Содержание к диссертации
Введение
1 Краткий обзор истории развития и современного состояния горловин железнодорожных станций 10
1.1 Принципы проектирования станционных горловин на начальном этапе развития железных дорог 10
1.2 Влияние на конструкцию горловин специализации станций и роста размеров движения 15
1.3 Дальнейшее развитие горловин станций и их состояние на современном этапе 18
1.3.1 Промежуточные станции 18
1.3.2 Участковые станции 24
1.3.3 Сортировочные станции 31
1.3.4 Пассажирские станции 35
1.3.5 Грузовые станции 37
1.4 Горловины станций зарубежных железных дорог 43
1.5 Выводы по главе 46
2 Анализ теоретических исследований и рекомендаций нормативных документов по проектированию горловин железнодорожных станций 47
2.1 Краткий обзор теоретических работ по проектированию горловин станций 47
2.2 Рекомендации нормативных документов по этапности развития станций и их горловин 58
2.3 Выводы по главе 61
3 Исходные положения обоснования этапности развития станционных горловин и анализ влияющих факторов 62
3.1 Исходные положения обоснования этапности развития горловин железнодорожных станций 62
3.2 Условие целесообразности проектирования горловин с учётом последующих этапов 65
3.3 Влияние на эташюсть развития горловин принципиальной схемы станции 70
3.4 Влияние на эташюсть развития парков и их горловин начальных размеров и темпов роста размеров движения 75
3.5 Пример выбора решения по этапности развития горловин 77
3.6 Выводы по главе 80
4 Общий метод обоснования рациональной этапности развития приемоотправочпых парков технических станций и их горловин 81
4.1 Основные понятия и определения 81
4.2 Описание общего метода обоснования рациональной этапности развития приемоотправочпых парков и их горловин 83
4.2.1 Постановка задачи 83
4.2.2 Пошаговый расчёт критерия эффективности и определение условно-оптимальных переходов 85
4.2.3 Представление результатов расчёта 87
4.3 Подготовка исходных данных для выбора варианта этапности развития парка 88
4.4 Проверка работоспособности предлагаемого метода обоснования рациональной этапности развития станций и их горловин 94
4.5 Упрощённый метод определения рационального числа путей в парке в течение расчётного периода 95
4.6 Способ повышения точности проектных решений при обосновании рациональной этапности развития железнодорожных станций 102
4.7 Выводы по главе 108
5 Обоснование секционирования путей в горловинах парков технических станций 110
5.1 Общий метод обоснования секционирования путей в горловинах технических станций 110
5.2 Расчёт капитальных вложений и эксплуатационных расходов 111
5.2.1 Определение границ подсчёта объёмов работ 111
5.2.2 Расчёт капитальных вложений 114
5.2.3 Расчёт эксплуатационных расходов 117
5.3 Выбор метода оценки задержек подвижного состава в горловинах станций 119
5.4 Основные положения имитационной оценки станционных горловин 121
5.5 Выбор конкретной системы моделирования 123
5.6 Пример использования предлагаемого метода обоснования рационального секционирования путей в парках приёма и отправления сортировочных станций 125
5.7 Выводы по главе 127
6 Общие выводы 128
Список использованных источников 130
- Влияние на конструкцию горловин специализации станций и роста размеров движения
- Рекомендации нормативных документов по этапности развития станций и их горловин
- Условие целесообразности проектирования горловин с учётом последующих этапов
- Упрощённый метод определения рационального числа путей в парке в течение расчётного периода
Влияние на конструкцию горловин специализации станций и роста размеров движения
Формирование конструктивных особенностей типовых промежуточных станций и их горловин происходило постепенно. Первые типовые схемы промежуточных станций встречаются в Технических указаниях на проектирование станций и узлов, вышедших в 1948 году (ТУПС-48) [100]. Это были схемы станций на однопутных линиях (рисунок 1.8), разработанные с учётом возможности применения в различных топографических условиях и перспективы строительства второго главного пути.
