измерение разницы высот (высоты) между верхней поверхностью двух рельсов в любой точке железнодорожного пути. Две точки (каждая в начале каждого рельса) измеряются под прямым углом к опорному рельсу . Поскольку рельс может слегка перемещаться вверх и вниз, измерение следует проводить под нагрузкой.
Перекресток называется нулевым , если нет разницы в высоте обоих рельсов. Говорят, что это обратный перекресток , когда внешний рельс криволинейного пути имеет меньшую высоту, чем внутренний рельс. В противном случае уровень перекрытия выражается в единицах высоты.
Ограничения скорости регулируются уровнем пересечения путей. На касательном пути желательно иметь нулевой уровень пересечения. Однако отклонение от нуля может иметь место. Во многих правилах есть уточнения, касающиеся ограничения скорости на определенном участке пути в зависимости от уровня переезда. [8] [9]
Для криволинейных трасс в большинстве стран используется термин «наклон» или «вираж» , чтобы обозначить разницу в высоте и соответствующие правила.
Деформация — это разница в пересечении уровней любых двух точек на определенном расстоянии вдоль трассы. Параметр warp в геометрии пути используется для задания максимального перепада уровней пути на любом сегменте (касательных, кривых и спиралях).
Без максимального параметра деформации регулирование только на перекрестном уровне может оказаться недостаточным. Рассмотрим рельсы с положительным перекрестным уровнем, за которым следует отрицательный перекрестный уровень, за которым следует последовательность чередующихся положительных и отрицательных перекрестных уровней. Хотя все эти перегоны находятся в допустимых пределах, при движении поезда по такому пути движение будет раскачиваться влево и вправо. Таким образом, параметр максимального коробления используется для предотвращения критического состояния гармонического отрыва, которое может привести к раскачиванию поезда вперед и назад и сходу с рельсов после подъема колеса. [9]
В Северной Америке конкретное расстояние, используемое для измерения, чтобы гарантировать, что разница в поперечном уровне пути находится в пределах допустимого параметра деформации, составляет 62 фута. Расчетная деформация равна нулю как для касательной, так и для криволинейной линии. Это означает, что в идеале перекрестный уровень не должен меняться между любыми двумя точками в пределах 62 футов. Существуют некоторые отклонения, позволяющие изменять поперечные уровни вдоль пути (например, изменение виража на поворотах). Различные уровни этих отклонений от нулевой деформации определяют ограничения скорости. [8]
Спецификация, в которой основное внимание уделяется скорости изменения поперечных уровней криволинейного пути, содержится в области, связанной с градиентом наклона .
Термин « градиент пути» означает относительную высоту двух рельсов вдоль пути. Это может быть выражено в расстоянии, пройденном по горизонтали при подъеме на одну единицу, или в виде угла наклона или процентной разницы в высоте для данного расстояния пути.
Допустимые уклоны могут основываться на действующем уклоне , который представляет собой максимальный уклон, по которому тоннажный поезд может буксироваться одним локомотивом. В некоторых странах может быть разрешен градиент импульса , который представляет собой более крутой, но более короткий градиент. Обычно это происходит, когда градиент пути соединяется с выровненным касательным путем достаточно долго и без сигнала между ними, так что поезд может набрать инерцию, чтобы преодолеть более крутой уклон, чем он мог бы без импульса, полученного на выровненном касательном пути.
На криволинейном пути (с наклоном или без него) на повороте будет возникать сопротивление, которое будет толкать поезда по повороту. Допустимые уклоны могут быть уменьшены на поворотах, чтобы компенсировать дополнительное сопротивление на поворотах. [5] Уклон должен быть равномерным по всей трассе.
Вертикальная кривая — это кривая в вертикальной компоновке, соединяющая два уклона пути вместе, будь то переход от повышения к понижению (вершина), переход от понижения к повышению (провисание или впадина), изменение на двух уровнях повышения или изменение на двух уровнях понижения.
