Геометрия пути касается свойств и отношений точек, линий, кривых и поверхностей [1] в трехмерном позиционировании железнодорожного пути . Этот термин также применяется к измерениям, используемым при проектировании, строительстве и обслуживании пути. Геометрия пути включает стандарты, ограничения скорости и другие правила в области ширины колеи , выравнивания, возвышения, кривизны и поверхности пути. [2] [ проверка не пройдена ] Стандарты обычно выражаются отдельно для горизонтальной и вертикальной компоновки, хотя геометрия пути является трехмерной.
Горизонтальная компоновка — это компоновка пути на горизонтальной плоскости. Ее можно рассматривать как вид сверху , который является видом трехмерного пути с позиции над ним. В геометрии пути горизонтальная компоновка включает компоновку трех основных типов пути: касательный путь (прямая линия), изогнутый путь и переходная кривая пути (также называемая переходной спиралью или спиралью ), которая соединяет касательный и изогнутый путь. Изогнутый путь также можно разделить на три типа. Первый тип — простая кривая, которая имеет одинаковый радиус по всей этой изогнутой дорожке. Второй тип — сложная кривая, которая состоит из двух или более простых кривых разных радиусов, которые имеют одинаковое направление кривизны. Третий тип — обратная кривая , которая состоит из двух или более простых кривых, которые имеют противоположное направление кривизны (иногда называемая «S»-кривой или серпантином). [3] [4]
В Австралии существует специальное определение для изгиба (или горизонтального изгиба ), который представляет собой соединение двух прямых путей под углом почти 180 градусов (с отклонением не более 1 градуса 50 минут ) без промежуточной кривой. Существует набор ограничений скорости для изгибов отдельно от обычного прямого пути. [5]
Вертикальная компоновка — это компоновка пути на вертикальной плоскости. Это можно рассматривать как вид с высоты , который является видом сбоку пути, чтобы показать высоту пути. В геометрии пути вертикальная компоновка включает такие концепции, как поперечный уровень, уклон и градиент.
Опорный рельс — это базовый рельс, который используется в качестве опорной точки для измерения. Он может различаться в разных странах. Большинство стран используют один из рельсов в качестве опорного рельса. Например, в Северной Америке опорный рельс используется в качестве линейного рельса , который является восточным рельсом прямого пути, идущего на север и юг, северным рельсом прямого пути, идущего на восток и запад, внешним рельсом (рельсом, который находится дальше от центра) на кривых или внешними рельсами на многопутной территории. [6] Для швейцарской железной дороги опорным рельсом для прямого пути является центральная линия между двумя рельсами, но это внешний рельс для криволинейного пути. [7]
Ширина колеи или рельсовая колея (также известная как ширина колеи в Северной Америке [8] ) — это расстояние между внутренними сторонами (стороны колеи) головок двух несущих рельсов , составляющих одну железнодорожную линию. Каждая страна использует разные колеи для разных типов поездов. Однако 1435 мм ( 4 фута 8+Ширина колеи 1 ⁄ 2 дюймасоставляет основу 60% железных дорог мира.
Поперечный уровень (или «поперечный уровень») — это измерение разницы в высоте (высоте) между верхней поверхностью двух рельсов в любой точке железнодорожного пути. Две точки (каждая в головке каждого рельса) измеряются под прямым углом к опорному рельсу . Поскольку рельс может слегка перемещаться вверх и вниз, измерение следует проводить под нагрузкой.
Говорят, что поперечный уровень нулевой , когда нет разницы в высоте обоих рельсов. Говорят, что поперечный уровень обратный , когда внешний рельс криволинейного пути имеет более низкую высоту, чем внутренний рельс. В противном случае поперечный уровень выражается в единицах высоты.
Ограничения скорости регулируются поперечным уровнем пути. На прямолинейном пути желательно иметь нулевой поперечный уровень. Однако отклонение от нуля может иметь место. Во многих правилах есть спецификации, связанные с ограничениями скорости определенного сегмента пути на основе поперечного уровня. [8] [9]
Для обозначения криволинейного пути большинство стран используют термин «возвышение» или «угол возвышения» для обозначения разницы высот и связанных с этим правил.
Warp — это разница в поперечном уровне любых двух точек в пределах определенного расстояния вдоль пути. Параметр warp в геометрии пути используется для указания максимальной разницы в поперечном уровне пути в любом сегменте (касательные, кривые и спирали).