Незначительно видоизменёнными схемы промежуточных станций для однопутных линий из ТУПС-48 встречаются и в Технических указаниях на проектирование станций и узлов на железных дорогах нормальной колеи, вышедших в 1954 году (ТУПС-54) [101]. В ТУПС-54 впервые появляются и типовые схемы промежуточных станций для двухпутных линий (рисунок 1.9).
Представленные в ТУПС-48 и ТУПС-54 схемы промежуточных станций имели следующие конструктивные особенности. Во всех схемах, в том числе и для двухпутных линий, обеспечивался прямой выход с путей грузового района на главные пути в обе стороны. Появление этого решения было обусловлено требованием военного времени, когда во время нанесения бомбовых ударов надо было иметь возможность вывода на перегон вагонов, находящихся под грузовыми операциями. Для исключения возможности самопроизвольного выхода вагонов с путей грузового района на главный путь в горловинах большинства схем предусматривалось примыкание предохранительного тупикового пути к крайнему приёмоотправочному. В схемах с размещением грузовых устройств со стороны пассажирского здания, приёмоотправочные пути для приёма сборных поездов размещались со стороны, противоположной грузовому району (рисунок 1.8, а; рисунок 1.9, а), что при подаче вагонов на пути грузового района и их уборке требовало пересечения главных путей в горловине станции.
Помимо представленных схемных решений, в Технических указаниях [100, 101] были чётко сформулированы требования, предъявляемые к горловинам промежуточных станций. В частности в ТУПС-48 указывалось, что «конструкции стрелочных горловин промежуточных станций должны удовлетворять следующим условиям: 1) при наличии подъездных путей необходимо обеспечить по возможности выход на последние с главного и со всех станционных путей; 2) на двухпутных линиях необходимо обеспечивать перевод поездов на неправильный путь в обоих концах станции; 3) на однопутных линиях должен по возможности обеспечиваться непосредственный приём сборных поездов па грузовые пути с обоих направлений (перегонов) без маневровой перестановки составов; 4) при наличии вытяжки и большой маневровой работы на ней она должна быть изолирована от приёма и отправления поездов; 5) при примыкании к станции подъездных путей, как правило, необходимо обеспечить одновременность приёма поездов с ветви с приёмом или отправление поездов главной линии». В отличии от ТУПС-48, в ТУПС-54 требование обеспечения прямого выхода с грузовых путей на главные, как таковое уже не поднималось, хотя схемы промежуточных станций ещё предусматривали такую возможность. Остальные требования были только уточнены и более детализированы.
В условиях существовавшего в то время дефицита капитальных вложений вполне закономерными выглядят и рекомендации ТУПС-54 о возможности этапного развития горловин промежуточных станций. Так, в [101] отмечалось, что «на первую очередь могут проектироваться два направленных в разную сторону диспетчерских съезда (по одному в каждом конце станции) таким образом, чтобы был обеспечен приём пассажирских поездов с обоих направлений к пассажирскому зданию».
Требования к горловинам в Технических указаниях по проектированию станций и узлов, вышедших в 1961 году (ТУПС-61) [102] в точности соответствовали требованиям, изложенным в ТУПС-54. Типовые схемы промежуточных станций на однопутных линиях в ТУПС-61 принципиально не отличались от схем этих станций в ТУПС-54, а вот схемы промежуточных станций на двухпутных линиях в ТУПС-61 приведены не были. Тем не менее, в ТУПС-61 появилось нововведение: до 1961 года на главных и приёмоотправочных пассажирских путях допускалось использование стрелочных переводов марки 1/9 при движении поездов по прямому пути. После вступления в силу ТУПС-61 на указанных путях требовалось укладывать только стрелочные переводы с маркой крестовины 1/11.
Широкое применение диспетчерской централизации (ДЦ) вызвало необходимость внесения существенных изменений в типовые схемы промежуточных станций. Поэтому в вышедшей в 1978 году Инструкции по проектированию станций и узлов (ИПСУ-78) [45] предохранительный тупик для предотвращения ухода на главный путь вагонов с грузового района предусмотрен с двух приёмоотправочных путей, а не с одного, как это предусматривалось ранее. Это создало возможность передавать эти пути для производства маневровой работы со сборными поездами на местное управление, сохраняя централизованное управление движением по главным путям и приёмоотправочному пути с противоположной стороны (рисунок 1.10). Кроме того, при размещении грузовых устройств со стороны пассажирского здания путь для приёма сборных поездов перенесён на эту же сторону, что также позволяет передавать два пути на местное управление и исключает необходимость пересечения главных путей при манёврах.
Рекомендации нормативных документов по этапности развития станций и их горловин
Стрелочные горловины являются наиболее сложными и ответственными элементами путевого развития железнодорожных станций. От конструкций схем горловин зависят безопасность движения поездов и маневровой работы, пропускная способность станций, возможность параллельного выполнения нескольких операций и величина задержек подвижного состава по враждебности маршрутов, капитальные затраты на строительство и эксплуатационные расходы на содержание станции и др.
Теория проектирования стрелочных горловин железнодорожных станций прошла длительный исторический процесс формирования, и продолжает своё развитие в настоящее время.
Начало формирования этой теории относится к периоду проектирования и строительства Петербурго-Московской железной дороги (1842 - 1851 гг.). В эти годы руководителем строительства магистрали П.П. Мельниковым были сформированы положения по проектированию железнодорожных станций в целом и их горловин в частности [36].
На первых этапах строительства железнодорожных станций проектированию горловин уделялось недостаточное внимание. Основным критерием при проектировании горловин были минимальные расходы на строительство станции. Из-за этого в конце 70-х годов XIX столетия железные дороги стали испытывать резкие затруднения в работе, причиной чему было недостаточное и бессистемное развитие станций. В отчёте специальной комиссии по исследованию железнодорожного дела в России, созданной в 1876 г., отмечалось, что «при первоначальном устройстве дорог выбор места для станции не обставлялся какими-либо иными требованиями, кроме требований дешевизны устройства. Само устройство станций производилось по планам, в которых не только не предвиделось развития их в будущем, но упускались даже из виду удобства, необходимые для правильности, своевременности и безопасности движения. Такой порядок вел к тому, что вызываемое развитием перевозок постепенное расширение станций приходилось делать впоследствии без надлежащей системы и ограничивалось пристройками и укладкой путей там, где позволяла это сделать местность, а не там, где это действительно было необходимо, где того требовали удобства службы... На станциях нет деления путей на главные, приёмоотправочные, сортировочные, погрузочно-выгрузочные, отсутствуют вытяжные пути... Манёвры производятся с выездом на главные пути» [53].
Между тем, начиная с 60-х годов XIX века в трудах передовых русских ученых и инженеров-железнодорожников - И.Ф. Рерберга, А.Н. Горчакова, И.И. Рихтера, В.И. Троицкого были впервые разработаны такие важнейшие принципы проектирования станций, как специализация станций, путей и парков на них, обоснование расчётами отдельных элементов путевого развития станций с учётом предстоящих размеров движения и перспектив развития станций, обеспечение параллельности выполнения операций в горловинах, поточности передвижения вагонов по станции и др. [17, 80, 81, 82, 108, 109].
