Залавский Н.И. Железнодорожный путь. Учеб. пособ. 2017

1)не подвергается очистке и повторному использованию в пути;

2)представляет серьезную экологическую проблему (необходимость захоронения, вырезаемого из пути при капитальном ремонте с заменым щебнем; опасен для здоровья людей);

3)применение в последние годы резко ограничивается участками пути с интенсивным засорением сыпучими грузами, а также зоной месторождений (Урал).

Гравийный и гравийно-песчаный балласт применяется на станци-

онных, подъездных и соединительных путях, а также в качестве подушки под все виды балластов (щебеночный, асбестовый); допускается также балластировка главного пути 4-го класса.

В зависимости от зернового состава природной песчано-гравийной смеси, образовавшейся в результате естественного разрушения горных пород, балласт подразделяются на гравийный и гравийно-песчаный.

Песок используемый для песчаной подушки, должен быть дренирующим и иметь коэффициент фильтрации Кф >0,5 м/сут.

Песок, гравий, щебень, как и 140 лет назад, являются типовыми составляющими балластной призмы. Ещё при строительстве дороги СанктПетербург – Москва устраивали двухслойную песчаную призму, основную часть которой покрывали слоем щебня толщиной до 18 см.

5.3 Поперечные профили балластной призмы

По конструкции балластной призмы различают: однослойные (из любых балластных материалов, кроме щебеночного); двухслойные (щебеночный или асбестовый балласты поверх песчаной или песчано-гравийной подушки); трехслойные (асбестовый балласт поверх щебеночной призмы на песчаной подушке).

Назначение песчаной подушки: предотвращать засорение щебня грунтом основной площадки земляного полотна, предохранять грунт от разжижения (весной), пересыхания и растрескивания (летом).

Уклон откосов призмы должен быть не круче 1:1,5, а песчаной подушки 1:2. Отступления от установленных размеров балластной призмы для всех классов пути должны быть не более: по толщине слоя +5, −0 см (с плавным переходом по длине не менее 10 м); по толщине подушки +10, – 0 см (с плавным переходи на длине не менее 20 м); по ширине плеча ± 3 см; по крутизне откоса +0,1 (по заложению).

Неравномерные осадки пути происходят из-за разброса показателей сопротивления балластного слоя сдвигу (τс) обусловленное наличием внутреннего трения (характеризующаяся коэффициентом внутреннего трения f = tgφ, где φ – угол внутреннего трения) и зацеплением зёрен балласта (характеризующаяся удельным зацеплением – с).

τс = с + fσ,

где: τс – сопротивление балластного слоя сдвигу;

101

f – коэффициент внутреннего трения;

σ – нормальное вертикальное напряжение в балластном слое от подъездной нагрузки и собственного веса верхнего строения пути.

Таблица 3.3 – Размеры балластной призмы и обочин земляного полотна в зависимости от класса пути (деревянные / железобетонные шпалы)

Рисунок 3.38 – Балластная призма

Из экспериментальных данных следует, что с увеличением крупности зерен щебня увеличивается несущая способность балласта. Однако у щебня фракций 25–70 мм затруднено создание ровной опорной поверхности под шпалами. В результате вместо равномерного опирания шпал на балласт происходит передача давления на отдельные крупные камни. Это вызывает концентрацию напряжений, превышающий предельно допускаемые для щебеночного балласта. Наличие крупных камней (60–70 мм) в балластном слое увеличивает неравномерность упругих и остаточных осадок пути (особенно при железобетонных шпалах) по сравнению со стандартным щебеночным балластом фракции 25–60 мм (ГОСТ 7392-85).

Напряженное состояние и деформируемость поверхности балластной подушки и основной площадки земляного полотна зависят от толщины щебеночного слоя, общей толщины балласта вместе с песчаной подушкой, а также от материала шпал.

102

В результате исследований установлено, что деформаций поверхности песчаной подушки не происходит при толщине щебня более 30 см под железобетонными шпалами и более 25 см под деревянными шпалами. Эта разница связана как с различием общей упругости этих подрельсовых оснований (путь на деревянных шпалах более упругий, чем на железобетонных в 2-3 раза), так и с характером изгиба самих шпал: при деревянных шпалах давление распределяется более равномерно. Поэтому при недостаточной толщине слоя щебня повышенные напряжения под железобетонными шпалами приводят к большим остаточным деформациям на контакте с песчаной подушкой. Кроме того, деревянные шпалы имеют существенно большие демпфирующие свойства, чем железобетонные, и являются лучшими гасителями колебаний при передаче нагрузок на балласт.

