2) Показатели безопасности движения.

Они определяют условия нормального направления колес рельсовой колеей, отсутствие поперечных остаточных деформаций (сдвижки) пути, запасы прочности рельсов и деталей ходовых частей. К этим показателям относятся: устойчивость колеса против схода с рельсов; устойчивость пути против сдвига в плане; устойчивость пути по ширине колеи; прочность рельсов и ходовых частей и т.д. Рассмотрим основные показатели.

Устойчивость колеса против схода с рельсов. Передние колеса тележек при движении по прямым или кривым участкам пути набегают своими гребнями (рис. 12.1, а) на боковые грани головок рельсов. Угол набегания в крутых кривых может достигать 0,01 рад и даже более. Место контакта гребня с головкой рельса находится впереди вертикали, проходящей через центр оси, величина предварения касания , (где – радиус колеса, соответствующий точке контакта колеса и рельса; – угол наклона образующей гребня бандажа на рис. 12.1, а).

В точке контакта колеса и рельса возникает нормальная сила реакции (рис. 12.1, б). Ее вертикальная составляющая стремится вынудить вращающееся колесо перемещаться вверх по боковой поверхности рельса, а горизонтальная составляющая (направляющая сила) направляет экипаж в рельсовой колее, причем , .

Рис. 12.1. К определению запаса устойчивости колеса против схода с рельсов

Под действием силы левое колесо стремиться соскользнуть вниз, однако этому препятствует сила трения (здесь – коэффициент трения).

Составляющие силы трения определяются:

; (12.8)

. (12.9)

Кроме направляющей силы , приложенной к гребню бандажа, на колесную пару действует еще реакция рамы – рамная сила. Горизонтальную реакцию колеса на рельс называют боковой силой . Согласно (рис. 12.1, а) при набегании левого колеса на рельс

; ; . (12.10)

Подставим формулу для в выражение (12.9), связывающее боковую и направляющую силы:

отсюда

Подставим полученное выражение для в формулы для сил и :

Очевидно, что колесо не будет подниматься вверх по рельсу, если сумма сил меньше . В связи с этим вводят коэффициент запаса устойчивости колеса против схода с рельсов

(2.7)

Допустимое значение коэффициента принимается Как видно из формулы поднятие колеса зависит от величины силы и параметров бандажа и коэффициента трения .

Пример. Угол =70°- стандартный бандаж; = 2,75; =0,2 (сталь по стали).

Если принять = 1,45, то

Для нагрузки на ось = 230 кН, = 115 кН и допустимое значение боковой силы

Таким образом, наибольшая допустимая боковая сила по условию обеспечения устойчивости колеса против схода с рельса при = 230 кН. Соответствующее этому значение

Устойчивость пути против сдвига в плане (поперечная устойчивость пути).

Сопротивление R_п пути сдвигу в плане (рис. 12.2,а) определяется двумя факторами: сопротивлением балласта, передаваемым на торец шпалы, R_бл и трением подошвы шпалы о балласт

Поскольку сила трения зависит от нагрузки на ось, сопротивление R_п также зависит от нее (рис. 12.2, б):

(2.8)

В отечественной практике принято оценивать устойчивость пути против сдвига в плане соотношением

Если принять 2П = 230 кН, то допустимая рамная сила или в среднем 126,5 кН. Соответствующая этому боковая сила или в среднем 149,5 кН. Наименьшие значения этих сил ограничивают боковое нажатие подвижного состава на рельс при нестабилизированном балластном слое после выправки пути: и

Рис. 12.2. К определению запаса устойчивости пути против сдвига в плане

Средние значения этих сил и ограничивают боковое нажатие при нормальном состоянии балластного слоя.

Условие устойчивости пути против сдвига в плане

или

Величина меньше, чем допустимая боковая сила по условию обеспечения устойчивости колеса против схода с рельса, которая была определена равной 130 кН, поэтому рассматриваемый критерий, как правило, налагает более жесткое ограничение на поперечные силы.

Устойчивость пути по ширине колеи.