В частности, в работе И.Ф. Рерберга [80] рекомендуется во избежание лишних расходов при строительстве дороги запасные пути на станциях укладывать в количестве, необходимом только на первое время, предоставляя возможность службе движения увеличивать в дальнейшем их число и длину. К наиболее важным трудам но станциям в конце XIX века можно отнести работы Ф.А. Галицинского и С.Д. Карейши [15, 16, 47]. В 1898 г. по докладу Ф.А. Галицинского съезд инженеров службы пути в числе основных принципов проектирования станций отметил: «... Каждый проект станции должен допускать возможность дальнейшего развития ..., узловые и конечные станции следует проектировать с некоторым запасом против пропускной способности прилегающих участков» [15]. Кроме того, рекомендовалось отделять маневровые передвижения от поездных, а размеры устройств рассчитывать не на среднюю, а на максимальную работу. В работе С.Д. Карейши [47], посвященной обобщению опыта переустройства станций из-за увеличения размеров движения и укладки вторых путей, а также анализу допускавшихся при этом ошибок, формулируются принципы, обеспечивающие возможность этапного наращивания мощности станционных устройств, которые сохраняют своё значение до наших дней. Основные из них, касающиеся проектирования путевого развития, следующие: 1) Проект устройства или переустройства путей на станции должен сразу составляться с учетом всех будущих потребностей, причём и на случай, если действительные размеры работы превзойдут ожидаемые. Но на первое время нет надобности укладывать всё количество путей, показанных в проекте, а можно ограничиться укладкой лишь части путей. 2) Пассажирские пути и устройства следует располагать так, чтобы пассажирское движение было бы по возможности отделено от товарного. 3) Для разных операций с грузовыми поездами (приёма, отправления, сортировки, погрузки, выгрузки) должны предусматриваться особые группы путей или парки, с тем чтобы одни операции не мешали другим, причём на первое время при небольших объёмах работы можно допускать разные опера ции на одних и тех же путях. Важное место в разработке принципов этапного развития станций и узлов, а также станционных горловин занимает работа инженера Э.Л. Фишера [112], выполненная в 1917 году.
В этой работе, посвященной развитию Петроградского узла, предлагается на основе графического расчёта определять площадь, количество и размеры всех технических средств станций, которые отвечали бы размерам движения отдаленного будущего, и закладывать их в проект. Реализацию же проекта рекомендовалось предусматривать с таким расчётом, чтобы предвиденное путевое устройство станций выполнялось бы по мере надобности в соответствии с требованиями возрастающего движения путем добавления, либо удлинения зафиксированных планом путей, сооружений и прочих устройств.
В 30-е годы прошлого столетия были окончательно сформулированы качественные требования к этапному развитию станций, которые вошли в фунда ментальный учебник по станциям и узлам в двух частях, написанный академиком В.Н. Образцовым [56, 57]. В этом учебнике В.Н. Образцов отмечал, что всякое переустройство станций - это переустройство их горловин. В качестве основного требования, предъявляемого к схемам станций, указывалась возможность; дальнейшего развития без сложных переустройств и ломки капитальных сооружений. Очередность выполнения строительных работ рекомендовалась такой, чтобы каждый этап развития давал законченный эксплуатационный эффект. Считалось, что удовлетворить указанным требованиям легче всего в том случае, если «при построении простейшей схемы исходить из полной развернутой схемы, упраздняя ряд обустройств, ненужных на первых очередях развития станции, но потребующихся в дальнейшем». Это свидетельствует о том, что горловины нужно проектировать на полное развитие станции, а реализацию проекта осуществлять поэтапно.
Условие целесообразности проектирования горловин с учётом последующих этапов
Необходимость переустройства горловин железнодорожных станций вызывается рядом причин, основными из которых являются: - увеличение числа путей в парках в связи с ростом размеров движения; - электрификация линии; - примыкание новых подходов и подъездных путей предприятий; - изменение конструкции горловин для снижения задержек подвижного состава из-за враждебности маршрутов; - сооружение сортировочных горок на безгорочных станциях с заменой в горочной горловине обыкновенных стрелочных переводов марки 1/9 на симметричные переводы марки 1/6.
Если переустройство станции связано только с увеличением нормы полезной длины путей, без изменения их числа, то горловины переносят на новое место; при этом одновременно могут частично изменять их конструкцию, если в существующей имелись недостатки: неудачное секционирование путей, большая длина горловины, существенная разница в полезных длинах отдельных путей и др.