В некоторых странах нет спецификаций точной геометрии вертикальных кривых, помимо общих спецификаций вертикального выравнивания. В Австралии есть спецификация, согласно которой форма вертикальных кривых должна основываться на квадратичной параболе, но длина данной вертикальной кривой рассчитывается на основе круговой кривой. [5]
В большинстве стран кривизна криволинейного пути выражается в радиусе . Чем короче радиус, тем острее кривая. На более крутых поворотах ограничения скорости ниже, чтобы предотвратить опрокидывание поездов внешней горизонтальной центробежной силой , направляя ее вес на внешний рельс. Наклон можно использовать для обеспечения более высоких скоростей по той же кривой.
В Северной Америке кривизна измеряется в степени кривизны . Это делается путем соединения хорды длиной 100 футов (30,48 м) с двумя точками на дуге опорного рельса, а затем рисования радиусов от центра до каждой из конечных точек хорды. Угол между линиями радиусов является степенью кривизны. [10] Степень кривизны обратна радиусу. Чем больше степень кривизны, тем острее кривая. Выражение кривой таким образом позволяет геодезистам использовать оценку и более простые инструменты для измерения кривой. Это можно сделать, используя струнную линию длиной 62 фута (18,90 м) в качестве хорды, соединяющей дугу на измерительной стороне опорного рельса. Затем в средней точке струнной линии (на 31-м футе) проводится измерение от струнной линии до калибра опорной направляющей. Количество дюймов в этом измерении приблизительно равно числу градусов кривизны. [8]
Из-за ограничения того, как конкретное оборудование поезда может совершать поворот на максимальных скоростях, существует ограничение на минимальный радиус поворота для контроля резкости всех поворотов на данном маршруте. Хотя в большинстве стран для измерения кривизны используется радиус, термин « максимальная степень кривизны» все еще используется за пределами Северной Америки, например, в Индии, но в качестве единицы измерения используется радиус. [11]
На криволинейных путях он обычно предназначен для подъема внешнего рельса, обеспечивая поворот с креном , что позволяет поездам маневрировать по повороту на более высоких скоростях, что в противном случае было бы невозможно, если бы поверхность была плоской или ровной. Это также помогает поезду двигаться по повороту, не позволяя гребням колес прижиматься к рельсам, сводя к минимуму трение и износ. Измерение разницы высот между внешним и внутренним рельсом в большинстве стран называется кантом . Иногда наклон измеряется по углу, а не по разнице высот. [12] В Северной Америке он измеряется по разнице высот и называется поперечным уровнем, даже для криволинейных путей.
Когда внешний рельс находится на большей высоте, чем внутренний, это называется положительным наклоном . Обычно это желаемая схема для изогнутых путей. В большинстве округов желаемый уровень положительного наклона достигается за счет поднятия внешнего рельса до уровня, который называется виражом . На швейцарских железных дорогах наклон осуществляется путем вращения оси пути (центра двух рельсов), чтобы внешний рельс был приподнят (поднят) на половину скорости желаемого наклона, а внутренний рельс поднят (опущен) одновременно. половина ставки желаемого косяка.
Когда внешний рельс находится на более низкой высоте, чем внутренний рельс, это называется отрицательным наклоном (или обратным поперечным уровнем в Северной Америке). Обычно это нежелательная схема, но в некоторых ситуациях, например, на поворотах со стрелочными переводами, ее можно избежать .
Существуют правила, ограничивающие максимальный наклон. Это необходимо для контроля разгрузки колес на внешней рейке (высокой рейке), особенно на малых скоростях.
