1Ходовые части железнодорожного подвижного состава имеют существенные особенности:

- колеса имеют гребни с внутренней стороны;

- коническую обточку поверхности качения.

Два колеса жестко (в горячем состоянии) насаженные на ось образуют колесную пару.

Расстояния между внутренними гранями гребней называют насадкой колес Т=1440 ±3 мм

Колеса бывают цельнокатанными -у вагонов и сборными (бандажными) – у локомотивов

У железнодорожных экипажей (локомотивов, вагонов) различают колесную и жесткую базу.

Колесной базой называют расстояние между крайними осями экипажа.

Жесткой базой называют расстояние между крайними осями, которые при движении по прямым и кривым остаются параллельными друг другу. Жесткие базы бывают двухосными, трехосными и многоосными (паровозы).

Чем длиннее жесткая база, тем труднее экипаж вписывается в кривую.

Коническая обточка колес нужна по двум причинам:

- для обеспечения плавности движения;

- для предотвращения седлообразного (желобчатого) износа поверхности качения.

Наличие коничности колес вызывает виляние колесных пар и тележек. Кроме того для улучшения передачи нагрузки от колеса на рельс устраивают подуклонку рельсов 1:20 на деревянных шпалах за счет клинчатых подкладок, а на железобетонных – за счет подуклонки подрельсовой площадки шпал.

Элемент с подуклонкой 1:7 нужен для улучшения перекатывания колеса через крестовину стрелочного перевода.

2Размеры колесной пары и ширины рельсовой колеи с учетом допусков тесно увязаны.

Шириной колесной пары называют расстояние между рабочими гранями гребней

q=T+h₁+h₂+2μ

где Т=1440±3 – насадка колес;

h₁ и h₂ – толщина гребней колес в расчетном уровне h_н=33 мм;

h_min=25 мм;

μ=1 для вагонов и μ=0 для локомотивов.

Номинальные (без учета допусков)

размеры колесных пар:

Вагонных q_нв=1440+2^.33+2=1508

Локомотивных q_нл=1440+2^.33=1506

Максимальные размеры колесных пар

q_maxв=1443+2^.33+2=1511

q_maxл=1443+2^.33=1509

Минимальные размеры колесных пар

q_minв=1437+2^.25+2=1489

q_minл=1437+2^.25=1487

4Ширина рельсовой колеи

S=q+δ

Номинальная ширина колеи в прямых участках отечественных железных дорог в соответствии с ПТЭ

Допуски на уширение +8 мм и 10 мм при скоростях движения менее 50 км/ч, а также – 4 мм на сужение колеи относятся к I степени и не требуют исправления

Старая российская колея (до 1970 г) составляла S=1524 мм →5 футов

Европейская колея S=1435 мм

Величины зазоров между гребнями колес и рельсами

δ=S-q

Номинальные зазоры

δ_нв=1520-1508=12

δ_нл=1520-1506=14

Минимальные зазоры

δ_min=S_min-q_max

δ_minв=1516-1511=5 мм

δ_minл=1516-1509=7 мм

Максимальные зазоры

δ_max=S_max-q_min

δ_maxв=1528-1485=39 мм

δ_maxл=1528-1487=41 мм

Нормы ширины колеи в прямых

Минимально допустимая ширина колеи определяется возможностью заклинивания колесной пары между рельсами

S_min=q_max+1

S_min=1443+2^.33+2^.1+1=1512 мм

Нормы ширины колеи в прямых

S_max=1548 мм

S_min=1512 мм

5Максимальная и минимальная ширина колеи из условий обеспечения безопасности движения

Максимальная ширина колеи определяется возможностью провала колесной пары между рельсами.

Возможность провала возникает тогда, когда одно из колес зависает 6-мм фаской на 13 мм выкружке рельса

Однако при гнилых шпалах и изношенных скреплениях провал возможен, когда одно из колес катиться по выкружке рельса элементом с коничностью 1:7.

Возникает распирающее усилие, под действием которого рельсы отжимаются и колесо проваливается.

S_max = h_min + μ + T_min + a – 6 – r

S_max =25+1+1437+130-6-13=1574 мм

S_max = 1574 – 24 – 2 = 1548 мм

S_min = q_max + 1 = 1511

Минимально допустимая ширина колеи определяется возможностью заклинивания колесной пары между рельсами

S_min=q_max+1

S_min=1443+2^.33+2^.1+1=1512 мм

Нормы ширины колеи в прямых

Минимально допустимая ширина колеи определяется возможностью заклинивания колесной пары между рельсами

S_min=q_max+1

S_min=1443+2^.33+2^.1+1=1512 мм

Нормы ширины колеи в прямых

S_max=1548 мм

S_min=1512 мм

6Особенностями устройства рельсовой колеи в кривых являются:

1. Наличие возвышения наружной рельсовой нити для уравновешивания центробежных сил

2. Наличие переходных кривых для плавного отвода возвышения и кривизны пути

3. Уширение рельсовой колеи в кривых малого радиуса для улучшения вписывания жестких баз экипажей

4. Укладка укороченных рельсов на внутренней нити для предотвращения забега стыков

5. Устройства уширения междупутных расстояний на двухпутных линиях для соблюдения габарита приближения строений С

Нормы и допуски ширины колеи в кривых, установленные ПТЭ

• Радиус, м Ширина колеи, мм

• R³350 S=1520+8(10) –4

• R=299-300 S=1530+8(10) -4

• R<299 S=1535 +6 (8,10) –4

При норме ширины колеи 1535 мм допуск +8 применяется в диапазоне скоростей 50-60 км в час. При скоростях менее 50 км в час допуск + 10 мм.