Без максимального параметра перекоса регулирование только поперечного уровня может быть недостаточным. Рассмотрим рельсы с положительным поперечным уровнем, за которым следует отрицательный поперечный уровень, за которым следует последовательность чередующихся положительных и отрицательных поперечных уровней. Хотя все эти поперечные уровни находятся в допустимом параметре, при движении поезда по такому пути движение будет раскачиваться влево и вправо. Поэтому максимальный параметр перекоса используется для предотвращения критического гармонического состояния раскачивания, 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. Проектная деформация равна нулю как для прямого, так и для криволинейного пути. Это означает, что в идеале поперечный уровень не должен меняться между любыми двумя точками в пределах 62 футов. Существуют некоторые отклонения, позволяющие изменять поперечные уровни вдоль пути (например, изменение для виража на кривых). Различные уровни этих отклонений от нулевого перекоса определяют ограничения скорости. [8]
Спецификация, которая фокусируется на скорости изменения поперечных уровней криволинейного пути, содержится в области, связанной с градиентом наружного рельса .
Термин «градиент пути» — это относительная высота двух рельсов вдоль пути. Это может быть выражено в расстоянии, пройденном по горизонтали для подъема на одну единицу, или в терминах угла наклона или процентной разницы в высоте для заданного расстояния пути.
Допустимые уклоны могут быть основаны на правящем уклоне , который является максимальным уклоном, по которому может быть протянут поезд тоннажа одним локомотивом. В некоторых странах может быть разрешен градиент импульса , который является более крутым, но коротким градиентом. Обычно это происходит, когда уклон пути соединяется с выровненным прямым путем достаточной длины и без сигнала между ними, так что поезд может набрать импульс, чтобы преодолеть более крутой уклон, чем он мог бы без импульса, полученного на выровненном прямом пути.
На криволинейном пути (с наклоном или без него) будет сопротивление кривой, чтобы протолкнуть поезда через кривую. Допустимые уклоны могут быть уменьшены на кривых, чтобы компенсировать дополнительное сопротивление кривой. [5] Уклон должен быть равномерным вдоль пути.
Вертикальная кривая — это кривая в вертикальной компоновке, соединяющая два уклона пути, будь то переход с подъема на спуск (вершина), переход с спуска на подъем (прогиб или долина), переход на два уровня подъема или переход на два уровня спуска.
В некоторых странах нет спецификации по точной геометрии вертикальных кривых, помимо общей спецификации по вертикальному выравниванию. В Австралии есть спецификация, что форма вертикальных кривых должна быть основана на квадратичной параболе, но длина заданной вертикальной кривой рассчитывается на основе круговой кривой. [5]
В большинстве стран измерение кривизны кривого пути выражается в радиусе . Чем короче радиус, тем круче кривая. Для более крутых кривых ограничения скорости ниже, чтобы предотвратить опрокидывание поездов внешней горизонтальной центробежной силой , направляющей ее вес на внешний рельс. Наклон может использоваться для обеспечения более высоких скоростей на той же кривой.
В Северной Америке измерение кривизны выражается в градусах кривизны . Это делается путем соединения хорды длиной 100 футов (30,48 м) с двумя точками на дуге опорного рельса, а затем проведения радиусов из центра к каждой из конечных точек хорды. Угол между линиями радиусов является степенью кривизны. [10] Степень кривизны обратно пропорциональна радиусу. Чем больше степень кривизны, тем острее кривая. Выражение кривой таким образом позволяет геодезистам использовать оценку и более простые инструменты при измерении кривой. Это можно сделать, используя струнную линию длиной 62 фута (18,90 м) в качестве хорды для соединения дуги со стороны датчика опорного рельса. Затем в средней точке струнной линии (на 31-м футе) производится измерение от струнной линии до датчика опорного рельса. Количество дюймов в этом измерении приближенно равно количеству градусов кривизны. [8]
Из-за ограничений того, как конкретное оборудование поезда может поворачивать на максимальных скоростях, существует ограничение минимального радиуса кривой для контроля резкости всех кривых на заданном маршруте. Хотя большинство стран используют радиус для измерения кривизны, термин максимальная степень кривизны все еще используется за пределами Северной Америки, например в Индии, но с радиусом в качестве единицы. [11]
На криволинейном пути он обычно предназначен для подъема внешнего рельса, обеспечивая наклонный поворот , тем самым позволяя поездам маневрировать по кривой на более высоких скоростях, что в противном случае было бы невозможно, если бы поверхность была плоской или ровной. Он также помогает поезду управляться на кривой, удерживая реборды колес от нажатия на рельсы, сводя к минимуму трение и износ. Измерение разницы в высоте между внешним рельсом и внутренним рельсом в большинстве стран называется наклоном . Иногда наклон измеряется в терминах угла, а не разницы высот. [12] В Северной Америке он измеряется в терминах разницы высот и называется поперечным уровнем, даже для криволинейного пути.
Когда внешний рельс находится на более высокой высоте, чем внутренний рельс, это называется положительным наклоном . Обычно это желаемая компоновка для криволинейного пути. Большинство округов достигают желаемого уровня положительного наклона, поднимая внешний рельс до этого уровня, который называется виражом . Для швейцарских железных дорог наклон выполняется путем вращения вокруг оси пути (центр двух рельсов), чтобы внешний рельс был приподнят (поднят) на половину скорости желаемого наклона, а внутренний рельс был поднят (опущен) на ту же половину скорости желаемого наклона.
