книги из ГПНТБ / Амелин, С. В. Верхнее строение пути учебное пособие

головок с уширением книзу; головки с вертикальными гра­ нями занимают в этом отношении промежуточное положение;

— по положению центра тяжести сечения головки и, сле­ довательно, по работе на изгиб грушевидные головки лучше головок с уширением книзу (центр тяжести больше удален от нейтральной оси); головки с вертикальными боковыми гра­ нями занимают в этом отношении промежуточное положение;

—по условиям обеспечения большей опорной площади для накладок головки с уширением книзу лучше грушевид­ ных; головки с вертикальными боковыми гранями в этом отношении занимают промежуточное положение;

—по плавности перехода сечения от головки к шейке грушевидные головки лучше, чем уширенные книзу; головки

свертикальными боковыми гранями занимают в этом отно­ шении промежуточное положение;

—по износу — рельсы с головками, уширящимися книзу, лучше, чем грушевидные; головки с вертикальными боковыми гранями занимают в этом отношении промежуточное поло­ жение.

Сопряжение боковых граней головки рельса с нижними

в целях обеспечения возможно большей опорной поверхно­ сти для накладок стремятся делать кривыми наименьших радиусов г2 (ем. рис. 14 и рис. 15). Для более плавного перехода от мощной головки к тонкой шейке следовало бы принять г2 возможно больших размеров. У нас в стране для

В заграничных рельсах ве­ личина г2 также находится в пределах 1,5—4 мм.

Нижние грани головки рельса, как и верхние грани по­ дошвы рельса (см. рис. 15), служат опорными поверхностями для накладок.

Чем меньше угол наклона а нижней грани головки и верх­ ней грани подошвы рельса к горизонту, тем лучше условия статической передачи вертикальных сил от головки на на­ кладки. Однако чем меньше а, тем хуже перерабатываются Ударные воздействия на стык, ускоряющие расплющивание головки рельса в стыке, тем более жестким будет стык.

21

Р, -tga<Pi/.

Сопряжение нижних граней головки с шейкой делается по окружности радиусом г3, а иногда двух радиусов г3 и г3 . Такое сопряжение должно обеспечить достаточную опорную поверхность для накладки и плавный переход от мощной го­ ловки к тонкой шейке. Радиус

как обеспечивают большую плавность перехода от сравни­ тельно тонкой шейки к головке и подошве.

У рельсов типа Р50 шейки криволинейного очертания имеют радиус ^„, = 350 мм, у Р65 — 400, а у Р75 — 450 мм.

На зарубежных дорогах значение 7?ш колеблется в предела* от 250 до 600 мм (в Китае 7?ш=400 мм, в США — 356, в Япо­ нии— 254, в Испании — 305, в Норвегии — 600 мм).

Сопряжение шейки с подошвой выполняется радиусом г4 (рИщ 17); величина его диктуется теми же соображения­ ми, что и величина г3. При однообразном наклоне верхней поверхности подошвы (рис. 17, а), как, например, у рельсбй типов Р75, Р65 и Р50, значения г4 приняты большими, чем г3: для рельсов типа Р50 г4 = 20 мм, для Р65 и Р75 — г4 —25 Мм.

22

Верхняя поверхность подошвы рельса делается наклон­ ной к горизонту, так же как и нижняя поверхность головки рельса.

В современных рельсах эта поверхность делается одного наклона 1 : К (рис. 17, а), при котором подошва получается

сбольшим сечением (более мощной).

Встарых рельсах наших дорог и зарубежных (Франции, ГДР, ФРГ, Испании, Венгрии и др.) с целью экономии ме­

талла верхняя поверхность подошвы делалась двух уклонов

1: К и 1 : т (рис. 17, б).

Врельсах типов Р75 и Р65 — 1 : К= 1 : 4, а Р43 — 1:3.

Сопряжения верхней и нижней поверхностей с вертикаль­ ными гранями подошвы делают радиусами 2—4 мм. У всех

из. слитков стали. Сталь изготовляется в конверторах по. спо­ собу Бессемера или в мартеновских печах. Бессемеровская

•сталь получается в результате продувки расплавленного чу­ гуна кислородом (15—18 мин) в поворачивающихся печахретортах (конверторах). При этом выгорает углерод и часть примесей. Мартеновскую сталь варят из чугуна и стального лома в больших печах емкостью от 180 до 500 т в течение нескольких часов. Эта сталь чище и менее хладноломка, чем бессемеровская. Рельсы тяжелых типов (Р65 и Р75) прока­ тываются только из мартеновской стали.

