3. Расчет верхнего строения пути на прочность и устойчивость

3.1. Общие положения

Конструкция верхнего строения пути по прочности, устойчивости и состоянию должна обеспечить безопасное и плавное движение поездов с наибольшими скоростями, установленными для данного участка. Это требование ПТЭ необходимо выполнять в условиях непрерывного действия различных динамических нагрузок и природных воздействий, а также с учетом накопления остаточных деформаций всех элементов пути.

В основе требований, предъявляемых к конструкции верхнего строения пути, лежат условия обеспечения его прочности, устойчивости и экономичности. Расчетами на прочность определяется минимально необходимый тип верхнего строения пути в заданных условиях эксплуатации, а целесообразный тип ВСП определяется технико-экономическими расчетами.

Методика расчетов ВСП на прочность и устойчивость позволяет решить ряд задач:

• определение напряжений и деформаций в элементах ВСП в заданных условиях эксплуатации;

• оценка возможности повышения осевых нагрузок и скоростей движения при заданной конструкции пути;

• определение возможности работоспособности конструкции пути до очередного капитального ремонта;

• анализ причин потери прочности и устойчивости пути;

• проектирование новых конструкций.

Современная методика распространяется на конструкции ВСП с рельсами длиной 12,5 и 25 м, в том числе на рельсовые элементы стрелочного перевода.

Воздействия локомотивов определяют прочность пути, а воздействия вагонов – остаточные деформации.

3.2. Расчетные характеристики пути и подвижного состава

Важнейшими характеристиками упругих свойств верхнего строения пути являются модуль упругости рельсового основания и коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса.

Модуль упругости рельсового основания U численно равен равномерно распределенной реакции основания, возникающей на единицу длины рельса при упругой осадке основания, равной единице.

Коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса определяется по формуле:

, где

– модуль упругости рельсовой стали;

I – момент инерции поперечного сечения рельса относительно горизонтальной оси, м⁴;

Коэффициент К обычно находится в пределах от 1 до 2.

Модули упругости основания в зависимости от конструкции пути и времени года приведены в таблицах. Зимой модуль упругости увеличивается в 1.5 – 2 раза за счет смерзания балласта.

Динамические силы воздействуют на путь через колеса подвижного состава и рельс. В расчетах учитывают воздействия на путь одной тележки вагона или локомотива. Расчетные характеристики подвижного состава приведены в таблице 4.2 учебника. Горизонтальные (боковые) силы, а также крутящие моменты из-за эксцентриситета приложения вертикальных сил в расчетах учитываются коэффициентом f, определенным экспериментально (табл. 4.3 учебника).

3.3 Вертикальные динамические силы, действующие на рельс

Расчетная сила состоит из постоянной величины статической нагрузки на колесо и переменных дополнительных сил инерции от колебаний экипажа:

, где

Р_ст – вес экипажа;

Р_р – сила от колебания кузова на рессорах;

Р_нп – сила инерции необрессоренных масс при неровностях на пути;

Р_инк - сила инерции необрессоренных масс при изолированных неровностях на колесах;

Р_ннк – сила инерции при непрерывных неровностях на колесах.

Статическая нагрузка принята постоянной, а остальные являются случайными или статистическими величинами. Расчет выполнен на максимально вероятное значение динамической нагрузки.

В этих формулах:

— среднее значение вертикальной нагрузки;

— нормирующий множитель, определяющий появление максимальной динамической нагрузки; Нормирующий множитель принят = 2,5, что гарантирует уровень вероятности 0,994, т.е. из 1000 случаев прохода колеса в расчетном се­чении только в 6 случаях возможно превышение .

— среднее квадратическое отклонение от сил инерции, Н.

S_p— среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения, Н;

— среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс при прохождении колесом изоли­рованной неровности пути, Н;

— среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс, возникающих из-за непре­рывных неровностей на поверхности катания колес, Н;

— среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс, возникающих из-за наличия на поверхности катания колес плавных изолированных неровностей, Н;

— коэффициент, учитывающий величину колеблющейся массы пути (дере­вянные шпалы — 1, а железобетонные — 0,931);

— коэффициент учета жесткости пути (деревянные шпалы — 1, железобетон­ные—0,322);

— коэффициент, зависящий от типа рельсов (для рельсов Р50, Р65 и Р75 он равен соответственно 1; 0,87; 0,82);

— коэффициент учета рода балласта (щебень, асбест, сортированный гравий—1; карьерный гравий, ракушка — 1,1, песок — 1,5);

— расстояние между осями шпал (при эпюрах укладки 2000,1840 и 1600 шт./км; соответственно 0,5м; 0,55м; 0,63 м).

— коэффициент учета взаимодействия массы пути и необрессоренной массы экипажа (деревянные шпалы — 0,433, железобетонные — 0,403);

— расчетная глубина изолированной неровности, принимаемая 2/3 от наи­большей глубины ползуна на колесах по ПТЭ (для локомотивов с подшип­никами скольжения = 0,00067 м и качения = 0,00047 , а вагонов соот­ветственно = 0.00133 м и = 0,00067 м);

;

d – диаметр колеса, м.

Для вагонов: , где z_max – м;

, где V – км/ч, z_max – мм;

Для локомотивов: , где V – км/ч ; f_ст – мм, q – Н.

Локомотив ТЭП60:

Локомотив ТЭ3:

Вагон грузовой 4-осный ЦНИИ: