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

max = min + μ + min + − 45,

где min – минимально допустимая толщина изношенного гребня;

μ – несовпадение плоскостей, от которых производится измерение толщины гребня и насадки колес;

min – минимальная величина насадки; а – ширина колеса;

45 мм – величина, складывающаяся из ширины колеса от внешнего его торца до точки перехода от одной коничности к другой (30 мм), проекции боковой выкружки головки рельса, равной 15 мм.

Рисунок 4.6 – Расчетное положение колесной пары при определении максимально допустимой ширины колеи

При минимальных размерах min = 1437 мм и min= 25 мм; max =

= 1548 мм.

Опасный предел ширины колеи по сужению определяется возможностью заклинивания колесной пары, имеющей максимальные размеры в расчетном уровне (зазор δmin =0), т. е.

min = max = max + 2 max + 2μ.

При max = 1443 мм и max= 33 мм; min =1511 мм.

В настоящее время принято, что ширина колеи менее 1512 и более 1548 мм не допускается, т. е. требуется остановка движения и немедленное исправление размера колеи.

Глава 2. РЕЛЬСОВАЯ КОЛЕЯ В КРИВЫХ

2.1 Расчет возвышения наружного рельса

Кривые применяют на участках обхода препятствий и развития трассы с целью уменьшения объёмов земляных работ и стоимости строительства искусственных водопропускных сооружений.

112

Переходная кривая – это часть кривой, выполненной в виде дуги круга, служащая для плавного сопряжения в горизонтальной плоскости круговой кривой и прямого участка железнодорожного пути (рис. 4.7).

Рисунок 4.7 – Схема кривой

Круговая кривая характеризуется углом поворота, радиусом и положением вершины угла.

Кривые участки пути новых железных дорог проектируют возможно больших радиусов. Радиусы кривых принято назначать равными, м (табл.

4.2): 4000, 3000, 2500, 2000, 1800, 1500, 1200, 1000, 800, 700, 600, 500, 400, 350, 300, 250, 200.

Таблица 4.2 – Установленные радиусы для всех категорий железнодорожных линий

113

Величину наименьшего радиуса кривых при проектировании новых путей и усиления (реконструкции) существующих железных дорог следует устанавливать в зависимости от намечаемых скоростей движения пассажирских и грузовых поездов и величины радиусов кривых существующего пути.

При устройстве новых и переустройстве реконструируемых кривых железнодорожного пути следует принимать постоянные значения радиусов на всем протяжении круговой кривой. В особо трудных условиях допускается сохранять радиусы различных значений при длине участков однообразной кривизны не менее 300 м и в исключительных случаях – не менее

200 м.

На новых магистральных скоростных линиях, особогрузонапряженных и линиях I–III категорий применять составные кривые не допускается. Составные кривые на новых линиях IV категории и подъездных путях допускается применять при соответствующем технико-эко- номическом обосновании.

Радиусы закрестовинных кривых стрелочных переводов должны быть не менее радиуса их переходных кривых. Устройство переводных и закрестовинных кривых осуществляется без возвышения наружного рельса.

Радиусы кривых внутристанционных, соединительных и ходовых локомотивных путей принимают не менее 200 м.

При проходе подвижного состава по кривой в его элементах возникают центробежные ускорения и, соответственно, центробежная сила, направленная наружу кривой. Центробежная сила неблагоприятно действует на пассажиров, приводит к перераспределению вертикальных давлений на рельсы обеих нитей (перегруз наружной нити) и создает дополнительное воздействие на путь при вписывании экипажа в кривую, вызывая боковой износ рельсов наружной нити. Кроме того, поперечные силы способствуют сдвигу рельсов относительно шпал, что приводит к уширению рельсовой колеи и расстройству пути в плане.

Для снижения влияния указанных явлений, устраивают возвышение наружной рельсовой нити над внутренней. Появляющиеся за счет наклона полотна железнодорожного пути горизонтальные поперечные составляющие веса экипажей частично или полностью нейтрализуют центробежную силу и негативные последствия ее действия.

Величина возвышения может быть определена исходя из ряда требований:

обеспечение одинакового вертикального износа или осадки обеих рельсовых нитей в кривых, что достигается равенством давлений колес на наружный и внутренний рельс;

ограждение пассажиров от воздействия чрезмерных поперечных ускорений (условие комфортабельности);

ограничение бокового воздействия экипажа на путь, что может приводить к интенсификации бокового износа рельсов в кривых, к контактным повреждениям и поперечному смещению рельсов.