Наиболее характерным и интересным с теоретической точки зрения является переустройство горловин в связи с увеличением числа путей, то есть их развитие в связи с ростом объёма перевозочной работы. В условиях устойчивого роста размеров движения развитие горловин, связанное с поэтапным наращиванием путевого развития станций, осуществляется также поэтапно. Из этого следует, что обоснование эташюсти развития горловин - это не отдельная задача, а важнейшая составная часть более общей задачи обоснования этапно-сти развития всей станции. Это первое исходное положение.
Второе - это этапное развитие горловин имеет смысл только при устойчивой тенденции роста размеров движения. Третье исходное положение, которое следует иметь ввиду при развитии горловин: горловины станций или парков сквозного типа взаимосвязаны через норму полезной длины путей, которую должен иметь самый короткий путь, поэтому развитие каждой из горловин необходимо рассматривать во взаимосвязи с противоположной горловиной. Четвёртым исходным положением обоснования эташюсти развития горловин станций является необходимость учёта двух противоречивых требований к проектам переустройства станций, направленных на обеспечение экономичности проектного решения. Первым из этих требований является максимальное сохранение существующих устройств, а вторым - исключение излишеств и неоправданных резервов мощности устройств. Первое требование выполнимо при соблюдении следующих условий: - бронирование достаточной территории для перспективного развития станции; - размещение зданий и других капитальных сооружений с учётом отдаленной перспективы; - применение конструкций горловин, позволяющих наращивать число путей в парках практически с полным сохранением ранее уложенных стрелочных переводов.
Два первых условия были сформулированы в виде принципов размещения зданий и путей при проектировании станций ещё в конце XIX века в работах Рерберга И.Ф. и Карейши С.Д. [48, 80]. Что касается третьего условия, то в явном виде оно длительное время отсутствовало, хотя вытекало из требования разработки проектов станций с учётом всех будущих потребностей, сформули рованного в теоретических исследованиях и нормативных документах [103, 104]. В последних конкретно указывалось, что отдельные этапы должны получаться из проекта полного развития станций путём упразднения не требующихся на этих этапах путей и устройств.
Применительно к горловинам первое требование означает, что конструкции горловин должны быть открыты для дальнейшего развития таким образом, чтобы при увеличении числа путей обеспечивать максимально возможное сохранение положения стрелочных переводов, уложенных на предыдущих этапах развития.
Как показал анализ, это требование может быть обеспечено при развитии горловины по объемлющей схеме, при которой вновь укладываемые пути охватывают ранее уложенные, что позволяет обеспечивать норму полезной длины новых путей без больших излишеств. Пример объемлющей схемы развития парка приёма двусторонней сортировочной станции представлен на рисунке 3.1. Из рисунка видно, что при производстве строительных работ по увеличению числа путей в парке необходимо прекращать движение только для подключения вновь укладываемых путей к существующему путевому развитию.
Как будет показано ниже условиям беспрепятственного развития полностью отвечают схемы сортировочных станций с последовательным расположением парков, а также смещённые приёмоотправочные парки участковых станций полупродолыюго типа, развитие которых осуществляется практически независимо от других парков.
Наиболее неблагоприятные условия для развития горловин имеют место на участковых станциях поперечного типа и сортировочных станциях с параллельным и комбинированным расположением парков. Это обусловлено необходимостью переключения части путей из одного парка в другой, что требует кардинального переустройства горловин.
Если исходить из второго требования к проектам переустройства станций - отсутствия излишеств и неоправданных резервов, то горловины на каждом этапе развития должны проектироваться максимально компактными, однако на последующих этапах это, как правило, потребует разборки части стрелочных переводов и укладки других на новом месте, то есть появятся «бросовые» работы и затраты. Это может привести к искажению объективно существующей оптимальной эташюсти развития станции и отдалению срока ввода очередного этапа из-за неоправданного увеличения потребных капитальных вложений [35].
Упрощённый метод определения рационального числа путей в парке в течение расчётного периода
При проектировании горловин парков с учётом последующих этапов развития «бросовые работы» будут практически отсутствовать, а потери от предоставления «окон» для производства работ будут минимальны, поскольку отпадёт необходимость разборки стрелочных переводов и укладки вместо них других на новом месте. Такая стратегия развития горловин обеспечивает, кроме уже упомянутого, существенное снижение затрат на переустройство ЭЦ и контактной сети.