Этот показатель характеризует качество крепления рельса к шпале. Невыполнение этого условия вызывает отрыв рельса от шпалы и, как следствие, уширение (расшивку) рельсовой колеи. Условие устойчивости записывается в виде

где - допустимое боковое давление рельса на шпалы, равное 40-45 кН.

Поперечная устойчивость экипажа от опрокидывания в кривой. Она определяется соотношением П/(П_ц+П_В)>1, где П_ц, П_В - вертикальные разгрузки колеса от действия соответственно центробежных и ветровых нагрузок (500 Н на 1 м² боковой поверхности локомотива).

Плавность хода. Этот показатель характеризует утомляемость локомотивной бригады и пассажиров из-за действия вибраций и оценивается различными показателями в переходных и установившихся режимах движения.

В переходных режимах движения, таких, как трогание и торможения, вход и выход из кривой, плавность хода оценивают по допустимому значению третьей производной

Здесь большее значение относится к режимам трогания и торможения, меньшее- к режимам входа и выхода из кривой.

В квазиустановившемся режиме движения в кривой радиуса R могут возникать неприятные ощущения у людей, вызванные центростремительным ускорением a_цс=υ²/R. Как указывалась выше, для описания явлений, возникающих при движении в кривой, удобно пользоваться понятием центробежной силы Для компенсации этой силы наружный рельс в кривой укладывают выше внутреннего на величину h, которую называют возвышением (рис. 2.15). возвышение целесообразно выбирать так, что составляющие сил F_ц и mg, направленные параллельно плоскости пути, были одинаковыми:

Так как то ( здесь 2s_p- расстояние между кругами катания колес колесной пары, равное 1600 м). Принимая, что v измеряется в километрах в час, R- в километрах и h- в миллиметрах, получим h=12,5/R.

Максимальное допустимое возвышение на дорогах нашей страны принимается равным 150 мм и обычно компенсирует только часть центробежной силы; некоторая ее часть остается неуравновешенной:

или с учетом малости угла α

Множитель, стоящий в скобках в этом выражении, представляет собой непогашенное ускорение:

(2.9)

Недопустимым на дорогах считают непогашенное ускорение [a_н]≥0,7м/с², вызывающие неприятное ощущение у людей. ВНИИЖТ рекомендует установить наибольшее его значение из условия удовлетворительного воздействия на пассажиров равным 1 м/с². В других странах нормируемое значение этого ускорения установлено, например, в Японии, Италии равным 0,8 м/с², во Франции- 1м/с², в ФРГ- 0,85м/с². Подставляя значения [а_н] в формулу (2.9), можно найти максимальную допустимую скорость движения:

(2.10)

При h=150мм и [а_н]= 0,7м/с², имеем в км/ч.

Если R=1000м, то при принятых значениях h и [a_н] максимальная скорость υ_max 145км/ч. При υ_max=200км/ч на основе выражения (2.10) получим

Значения допустимых скоростей движения, подсчитанные по выражению (2.10) для кривых различного радиуса, следующие:

R, м……….. 300 350 400 500 600 700 800 1000

υ, км/ч…….. 80 85 95 105 115 125 130 145

Эти значения, а также возвышения наружного рельса регламентированы Правилами технической эксплуатации железных дорог Союза ССР.

В установившемся режиме движения плавность хода оценивают по коэффициенту плавности хода С или по времени утомляемости τ_y.

Метод оценки коэффициента плавности хода С был разработан немецким инженером Е.Шперлингом на основе испытаний по воздействию вибраций на организм человека. Результаты этих и других исследований показали, что под воздействием вибраций в организме человека возникают физиологические изменения, которые с увеличением времени действия вибраций накапливаются и характеризуют утомляемость человека. Кроме того, организм человека по-разному воспринимает вибрации различной частоты f и направления, что учитывают с помощью коэффициента А_ф, зависящего от частоты f (рис. 2.16).

На основе обработки экспериментальных данных Е.Шперлингом было получено, что за меру раздражения λ организм человека синусоидальными колебаниями с амплитудой q₀ при неограниченном времени действия вибраций.