114

Возвышение рельса определяется расчетом с учетом следующих трёх условий:

1 Обеспечение одинакового вертикального износа и равномерных осадок обеих рельсовых нитей. Для выполнения этого условия требуется, чтобы сумма нормальных давлений на наружную нить (или нормальных реакций Ен) от всех колес всех поездов, обращающихся по данной кривой в течение принятого отрезка времени, равнялась сумме нормальных давлений от тех же поездов на внутреннюю нить (или ее нормальных реакций Ев). Расчетная схема рассматривается без рессор и экипажем, расположенным в колее симметрично, влияние ветра пренебрегается.

Для обеспечения поставленных условий необходимо, чтобы: ∑Ен = ∑ Ев.

По схеме положения экипажа в кривой с возвышением наружного рельса видно, что

sin α = ,

1

где h – возвышение наружного рельса:

1 – расстояние между осями головок рельсов, ввиду малости угла можно принять, что cos α = 1 и tg α ≈ sin α.

Рисунок 4.8 – Схема положения экипажа в кривой с возвышением наружного рельса

115

Центробежная сила (I) при движении экипажа массой (m) по кривой радиусом (R) со скоростью (v), приложенная в центре масс экипажа, будет определяться выражением:

uде G – вес экипажа;

g – ускорение силы тяжести.

Горизонтальная составляющая веса экипажа (H) при наличии в кривой возвышения наружного рельса (h) с учетом малости угла равна:

где 1 – расстояние между осями рельсов.

Уравнение моментов относительно точки А в середине колеи сил веса G экипажа и центробежной силы І, передающихся на рельсы через одну колесную пару, и нормальных реакций рельсов Ен и Ев (моменты от боковых реакций рельсов Тн и Тв равны нулю, так как плечи этих сил равны нулю):

I cos – G sin a EН – ЕВ S21 .

Распространяя это выражение на всю совокупность проходящих по данной кривой экипажей разных поездов и имея в виду выражение, получим:

Рассмотренная расчетная схема не учитывает ряд особенностей движения экипажа:

наличие рессорного подвешивания;

положение в рельсовой колее (несовпадение оси пути и экипажа);

воздействие на расчетный экипаж сил тяги;

воздействие ветра.

116

Влияние этих факторов интегрально учтено в виде поправочного коэффициента, равного 1,2.

2 Условие ограждения пассажиров от действия чрезмерных колеба-

ний. Это условие требует снижения непогашенных горизонтальных ускорений. Возвышение наружного рельса, вычисленное по средневзвешенной скорости, может оказаться недостаточным для гашения центробежных ускорений, возникающих при прохождении по кривой пассажирских поездов, скорость которых больше грузовых. Требуется установить такое возвышение, чтобы величина непогашенного ускорения [а], возникающая при прохождении поезда с максимальной скоростью, не превышала допустимой величины по воздействию на пассажира.

В пассажирском вагоне за счет различия упругого сжатия рессор по разным ниткам пути (результат крена вагона) на пассажира действует большее непогашенное ускорение, нежели на подвижной состав при рассмотренной выше схеме с отсутствием рессор. Для упрощения расчета принимается такое ограничение непогашенного ускорения элементов подвижного состава по рассмотренной схеме, при котором поперечное ускорение пассажира не превысит допустимых медицинских норм:

Из этих допущений вытекает, что:

Согласно нормативам железных дорог РФ [а] принимается равным для пассажирских поездов 0,7 м/с2.

Принимая 1= 1,6 м, g = 9,81 м/с2, v в км/ч, при h в мм, R в м, получим при нд = 0,7 м/с2:

3 Ограничение бокового износа рельсов под грузовыми поездами. Бо-

ковой износ возможно уменьшить возвышением наружного рельса для обеспечения непогашенного ускорения не более ±0,3 м/с2.

Это условие приводит к выражениям:

В этом случае гр2 – соответственно максимальная и минимальная скорости обращения грузовых поездов по данной кривой.

117

В настоящее время практический расчет возвышения производится по второму и третьему условиям, а окончательный выбор осуществляется с учетом конкретных эксплуатационных условий для данного участка пути.

Расчетные скорости определяются из следующих соображений. Максимальную скорость принимают как скорость, рассчитанную по тяговому расчету с учетом всех постоянных и длительных ограничений скоростей.