7Виды вписывания жестких баз экипажей в кривые

Движение ходовой тележки (жесткой базы) по кривой складывается из двух составляющих:

- поступательного по направлению продольной оси жесткой базы;

- вращательного относительно некоторой точки О, называемой центром (полюсом) поворота

Свободное вписывание

При свободном списывании переднее колесо тележки гребнем набегает на наружний рельс в точке А и под действием сил У поворачивается относительно точки О, лежащей на задней оси (на пересечении радиуса перпендикуляра, опущенного на продольную ось жесткой базы из центра кривой).

Гребни других колес не касаются рабочих граней рельсов

Принудительное вписывание

Если ширина колеи недостаточна для свободного вписывания, то жесткая база направляется обеими нитями. Переднее колесо касается гребнем наружного рельса, а заднее – внутреннего.

Тележка поворачивается парой сил У₁ и У₂ полюс поворота находится между передней и задней осями

Заклиненное вписывание

При этом вписывании все колеса двухосной жесткой базы гребнями касаются боковых граней рельсов без зазоров.

В трехосной жесткой базе в таком положении оказываются крайние колеса, касающиеся гребнями наружных рельсов, и среднее колесо, касающееся гребнем внутреннего рельса.

Из-за большого сопротивления движению заклиненное вписывание в эксплуатации не допускается.

Центр поворота здесь находится посредине жесткой базы L.

8 При определении оптимальной ширины колеи за исходную принимают схему свободного вписывания. На слайде представлена схема такого вписывания для трехосной тележки с учетом разбегов h₁ крайних осей.

Оптимальная ширина колеи в мм S_опт определяется по формуле S_опт=q_max+f_н-h₁+4, где q_max – максимальная ширина колесной пары; f_н – стрела изгиба наружного рельса в мм при хорде АВ, АВ=2(l+b); h₁ – разбег первой колесной пары; 4 – допуск на сужение колеи. Величина стрелы f_н определяется по формуле: , где l - расстояние от центра вращения тележки О до оси первой колесной пары, равное в данном случае длине жесткой базы L, мм; R - радиус кривой, мм;

b - расстояние от оси первой колесной пары до точки касания гребня колеса боковой грани рельса, определяемое по формуле: здесь r - радиус колеса по среднему кругу катания, мм; t - угол наклона образующей гребня колеса к горизонту, равный для вагонных колес 60⁰ и для локомотивов 70⁰. Полученное значение S_опт сравнивают с нормативным [S]. Если S_опт£[S], то принимают нормативную ширину колеи. Если же S_опт>[S], то необходимо определить минимально допустимую ширину колеи.

9При определении минимально допустимой ширины колеи за исходную принимают схему заклиненного вписывания.

У читывая, что заклиненное вписывание допускать нельзя, к полученной по этим схемам ширине S_з прибавляют величину зазора d_min/2 между боковой рабочей гранью рельса и гребнем колеса. Минимально допустимую ширину колеи S_min, мм, определяют из выражения: где f_н и f_в – стрелы изгиба наружной и внутренней нитей кривой, отсчитываемые соответственно от хорд АВ и CD, проведенные через точки касания колес с наружной и внутренней нитями.

В еличины их определяются по формулам:

10

При непрерывном повороте экипажа в сторону центра кривой возникает центробежное ускорение: где V – скорость движения; R – радиус кривой. Центробежная сила J, равная произведению массы экипажа m на величину центробежного ускорения и направленная в сторону от центра кривой, определяется по формуле:

П ри устройстве возвышения наружного рельса центробежная сила уменьшается на величину горизонтальной составляющей веса экипажа, определяемую по формуле: где g – ускорение силы тяжести; h – возвышение наружного рельса; S₀ – расстояние между осями рельсовых нитей (в расчетах обычно принимается 1,6 м).

Р азница между силами J и T называется непогашенной центробежной силой: а выражение в скобках носит название непогашенного ускорения: При V→км/ч; h→мм

Для обеспечения безопасности движения и снижения воздействия на путь величина возвышения наружного рельса должна удовлетворять ряду условий. Согласно одному условию, назовем его первым, приводится требование о равенстве суммы вертикальных давлений колес на наружную и внутреннюю рельсовые нити. Е_н=Е_в.