Толщина балластной призмы под шпалой (h) зависит от эпюры шпал и определяется из условия, что нагрузка на основную площадку земляного полотна должна быть распределена равномерно.

Принимаем расчётную схему определения толщины балластного слоя в виде:

а – расстояние между шпалами; р – уровень напряжения на основной площадке ЗП;

α – угол распределения давлений в балластном слое.

Нагрузка от колеса на шпалы распределялась в процентах следующим образом. Шпала под колесом принимает 40 % нагрузки, соседние по 25 %, а третьи по 5 %.

Установлено, что выравнивание давлений от шпал при проходе поездов происходит от шпал при проходе поездов происходит на глубине 5060 см от их подошвы. Этим лимитируется минимальная общая толщина балластной призмы.

От ширины плеча балластной призмы прямо зависят как сопротивляемость поперечному сдвигу рельсошпальной решетки, так и стабильность пути в вертикальной плоскости. Так, на пути с шириной плеча призмы 45 см объемы выправочных работ меньше на ~1/3, чем с шириной плеча 25 см.

На скоростных линиях (141–200 км/ч) толщина щебня (марки И20) под шпалой должны быть не менее 40 см, а ширина плеча балластной призмы – не менее 45 см.

103

В период эксплуатации железнодорожного пути происходит загрязнение балластного слоя, что приводит к остаточным деформациям и отступлениям по уровню рельсовых нитей до 10–15 мм.

5.4Загрязнение, засорение и сроки очистки

ипополнения балластного слоя

Загрязненность балластного слоя характеризуется двумя показателя-

ми:

1)количеством накопившихся в балластном слое засорителей и загрязнителей в процентах по отношению к его объему;

2)количеством выплесков, т. е. количеством шпал в процентах на 1 км пути, где балласт потерял фильтрационную способность и устойчивость.

Засорение и загрязнение щебня происходит по двум причинам:

1)в результате истирания (износа) щебня в процессе работы его в пути под подъездной нагрузкой, а также при уплотнении пути подбивкой;

2)в результате засорения и загрязнения щебня частицами перевозимых грузов, пылью, приносимой ветром и водой.

Для щебеночного балласта засорителями считаются фракции от 0,1 мм до 25 мм, а загрязнителями – фракции не менее 0,1 мм. Загрязнители более резко снижают несущую способность и сопротивляемость, сдвигу балластной призмы, вызывая расстройство пути. Норма максимально допустимого засорения щебеночного балласта – 35 % (от объема пор), а загрязнения – 15 %.

Очевидно, что аккумулятивная способность балластного слоя по накоплению засорителей может быть меньше или (в предельном случае) равна его пустотности, т. е. объему пор в слое, составляющей по данным экспериментов 39–40 % (уплотненный без дробления щебень) и 33–34 % (с 2 %-м дроблением). Поэтому объемное максимально допустимое засорение принято 35 %.

Определение фактической загрязненности балластной призмы на перегоне производится упрощенным методом в следующей последовательности:

1)на каждом перегоне выбираются для обследования по 2-3 км, на которых отбирают не менее трех проб на наиболее загрязненных пикетах;

2)пробы щебня в состоянии естественной влажности отбирают в шпальных ящиках от концов шпал до рельсов на глубину до балластной подушки;

3)определяется общая масса пробы (Р0), включавшая массу щебня

(Рщ) и засорителей (Рз), т. е. Р0 = Рщ + Рз; 4) просеивают пробу через сито с отверстием 25 мм и получают мас-

су засорителей (Рз);

104

5) определяется весовая загрязненность щебеночного слоя (Сзр, %) по формуле:

6) определяется средний процент загрязнения по километру, затем – по перегону и заносится в технический паспорт дистанции пути.

Нормируется объёмная концентрация засорителей и загрязнителей, а на практике определяется весовое содержание засорителей. Взаимосвязь между этими показателями при различных соотношениях объемных весов щебня (ɤщ) и засорителей (ɤз) имеет вид:

Сз

Сзр = Сз+ɤщ/ɤз ∙ 100,

где Сз – объемное содержание засорителей (принимается в долях единицы).

В приближенных расчетах период засорения балластного слоя (Т, млн т брутто) определяется по формуле:

Т = Сзр ∙ Кб, С0

где Сзр – допустимое весовое загрязнение, % (Сзр = 35 %); С0 – удельная весовая интенсивность засорения, %, приходящаяся на

1 млн т брутто пропущенного груза; определяется их экспериментальных данных по сети железных дорог;

Кб – коэффициент, учитывающий конструкцию верхнего строения

пути.