Минимальную скорость грузовых поездов устанавливают в зависи-

мости от условий:

по тяговым расчетам на затяжных подъемах как расчетноминимальную скорость;

по заложенному в графиках времени хода на перегоне грузовых поездов унифицированного веса;

на участках перед крупными станциями, где большинство поездов отклоняется на боковой путь, по скорости отклонения;

в отдельных случаях на участках, где вследствие высокой плотности грузопотока движение устойчиво проходит со скоростями ниже графиковых, разрешается определять минимальную скорость грузовых поездов по выборочному анализу скоростемерных лент.

Возвышение устраивают в кривых с радиусом менее 4000 м.

Максимальное возвышение на дорогах РФ принято 150 мм, минимальное (кроме стрелочных переводов и закрестовинных кривых) – 15 мм.

Максимальное возвышение наружного рельса величиной 150 мм принято во многих странах (Россия, Украина, Белоруссия, Казахстан, Англия, США, Польша, Румыния и др.).

На скоростных линиях Японии и Франции 0 max = 200 мм.

Если рассчитанные значения возвышений превышают 150 мм и требуется ограничение скорости пассажирских или грузовых поездов, то соответствующие ограничения скоростей вычисляют по формулам:

для пассажирских max пасс = 0,283√ ( + 115);

для грузовых max гр = 0,283√ ( + 50).

где – установленное возвышение с округлением в меньшую сторону до величины, кратной 5 км/ч.

2.2 Устойчивость экипажа против опрокидывания

Принятое возвышение наружного рельса может быть проверено на опрокидывание экипажей в кривых.

Устойчивость экипажа против опрокидывания оценивается коэффициентом n:

= 21.

Эксцентриситет (е) относительно середины колеи (точка А) равнодействующих (F) всех сил, действующих на колесную пару экипажа, нор-

118

мальная составляющая которой N = Ен + Ев, найдем из уравнения моментов относительно точки А:

+ 2 ( − ) = 0;

= ( − ) 1 ; ( + ) ∙ 2

= ( + ). ( − )

Значения Ен и Ев зависят от скорости движения; их находят из условий равновесия, используя уравнение моментов относительно точки А и уравнение проекций сил на нормаль к касательной к поверхности катания головок рельсов (рис. 4.9).

Рисунок 4.9 – Схема сил, действующих на колесную пару, при оценке устойчивости экипажа против запрокидывания в кривой

В обычной метеорологической обстановке, при которой влияние ветра на устойчивость экипажа незначительно, при исправном пути и подвижном составе n >> 3. Для относительно редких случаев сильных ветров ограничивают допустимую скорость движения поездов, а иногда и допустимость самого движения.

2.3 Нормы ширины и уширения колеи в кривых

Движение тележки экипажа с постоянной скоростью по круговой кривой вызывает поворот ее относительно центра этой кривой, т. е. такое движение можно рассматривать состоящим из поступательного, совершаемого по направлению продольной оси жесткой базы экипажа, и поворота её относительно некоторой точки О, называемой центром поворота, за который принимают точку на пересечении продольной оси жесткой базы тележки с радиусом, к ней перпендикулярным.

119

В зависимости от соотношения размеров рельсовой колеи и колесной пары, сил, приложенных к экипажу, радиуса кривой и скорости движения выделяются различные схемы вписывания экипажа в кривых (рис. 4.10): заклиненная и незаклиненная. Незаклиненное вписывание в свою очередь делится на принудительное и свободное.

Заклиненная схема (рис. 4.10, а) имеет место при минимальной теоретически возможной ширине колеи для данного экипажа, когда при выбранных разбегах осей экипаж не имеет возможности перемещаться в поперечном направлении в рельсовой колее. У двухосных и трехосных тележек при заклиненном вписывании возникают силы между колесом и рельсом для крайних осей тележки по наружным рельсовым нитям. Третья сила возникает по внутренней нити для задней оси тележки при двухосной конструкции и для средней оси при трехосной. При заклиненном вписывании в силу такой установки колес по наружной нити точка вращения О находится посередине жесткой ба-

зы 0.

Незаклиненная схема вписы-

вания (рис. 4.10, б, в) возникает, когда жесткая база экипажа имеет возможность перемещаться в поперечном направлении за счет свободных зазоров или разбега колесных пар. Центр поворота О при этом смещен к задней оси.

При возникновении поперечных сил в первой оси по наружной нити и в задней оси по внутренней наблюдается незакли-

ненное принудительное вписыва-

ние (см. рис. 4.10, б). При возникновении поперечной силы в первой оси и отсутствии других в осях тележки вписывание называется свобод-

ным (см. рис. 4.10, в).

При движении многоосных экипажей с большой жесткой базой, для обеспечения незаклиненного прохода колес требуется производить уширение рельсовой колеи.

120