Качество рельсовой стали определяется ее химическим составом (табл. 3), микро- и макроструктурой.

23

Углерод повышает твердость и износоустойчивость рель­ совой стали. По данным А. И. Скакова, изменение содержа­ ния в мартеновской стали углерода с 0,42 до 0,62% может повысить износостойкость ее более чем в семь раз, а увели­ чение с 0,63 до 0,7% — примерно на 30%. Однако чем выше содержание углерода в стали, тем больше при прочих рав­ ных условиях ее хрупкость, тем затруднительнее холодная правка рельсов, тем более равномерно должен быть распре­ делен металл по сечению рельса, тем более жестко должен выдерживаться химический состав, особенно в отношениитаких вредных примесей, как фосфор и сера.

Марганец повышает твердость и износоустойчивость ста­ ли, обеспечивая ей достаточную вязкость.

Кремний улучшает качество стали, увеличивая твердость металла и сопротивляемость его износу.

Фосфор и сера являются вредными примесями — они при­ дают стали хрупкость: при большом содержании фосфора рельсы получаются хладноломкими, при большом содержа­ нии серы — красноломкими.

Мышьяк несколько увеличивает твердость и износостой­ кость рельсовой стали, но в излишнем количестве уменьшает ее ударную вязкость.

По микроструктуре, устанавливаемой под микроскопом с увеличением в 100—200 раз, компонентами обычной рель­ совой стали является феррит, состоящий из свободного от углерода железа Ре, и перлит, который представляет собой смесь феррита и цемента FeC.

Изучение микроструктуры рельсовой стали показывает,, что значительные сопротивления износу и вязкость обеспечи­ ваются сорбитовой структурой, которая получается в резуль­ тате специальной термической обработки стали. В настоящеевремя наиболее распространена поверхностная (на 8—10 мм) закалка головки на сорбитовую структуру.

Важнейшее значение для качества рельсовой стали имеет ее макроструктура (строение в ее изломе при рассмотрении невооруженным глазом или при помощи лупы). Сталь должна иметь однородное мелкозернистое строение без шлаковин, во­ лосовин, пленки, следов неоднородного распределения хими­ ческого состава по сечению (ликвации). Улучшение каче­ ства стали в этом направлении достигается строгим соблю­ дением технических условий и непрерывным совершенство­ ванием технологии изготовления стали и проката рельсов.

Предел прочности при растяжении рельсов типов Р65, Р50- и Р43 первого сорта должен быть не менее 80 кГ/мм2, вто­ рого сорта — не менее 70 кГ/мм2.

Объемный вес рельсовой стали принят равным 7,83 т/м3„

24

на единицу длины, выраженный в килограммах на один по­ гонный метр.

Определение оптимального веса рельса задача чрез­ вычайно трудная, так как вес зависит от большого количе­ ства факторов: осевых нагрузок, скоростей движения поез­ дов, грузонапряженности, качества рельсовой стали, профиля рельса и др.

В основу оценки целесообразности того или иного веса рельса обычно кладутся следующие соображения:

1)чем больше нагрузки на ось железнодорожного экипа­ жа, скорости движения поездов и грузонапряженность линии, тем больше при прочих равных условиях должен быть вес рельса q\

2)чем больше вес рельса q, тем меньше при прочих рав­ ных условиях эксплуатационные расходы на грузонапряжен­ ных линиях (по содержанию пути, по сопротивлению движе­ нию поездов и т. п.).

Приближенно вес рельса можно определять по эмпириче­

ской зависимости этого веса от какого-либо одного или ограниченного количества факторов.

Проф. Г. М. Шахунянц предложил определять вес рельса в зависимости от вида подвижного состава, от грузонапря­ женности линии, от скорости движения поездов и от стати­ ческой нагрузки на ось локомотива по выражению:

где а — коэффициент, равный для вагонов 1,20, для ло­ комотивов — 1,13;

Ттлх— грузонапряженность, млн. ткм/км в год\

v — скорость движения поездов, на которую рассчиты­ вается конструкция пути, км/ч-,

Р — статическая нагрузка на ось локомотива, Т.