Каждая очистка щебеночного балласта должна характеризоваться двумя взаимосвязанными параметрами: пропущенным тоннажном, млн т брутто и глубиной очистки щебня ниже подошвы шпал, см. в зависимости от глубины очищенного слоя можно разработать различные схемы очистки в период между ремонтами пути и выбрать оптимальную. При этом глубина очистки должна быть такой, чтобы в засорение балласта не превышало допустимых норм в период между ремонтами пути. На линиях 1–2-го классов глубина полной очистки щебня должна быть не менее 25 см ниже уровня подошвы шпал.

105

Раздел 4. УСТРОЙСТВО РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСТРОЙСТВЕ КОЛЕИ

ИХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

1.1Общие сведения об устройстве рельсовой колеи

Рельсовую колею определяют две геометрические линии, проходящие вдоль пути по внутренним (рабочим) граням головок рельсов на уровне их контакта с гребнями колес (13 мм от поверхности катания головки рельса).

Основными характеристиками рельсовой колеи является её состоя-

ние:

по ширине;

по положению рельсов по уровню;

по положению рельсов в плане;

подуклонка рельсов.

В кривых рельсовая колея имеет некоторые особенности – устраивается уширение колеи, возвышение наружного рельса, переходные кривые переменного радиуса, а при звеньевой конструкции по внутренней нити укладываются укороченные рельсы. В кривых на многопутных участках производится уширение междупутных расстояний (расстояний между осями путей).

Ширина колеи – это расстояние между внутренними гранями рельсов в сечении, расположенном на 13 мм ниже поверхности катания головки рельсов, измеряемое на незагруженном пути.

Нормальная ширина колеи в прямых участках пути на отечественных дорогах установлена величиной 1520 мм (рис. 4.1). Допускаемые отклонения ширины колеи на прямых и кривых участках не должны превышать по уширению +8 мм и по сужению – 4 мм.

Рисунок 4.1 – Схема колесной пары на рельсовой колее:

1 – ось колёсной пары; 2 – гребень колеса; 3 – бандаж колеса

На дорогах всего мира применяется около 30 размеров ширины колеи. Наиболее распространенной является ширина колеи 1435 мм, на её долю приходится 62 % мировой длины железных дорог.

106

В соответствии с Правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (ПТЭ) допускается на протяженных прямых участках пути содержать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой. На двухпутных прямых линиях выше ставят бровочную нить колеи, так как она менее устойчива, чем междупутная. В таком случае поперечная составляющая веса подвижного состава будет направлена в сторону пониженной нити. Это также способствует уменьшению виляющих колебаний колес экипажей и экипажей в целом, плавному ходу поездов и уменьшению расстройства колеи.

Отводы отклонений положения рельсов от норм их содержания, как по ширине, так и по уровню не должны превышать величин, зависящих от скоростей движения. Принято измерять отводы в содержании в милли-

метрах на 1 м длины пути (‰). Например, при скоростях движения до 140 км/ч для отвода ширины колеи принята величина 1 мм на 1 м (1 %); при скоростях более 141 км/ч – 1 мм на 1,5 м длины пути (0,67 %).

Рельсы по отношению к верхней плоскости (постели) шпал устраивают с подуклонкой, т. е. под некоторым углом. На железных дорогах Российской Федерации принята подуклонка 1/20, соответствующая основному уклону конусности поверхности катания колёс подвижного состава. Подуклонка рельсов в прямых и наружной нити в кривых участках должна быть не менее 1/60 и не более 1/12, а внутренней нити в кривых при возвышении наружного рельса свыше 85 мм – не менее 1/30 и не более 1/12.

Подуклонка рельсов на деревянных шпалах осуществляется укладкой клинчатых металлических подкладок промежуточного скрепления, а на железобетонных шпалах – выполненным наклоном подрельсовой опорной площадки.

Номинальные размеры параметров рельсовой колеи, их монтажные и эксплуатационные допуски назначаются так, чтобы обеспечить безопасное движение экипажей, минимизировать воздействие их на путь и расходы на содержание пути. Поэтому размеры параметров рельсовой колеи определяются в тесной взаимосвязи размеров элементов конструкции пути и конструкции ходовых частей подвижного состава.

1.2 Устройство ходовой части подвижного состава

При формировании параметров рельсовой колеи учитываются особенности устройства ходовых частей подвижного состава: количество колесных пар и тележек.