Влияние выполнения работ по реконструкции станций на показатели их эксплуатационной работы детально исследованы во ВНИИЖТе с использованием имитационного моделирования [83]. Созданы методики оценки влияния предоставления «окон» на задержки поездов и увеличения простоев вагонов отдельно для сортировочных и участковых станций. Для удобства использования на основании аппроксимации результатов моделирования получены эмпирические формулы, позволяющие получить увеличение задержек поездов и простоев вагонов на станциях для различных ситуаций: закрытие на различные сроки одного или нескольких парковых путей, стрелочных переводов и других станционных элементов.
Это позволяет использовать предлагаемые методики оценки потерь от предоставления «окон» для производства строительно-монтажных работ при решении конкретных задач при этапном развитии парков участковых и сортировочных станций.
Для участковых станций, как установлено в [83] дополнительные эксплуатационные расходы, связанные с выполнением реконструктивных мероприятий, составляют примерно 7-10% сметной стоимости реконструкции (без учёта капитальных вложений во вновь укладываемые пути). Это обстоятельство использовано в дальнейшем в примерах обоснования рациональной этапности развития парков.
В состав учитываемых эксплуатационных расходов, включаемых в матрицу С (Т, N) при обосновании этапности развития парков и их горловин достаточно включить расходы на содержание постоянных устройств - путей, стрелочных переводов, устройств ЭЦ и контактной сети (на электрифицируемых линиях). При этом учитывается, что дополнительные расходы, которые могут возникнуть при недостаточном числе путей из-за неприёма поездов станцией или увеличения простоев подвижного состава в ожидании выполнения операций, исключаются, поскольку при достижении размеров движения, требующих увеличения числа путей, это увеличение предусмотрено алгоритмом решения задачи и осуществляется автоматически.
Для проверки работоспособности предлагаемого метода в приложении А к диссертационной работе приведён пример определения рациональной этапности развития парков участковой станции полупродольного типа. В примере рассматриваются две стратегии развития станции. В первой из них горловины запроектированы с учётом перспективы дальнейшего развития станции, а во второй - максимально компактными для каждого варианта технического состояния. Минимальный шаг приращения путевого развития парков принят равным одному пути. Общее число вариантов технического состояния станции в каждой из стратегий равно шести, что соответствует числу путей в каждом из приё-моотправочных парков для транзитных поездов равному 4, 5, б, 7, 8 и 9. Динамика роста размеров движения задана такой, что первый вариант технического состояния станции может существовать только до пятого года эксплуатации, второй вариант - до девятого года эксплуатации, третий вариант - до четырнадцатого года и четвёртый вариант технического состояния - до восемнадцатого года эксплуатации.
Использование для решения задачи предлагаемого метода обоснования рациональной этапности развития парков и их горловин показало, что при использовании конструкций горловин, учитывающих перспективу развития, наиболее рациональным будет развитие станции в три этапа: реализация первого варианта технического состояния в начале эксплуатации объекта, переход к третьему варианту технического состояния к четвёртому году эксплуатации и переход к пятому варианту технического состояния на двенадцатом году эксплуатации.
Для стратегии, при которой горловины проектировались максимально компактными для каждого варианта технического состояния, наиболее рациональным оказалось развитие станции в два этапа. Согласно полученным результатам, в этом случае в начале эксплуатации объекта наиболее выгодно реализовать сразу третий вариант технического состояния станции, а затем на двенадцатом году эксплуатации перейти к пятому варианту технического состояния.
Сравнение суммарных приведенных затрат по указанным стратегиям развития станции за 20-летний период, позволяет сделать вывод, что в рассматриваемом случае целесообразнее принять стратегию развития участковой станции с горловинами, учитывающими перспективу дальнейшего развития, обеспечивающую экономию в размере 7 млн. руб.