Градиент наклона — это величина, на которую наклон увеличивается или уменьшается на заданной длине пути. Изменение наклона необходимо для того, чтобы соединить касательную дорожку (без наклона) с изогнутой дорожкой (с наклоном) через переходную кривую. Скорость изменения наклона используется для определения подходящего уклона наклона для заданной расчетной скорости. Скручивание гусеницы также может использоваться для описания градиента наклона, который может быть выражен в процентах изменения наклона на единицу длины. [7] Однако в Великобритании термин «скручивание пути» обычно используется в контексте уклона с более высокими значениями, которые считаются разломами. [12]
В Северной Америке необходимый уклон наклона на переходной кривой для достижения плавного соединения между виражом криволинейного пути и нулевым уровнем пересечения касательного пути называется стоком виража . В дополнение к спецификации отклонения, правила, касающиеся допустимой скорости изменения наклона, также являются частью общей спецификации скорости изменения поперечного уровня, называемой параметром деформации. Параметр деформации и сток виража помогают рассчитать необходимую длину стока для переходной кривой. [9]
Как уже говорилось, наклон можно использовать для уменьшения бокового ускорения в поездах, движущихся по криволинейным путям. Это делается для того, чтобы сбалансировать центробежную силу (силу, выталкивающую кривую наружу) и центростремительную силу (силу, выталкивающую внутрь кривой). При более высокой скорости центробежная сила выше. Напротив, более высокий наклон создает более высокую центростремительную силу. Расчеты предполагают постоянную скорость поезда на кривой постоянного радиуса.
Когда скорость поезда и величина наклона находятся в равновесии (центробежная сила соответствует центростремительной), это называется равновесием . Это сделает компоненты силы взаимодействия колеса с рельсом нормальными к плоскости пути, имеющими в совокупности то же самое для внешнего рельса, что и для внутреннего рельса. Это также заставит пассажиров поезда не ощущать никакого бокового ускорения (толчка в сторону).
При фиксированном наклоне скорость, обеспечивающая баланс, называется равновесной скоростью . При постоянной скорости движущегося поезда величина наклона, необходимая для достижения равновесия, называется равновесным наклоном . [12]
На практике поезда не движутся по равновесным наклонам на поворотах. Ситуация называется дисбалансом , который может быть одним из двух следующих способов. Если для заданной скорости фактический наклон меньше равновесного наклона, величина разницы наклона называется дефицитом наклона . Другими словами, это количество недостающего косяка для достижения баланса. Напротив, для заданной скорости, если фактический наклон выше равновесного наклона, величина избыточного наклона из баланса называется превышением наклона .
В общей конфигурации пути для поездов с разными рабочими скоростями, таких как грузовые и высокоскоростные пассажирские поезда, наклон на повороте следует учитывать как для высоких, так и для низких скоростей. В высокоскоростных поездах будет наблюдаться недостаток кантовки, а в низкоскоростных поездах - избыток. Эти параметры оказывают существенное влияние на характеристики движения на поворотах, включая безопасность, комфорт пассажиров, а также износ оборудования и рельсов. [13]
Термин «выравнивание» используется как в горизонтальной, так и в вертикальной планировке для описания однородности (прямолинейности) линий рельсов.
Горизонтальное выравнивание (или выравнивание в США) выполняется с использованием струнной линии заранее заданной длины (например, 62 фута в США и 20 метров в Австралии [5] ) для измерения вдоль измерительной стороны опорного рельса. Это расстояние (в дюймах или миллиметрах) от середины струнной линии до калибра опорного рельса. Проектное горизонтальное выравнивание для касательной линии равно нулю (идеальная прямая линия на горизонтальной компоновке). Расчетное горизонтальное выравнивание на изогнутой трассе в Северной Америке составляет 1 дюйм на каждый градус кривизны. Любые другие показания указывают на отклонения.
Вертикальное выравнивание (или профиль в Северной Америке, но не путать с профилем рельса ) — это однородность поверхности в вертикальной плоскости. Измерение однородности выполняется с использованием струнной линии заранее заданной длины (обычно той же длины, которая используется при горизонтальном выравнивании) вдоль направляющей. Если средняя точка измерения имеет большую высоту, это называется отклонением горба . С другой стороны, если средняя точка имеет меньшую высоту, это называется отклонением угла наклона . [9]
Эти отклонения от проектного выравнивания используются в качестве параметров для назначения ограничений скорости.