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 компоновка, но она может быть неизбежной в некоторых ситуациях, например, на кривых, включающих стрелочные переводы .
Существуют правила, ограничивающие максимальный наклон. Это делается для контроля разгрузки колес на внешнем рельсе (высоком рельсе), особенно на низких скоростях.
Градиент возвышения рельса — это величина, на которую возвышение рельса увеличивается или уменьшается на заданной длине пути. Изменение возвышения рельса требуется для соединения прямого пути (без возвышения рельса) с криволинейным путем (с возвышением рельса) через переходную кривую. Скорость изменения возвышения рельса используется для определения подходящего градиента возвышения рельса для заданной проектной скорости. Искривление рельса также может использоваться для описания градиента возвышения рельса, который может быть выражен в процентах изменения возвышения рельса на единицу длины. [7] Однако в Великобритании термин «искривление рельса» обычно используется в контексте градиента возвышения рельса с более высокими значениями, которые считаются дефектами. [12]
В Северной Америке требуемый градиент возвышения рельса на переходной кривой для достижения плавного соединения между виражом кривого пути и нулевым поперечным уровнем прямого пути называется стоком возвышения рельса . В дополнение к спецификации стока, правила, связанные с допустимой скоростью изменения возвышения рельса, также являются частью общей спецификации по скорости изменения поперечного уровня, называемой параметром деформации. Параметр деформации и сток возвышения рельса помогают рассчитать требуемую длину стока для переходной кривой. [9]
Как уже было сказано, наклон можно использовать для уменьшения бокового ускорения поездов, движущихся по криволинейному пути. Это делается для того, чтобы сбалансировать центробежную силу (силу, толкающую наружу кривой) и центростремительную силу (силу, толкающую внутрь кривой). При более высокой скорости центробежная сила больше. Напротив, более высокий наклон создает более высокую центростремительную силу. Расчет для этого предполагает постоянную скорость поезда на кривой постоянного радиуса.
Когда скорость поезда и величина наклона находятся в равновесии (центробежная сила совпадает с центростремительной), это называется равновесием . Это сделало бы компоненты силы колеса к рельсу, перпендикулярные плоскости пути, имеющими одинаковую совокупность для внешнего рельса и для внутреннего рельса. Это также заставило бы пассажиров в поезде не ощущать никакого бокового ускорения (толчка в сторону).
Для фиксированного количества наклона скорость, которая создает равновесие, называется скоростью равновесия . Для постоянной скорости движущегося поезда количество наклона, необходимое для достижения равновесия, называется равновесным наклоном . [12]
На практике поезда не движутся по равновесным наклонным брусьям на кривых. Такая ситуация называется дисбалансом , который может быть одним из двух следующих способов. Для заданной скорости, если фактический наклон меньше равновесного наклонного бруса, величина разницы наклонного бруса называется дефицитом наклонного бруса . Другими словами, это величина недостающего наклонного бруса для достижения баланса. Напротив, для заданной скорости, если фактический наклон больше равновесного наклонного бруса, величина избыточного наклонного бруса из баланса называется избытком наклонного бруса .
В конфигурации совместно используемого пути для поездов с разными скоростями движения, например, грузовых и высокоскоростных пассажирских, угол наклона на кривой следует учитывать как для высоких, так и для низких скоростей. Поезда с высокой скоростью будут испытывать дефицит угла наклона, а поезда с низкой скоростью — избыток. Эти параметры оказывают существенное влияние на эксплуатационные характеристики кривой, включая безопасность, комфорт пассажиров и износ оборудования и рельсов. [13]
Термин «выравнивание» используется как в горизонтальной, так и в вертикальной компоновке для описания однородности (прямолинейности) рельсов.
Горизонтальное выравнивание (или выравнивание в Соединенных Штатах) выполняется с использованием предварительно определенной длины струнной линии (например, 62 фута в США и 20 метров в Австралии [5] ) для измерения вдоль колеи опорного рельса. Это расстояние (в дюймах или миллиметрах) от середины струнной линии до колеи опорного рельса. Проектное горизонтальное выравнивание для прямого пути равно нулю (идеальная прямая линия на горизонтальной разметке). Проектное горизонтальное выравнивание на криволинейном пути 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 предварительно определенной длины струнной линии (обычно той же длины, что используется при горизонтальном выравнивании) вдоль пути. Если средняя точка измерения имеет большую высоту, это называется отклонением горба . С другой стороны, если средняя точка имеет меньшую высоту, это называется отклонением наклона . [9]
Эти отклонения от проектного выравнивания используются в качестве параметров для назначения ограничений скорости.