Входящие в выражение (2) величины можно брать иэ табл. 4, составленной Г. М. Шахунянцем.

Несмотря на то, что формула (2) не отражает всей слож­ ности явления взаимосвязи факторов, влияющих на выбор веса рельса, она лучше других позволяет достаточно обосно­ ванно принимать решение в порядке первого приближения.

2>

Вес стандартных рельсов СССР находится в пределах

44—75 кг/пог. м.

На отдельных линиях наших железных дорог в пути имеются еще и легкие рельсы типов IVa, Ilia, На или Р38, 1а и Р43. Однако рельсы типа IVa не прокатываются с 1926 г.,

для стрелочных переводов.

На железных дорогах США рельсы применяют весом ог

рельсов заключается в увеличении срока их службы, сни­ жении удельного расхода металла, уменьшении сопротивле­ ния движению поездов и сокращении затрат на содержание пути.

По данным Всесоюзного научно-исследовательского ин­ ститута МПС (ЦНИИ МПС), каждый килограмм увеличения веса рельса по сравнению с весом рельса типа Р50 снижает затраты труда на текущее содержание пути на 1,5—1,8% и уменьшает расход материалов до 1,4%.

26

Более тяжелый рельс распределяет давление колес по­ движного состава на большее количество шпал, вследствие чего уменьшается давление на каждую шпалу, замедляется механический износ и увеличивается срок их службы. Одно­ временно снижается динамическое давление на балласт, уменьшается истирание и измельчение частиц балласта. Так, в пути с рельсами типа Р43 засорение и загрязнение щебня на 1 млн. тбрутто на 9—20% выше, чем при прочих равных условиях в пути с рельсами типа Р50. Поэтому с увеличе­ нием веса рельсов реже возникает надобность в среднем и нодъемочном ремонтах пути. По тяжелым рельсам можно перевезти и больше грузов: так, рельсы Р50, которые на

пути (в частности, от .веса рельсов), при неизмененных прочих условиях могут быть подсчитаны по формуле

490кГ/см2, при железобетонных 1100—1800 кГ/см2;

к—- коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса, см~х (обычно 0,010-^-0,025);

тягу поездов Эт, а также на ремонт ходовых частей подвиж­ ного состава.

27

Р75 — 3,62 руб.

При экономических расчетах по выбору типа рельса предпочтение отдается рельсу, для которого годовая сумма

Bt — эксплуатационные расходы i-го года.

Сроки окупаемости дополнительных капиталовложений на укладку тяжелых рельсов весьма короткие, обычно от 1,5 до 4,5 лет.

Сферы целесообразного применения рельсов той или иной весовой категории определяются не только экономическими^ но и техническими соображениями. Так, внедрение электро­ возной и тепловозной тяги, нового подвижного состава, рост нагрузок на оси и скоростей движения поездов непременно обусловливает расширение полигона линий с тяжелыми рельсами.

На основании исследований ЦНИИ МПС и рекоменда­ ций Главного управления пути МПС с учетом сложившейся на сети фактической грузонапряженности и реальных воз­ можностей получения рельсов тяжелых типов, для дорог

СССР установлены следующие сферы применения рельсов различного веса:

6. Основные размеры рельса

Ширина головки рельса

I I I ирина головки рельса должна иметь такре

размеры, при которых обеспечиваются наименьшие контакт­ ные напряжения и наибольший срок службы рельса по износу.

28

Так как рельс ставится с подуклонкой 1/20, для обеспе­ чения равномерного износа головки необходимо, чтобы ко­ лесо катилось по нему поверхностью с коничностью 1/20. Исходя из этого при новых рельсах и колесах на прямом участке пути, когда середина колесной пары совмещена с серединой рельсовой колеи (рис. 18)

Для вагонов со стальными колесами и при S0=1520 мм (при отсутствии допусков), а0=ЮО мм, ^ = 1440 мм, согласно выражению (6) будем иметь

Если колесная пара движется, прижимаясь к одному рель­ су, то при тех же условиях (рис. 19), при которых получено выражение (6), со стороны прижатого колеса ширина го­ ловки будет

29