Два колеса, жестко насаженные на ось, образуют колесную пару. Колесные пары в количестве от двух и более закрепляются в рамах и образуют двух-, трёх- и более осные тележки.

Расстояние между крайними осями тележки, остающимися параллельными друг другу при движении экипажа по прямым и кривым, называется жесткой базой этого экипажа 0.

107

Расстояние между крайними осями всего экипажа называется его

полной колесной базой п.

У двухосных экипажей полная и жесткая базы совпадают (рис. 4.2). Чем больше жесткая база экипажа, тем труднее при прочих равных условиях вписывается экипаж в кривые и стрелочные переводы. Современные экипажи в основном являются тележечными.

Рисунок 4.2 – Схемы экипажей: двухосных (а) и шестиосных (б)

Колеса имеют гребни (реборды), фиксирующие положение колесной пары на рельсах. Поверхность катания колес имеет коническую форму с уклоном в средней части 1/20. На расстоянии 100 мм от внутренней грани колеса начинается элемент с коничностью 1/7.

Благодаря коничности колес тележка, выведенная по каким-либо причинам из среднего положения по отношению к оси пути, будет стремиться вернуться в первоначальное положение. При влиянии различных факторов и определенных скоростях движения колесные пары движутся по волнообразной кривой (виляют), создавая этим условия равномерного износа поверхности катания колёс и исключает образование желобчатой формы его износа, которая приводит к увеличению контактных напряжений в металле головки рельса.

Наклон к поверхности катания рабочих граней гребней вагонных колес

– 60°, а локомотивных – 70°. Фаска наружного края поверхности катания 6×6 мм. В процессе эксплуатации поперечный профиль колес изменяет свою форму, появляются вертикальный износ колеса и боковой износ гребня.

Тележки соединены с рамой экипажа шкворнем и при движении свободно поворачиваются относительно этой рамы. Вертикальные нагрузки от кузова передаются на тележки центрально через шкворни или через боковые опоры, как у современных пассажирских вагонов КВЗ-ЦНИИ. В последнем случае на шкворни передаются лишь продольные силы.

Между тележками и кузовом могут устанавливаться демпфирующие (поглощающие) и возвращающие устройства. Эти устройства способствуют гашению колебаний виляния тележек на прямых, но увеличивают поперечные силы, передаваемые на рельс в кривых участках пути.

Колесные пары в пределах зазоров в буксовых направляющих имеют свободные поперечные перемещения, т. е. возможность перемещений вдоль своих осей в ту или другую сторону на некоторую величину. У некоторых трехосных локомотивов для улучшения вписывания создаются зазоры до ±22 мм. Наличие зазоров (разбегов) облегчает проход (вписывание) экипажами криволинейных участков пути.

108

Расстояние между вертикальными плоскостями, где измеряется насадка колес и толщина гребней, имеет величину расстояния µ = 1 мм для вагонных колес и µ = 0 для локомотивных колес.

Ширина колесной пары равна:

= + 1 + 2 + 2μ + ,

где ε величина учитывающая изменение ширины колесной пары при упругом изгибе ее оси под нагрузкой. Для загруженных вагонов ε = 2–4 мм, для локомотивов – около 1 мм.

Для предотвращения заклинивания колесной пары, что может привести к нарушению условий безопасности движения экипажей, её ширина q должна быть меньше ширины колеи Ѕ. Для этого на прямых участках пути и в кривых без специального увеличения номинальной ширины колеи между рельсовыми нитями и гребнями колес предусмотрено образование зазоров δ1 и δ2 (суммарный зазор δ = δ1 + δ2). Однако большая величина зазора может приводить к возникновению существенных по величине горизонтальных сил при вилянии колесных пар и ударов гребнями колес при входе экипажей в кривые.

Рисунок 4.5 – Положение колесной пары в рельсовой колее

Суммарный зазор δ между гребнями колес и боковыми внутренними гранями рельсов в прямых с шириной колеи S определяется по формуле:

δ = − + ε .

Величина ε отражает упругие изменения ширины колеи под подвижным составом. Обычно при исправном состоянии пути и подвижного состава происходит упругое расширение колеи до 2 мм, а в кривых до 4–8 мм и даже более.

Величины ε и ε учитывают лишь при особо ответственных расче-

тах.

Параметры колесных пар и рельсовой колеи на прямых (насадка ко-

лес Т, толщина гребней h, ширина колесных пар q, ширина колеи Ѕ и зазоры между гребнями колес и рельсовыми нитями ) указаны в табл. 4.1.

110