Тема 2. Прочность и устойчивость бесстыкового пути

2.1. Как обеспечить прочность рельсовых плетей бесстыкового пути?

Очевидно, что бесстыковой путь должен быть прочен и устойчив. В зимний период при температурах рельса ниже температуры закрепления плетей на постоянный режим, когда рельсовые плети растянуты продольными температурными силами, необходимо обеспечить прочность рельсовых плетей на разрыв.

В основу расчета прочности рельсовых плетей бесстыкового пути положено условие, чтобы суммарное основное напряжение, возникающее в рельсе от воздействия подвижного состава и в результате изменения температуры, не превосходило допустимого напряжения.

Главное условие достаточности запасов прочности рельсовых плетей в конкретных эксплуатационных условиях имеет вид:

, (2.1)

где К_п – коэффициент запаса прочности рельсов на растяжение (для рельсов первого срока службы и старогодных рельсовых плетей, прошедших диагностирование и ремонт в стационарных условиях или профильное шлифование и диагностирование в пути, К_п = 1,3; для рельсов, пропустивших нормативный тоннаж или переложенных без шлифования, К_п = 1,4; для рельсов, укладываемых на второстепенных путях, К_п = 1,2);

σ_к – напряжение в кромках подошвы рельсовых плетей при проходе подвижного состава;

σ_t – напряжение в поперечном сечении рельса от действия продольных растягивающих сил(температурных, сил угона);

[σ_t] – допустимое напряжение (для сырых рельсов [σ_t] =350 МПа; для новых термоупрочненных рельсов [σ_t] = 400 МПа).

Кромочные напряжения в рельсовых плетях σ_к определяются по специальной методике («Правила расчета верхнего строения пути на прочность») с учетом типа, серии, осевых нагрузок, скоростей движения обращающего по данному участку подвижного состава, с учетом типа, рода и состояния элементов верхнего строения бесстыкового пути.

В основу расчета прочности рельсовых плетей бесстыкового пути положена теория изгиба рельса как балки на сплошном упругом основании. В качестве действующей на путь силы рассматривается нагрузка, идущая от колеса и являющаяся суммой статической нагрузки и динамической добавки, которая зависит от скорости движения, особенностей самого экипажа и увеличивается с ростом скорости движения.

Модуль упругости подрельсового основания зимой в этих расчетах при железобетонных шпалах с резиновыми нашпальными и подрельсовыми упругими прокладками может быть принят равным 120 МПа и 130 МПа при эпюрах шпал соответственно 1840 шт./км и 2000 шт./км. Модуль упругости подрельсового основания численно равен силе, приложенной к пути длинной 1 см и вызывающей его упругую просадку на 1 см.

При совместном действии внецентренно приложенных вертикальных и поперечных сил от поездной нагрузки в кромке подошвы (наиболее напряженном месте рельса зимой) возникают напряжения изгиба и кручения до 100–200 МПа.

Температурные напряжения, возникающие в рельсе в связи с несостоявшимся при изменении температуры изменением его длины, определяются по формуле (1.4).

С учетом формул (1.4) и (2.1) можно записать формулу для определения наибольшего допустимого понижения температуры рельсовой плети по сравнению с температурой при закреплении:

. (2.2)

В Приложении 2 «Технических указаний по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути» приведены допустимые понижения температуры рельсов для бесстыкового пути с термоупрочненными рельсами типа Р65 первого срока службы на железобетонных шпалах и щебёночном или асбестовом балласте в зависимости от типа обращающегося локомотивов, скоростей движения и радиусов кривых.

В качестве примера приведем допускаемые по условию прочности рельсов значения [Δt_р] для локомотива ВЛ80 (таблица 2.1).

Таблица 2.1 – Допускаемое понижение температуры рельсов для локомотива ВЛ80

Скорость, км/ч	Допустимое понижение температуры, ºС
	В прямом участке, м	В кривой радиусом, м
		2000	1200	1000	800	600	500	400	350
60	112	106	106	103	101	99	98	98	98
80	104	98	98	95	93	91	90	90	89
100	96	90	90	87	85	83	82	-	-
110	93	86	86	83	81	79	-	-	-

Пример 1. В условиях Московской железной дороги определить допустимое по отношению к температуре закрепления рельсовой плети понижение температуры [Δt_р] для бесстыкового пути из новых термоупрочненных рельсов типа Р65 с железобетонными шпалами, скреплением КБ65 и щебеночным балластом из скальных пород на блок-участке протяжением 2500 м, где имеются две кривые радиусом 1400 м (эпюра шпал 1840 шт./км) и 500 м (эпюра шпал 2000 шт./км). На участке обращается электровоз ВЛ80 со скоростью 100 км/ч.

В соответствии с приведёнными в таблице данными: для прямого участка [Δt_р] = 96 ºС, для кривой радиусом 1400 м [Δt_р] = 90 ºС, для кривой радиусом 500 м [Δt_р] = 82 ºС.