1 1

здесь Q_i и v_i – масса и скорость i-го поезда

В настоящее время имеет место существенный разрыв в скоростях движения грузовых и пассажирских поездов. Поэтому приходится разрешать непогашенное ускорение [a_н] =0,7 м/с². Это приводит ко второму условию: что позволяет получить вторую формулу для определения возвышения наружного рельса при [a_н] =0,7 м/с² Допускаемая скорость движения

Д ля грузовых поездов непогашенное ускорение ограничивают величиной a_н=±0,3 м/с². В случае a_н=0,3 м/с² величина наружного рельса определяется по формуле: Из полученных по формулам значений h принимается наибольшее с округлением до 5 мм. Согласно ПТЭ на отечественных железных дорогах максимальное возвышение принято ограничивать величиной h_max=150 мм. Если по расчету окажется, что h> h_max=150 мм, то следует на вновь строящихся линиях увеличить радиус кривой, а на эксплуатируемых линиях ограничивают скорость движения пассажирских поездов из условия a_н=0,7 м/с² при h=150 мм по формуле:

12Переходные кривые обеспечивают плавность входа подвижного состава в кривые за счет плавного нарастания кривизны. При изменении радиуса от ¥ в НПК до радиуса круговой криво R в КПК. В переделах переходной кривой также плавно увеличивается возвышение наружного рельса от 0 до h.

В качестве переходных кривых чаще всего используют радиоидальные спирали и реже – кубические параболы. У этих кривых кривизна К_х изменяется плавно, увеличиваясь пропорционально их длине l_x: где С-коэффициент пропорциональности, называемый параметросм переходной кривой; ρ_х - радиус кривизны.

Учитывая, что до конца переходной кривой l_x=l₀ и ρ_x=R, парасетр переходной кривой определяется как:

.

Длина переходной кривой l₀ орределяется из условий ограничения вертикальной составляющей скорости подъема колеса на наружный рельс f и скорости нарастания поперечного ускорения ψ.

14 Усиление пути в кривых При движении подвижного состава по кривых, на путь действуют дополнительные силы, вызванные вписыванием подвижного состава. Кроме того, происходят перегрузки внутренней или наружной нити кривой вследствие разницы между фактической и средневзвешенной скоростью, на которую рассчитано средневзвешенное возвышение наружного рельса. Поэтому верхнее строение пути в кривых усиливают по сравнению с прямой. По действующим техническим условиям усиление кривых начинают при радиусе 1200 м и менее. Для этого увеличивают количество шпал на километр, применяя эпюру их на одну ступень выше в сравнении с прямыми участками пути; плечо балластной призмы с наружной стороны пути увеличивают на 10 см; ставят несимметричные подкладки с большим плечом в наружную сторону.

Контррельсы в кривых Если радиус кривой настолько мал, что максимально допустимая ширина колеи 1535 мм оказывается меньше минимально необходимой при принудительном вписывании (хотя и больше, чем при заклиненном вписывании), то в таких кривых резко повышается сопротивление движению и увеличивается интенсивность износа рельсов. Для обеспечения работы наружной нити в таких кривых укладывают контррельсы внутри колеи внутренней нити. В этом случае направляющая колесная пара колесом, идущим по внутренней нити, упирается в контррельс, не распирая наружную нить.

В очень крутых кривых приходится иногда укладывать контррельсы у обоих нитей со стороны центра кривой. Контррельсы увеличивают сопротивление движению, поэтому практически их применяют лишь в кривых радиуса примерно 160 м и менее. Желоб между контррельсом и внутренней нитью кривых должен иметь ширину 60-85 мм. Контррельсы должны быть прочно и надежно соединены с ходовыми рельсами посредством вкладышей и болтов и при необходимости должны допускать возможность накатывания безребордных колес. Все новые локомотивы рассчитывают на вписывание в кривые радиуса не менее 150 м при ширине колеи 1535 мм.

15В связи с тем, что в пределах кривых радиус внутренней рельсовой нити несколько меньше (на величину S₀=1600 мм) радиуса наружной рельсовой нити, длина внутренней нити короче наружной.

Для компенсации этой разницы и обеспечения укладки стыков в одном створе по внутренней нити кривой укладываются укороченные рельсы.

Величина укорочения определяется следующим образом:

e=ÈАВ-ÈА^/В^/

e=R_нj-R_вj=( R_н-R_в)j

e=S₀j

Здесь S₀ – расстояние между осями рельсов S₀ =1600 мм;

j - угол поворота трассы.

В РФ приняты следующие типы укорочения К_i:

При длине рельса 12,5 м – К₁= 40 мм, К₂=80 мм

и К₃=120 мм;

При длине рельса 25 м – 80 или 160 мм.

Для выбора величины К_i следует руководствоваться длиной

рельса и величиной радиуса кривой.

Минимальная величина стандартного укорочения

К=80 мм при l_р=25 м

соответствует радиусу кривой R≥500 м.

Ввиду невозможности обеспечить точное расположение «по наугольнику» допускается забег их на величину

не более половины принятого укорочения (±К/2).

Укорочение на переходной кривой рассчитываетсяформуле