Лекция 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 расчёта 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 - 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,=1,3; для рельсов, пропустивших нормативный тоннаж или переложенных без шлифования,=1,4; для рельсов укладываемых на второстепенных путях,=1,2;

напряжение в кромках подошвы рельсовых плетей при проходе подвижного состава);

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

- допустимое напряжение(для сырых рельсов=350МПа; для новых термоупрочнённых рельсов=400МПа).

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

В основу расчёта 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 расчётах при железобетонных шпалах с резиновыми нашпальными и подрельсовыми упругими прокладками может быть принят равным 120 и 130 МПа при эпюрах шпал соответственно 1840 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 напряжённом 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 (1.3).

С учётом формул (1.3) и (2.1) можно записать формулу для определения наибольшего допустимого понижения температуры рельсовой плети по сравнению с температурой при закреплении:

В Приложении 2 «Технических указаний по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути» приведены допустимые понижения температуры рельсов для бесстыкового пути с термоупрочнёнными 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 приведём допускаемые по условию прочности рельсов значения для локомотива ВЛ80:

Скорость, км/ч	Допустимое понижение температуры
	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 2.1. В условиях Московской железной дороги определить допустимое по отношению к температуре закрепления рельсовой плети понижение температуры для бесстыкового пути из новых термоупрочнённых рельсов типа Р65 с железобетонными шпалами, скреплением КБ65 и щебёночным 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 =96для кривой радиусом 1400 м =90для кривой радиусом 500 м =82

2.2 Устойчивость бесстыкового пути и определяющие её факторы.

Обеспечение устойчивости - одна из основных проблем устройства и содержания бесстыкового пути. Обычно рассматривают несколько причин, влияющих на возникновение предельного состояния бесстыкового пути по устойчивости при движении поездов.

Первая причина заключается в том, что перед движущимся колесом возникает зона, где рельс несколько приподнимается по сравнению со своим исходным положением. В этой зоне отрицательного прогиба максимальный подъём рельса составляет всего 4% от прогиба под колесом. Однако и при таком небольшом его поднятии уменьшаются силы сцепления шпал со щебёночным основанием и сопротивление пути перемещению.

Вторая причина - изменяется устойчивость пути при его вибрации позади и впереди движущегося поезда.

Третья причина - происходит угон пути. При наличии надёжной упругой связи рельсовых плетей с основанием эти силы относительно не велики. Однако, если на длине плети имеются участки, где плохо закреплены клеммы промежуточных скреплений, при проходе поезда по ним возникают местные подвижные плети с образованием на их концах значительных по величине дополнительных сил сжатия или растяжения. Складываясь с температурными продольными силами, они могут вызвать нарушение устойчивости путевой решётки.

Критическую продольную сжимающую силу, которая вызывает потерю устойчивости путевой решётки, стремились определить как теоретически, так и экспериментально.

Известны различные теоретические подходы к определению критической силы, разработанные в России К.Н. Мищенко, С.П. Першиным, С.И. Морозовым, А.Я. Коганом и другими учёными. В последние годы М.Ф. Вериго предложен метод имитационного моделирования устойчивости бесстыкового пути. А.Я. Коганом разработана методика расчёта устойчивости бесстыкового пути, учитывающая взаимосвязь критической сжимающей силы в рельсовых плетях с размерами неровностей в прямых и кривых участках пути.

Экспериментальные исследования включают в себя как определение отдельных характеристик сопротивляемости бесстыкового пути и отдельных его элементов выбросу ( силы сопротивления шпал перемещениям и промежуточных скреплений повороту рельса, моменты инерции путевых решёток и др.), так и создание специальных участков пути - стендов, на которых воссоздаются условия и изучаются процессы, сопровождающие процесс потери устойчивости бесстыкового пути.

Важнейшее значение имели результаты экспериментальных исследований, проведённых в 60-х гг. прошлого века под руководством Е.М. Бромберга на опытном стенде ВНИИЖТа. Наблюдения за искривлением путевой решётки на стенде при нагревании рельсов позволили выяснить, как протекает процесс потери устойчивости. Было установлено,что при существующих соотношениях жёсткости пути в горизонтальной и вертикальной плоскостях процесс потери устойчивости проходит лишь в горизонтальной плоскости.

До некоторого значения температуры продольная сжимающая сила возрастает до величины, причём поперечные перемещения путевой решётки при этом не происходят. При дальнейшем повышении температуры появляются нелинейно изменяющиеся такие перемещения путевой решётки, растущие сначала медленно, а затем при достижении некоторой температуры- весьма быстро. На конечной стадии перемещения приобретают динамический характер и происходит выброс пути.

Если нагревание рельсовых плетей прекращалось в интервале температур рельсов от дои в дальнейшем они остывали, то путь оставался деформированным. При повторном нагревании уже искривлённого пути выброс происходил, когда значения температур были они уже меньше.

Е.М. Бромберг предложил конструкцию и интервалы закрепления рельсовых плетей бесстыкового пути выбирать следующим образом, чтобы предотвратить наступление первого критического состояния- начала подвижек путевой решётки.

Наблюдения показали, что при потере устойчивости бесстыкового пути в кривых участках выброс происходит всегда наружу кривой. Сначала возникает поперечная сдвижка путевой решётки на небольших по длине участках(8-12м). Непосредственно перед выбросом наружняя рельсовая плеть в кривых при щебёночном балласте в плане имеет отклонения от первоначального положения, равные 15-25 мм, а при асбестовом балласте всего 5- 6 мм.

Допустимое по условиям обеспечения устойчивости бесстыкового пути повышение температур рельсов было определено в ходе экспериментальных исследований, на основании которых в Приложении 2 к «Техническим указаниям по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути» даны значения величиндля вновь уложенных или переложенных повторно рельсовых плетей при различных конструкциях верхнего строения пути.

В качестве примера приведём значения допустимого повышения температур рельсовых плетей бесстыкового пути с балластным слоем из щебня скальных пород.

Тип рельсов	Эпюра шпал, шт./км	Допустимое повышение температур рельсов
		в прямом участке, м	в кривых радиусом, м
			2000	1200	1000	800	600	500	350
Р65	2000	58	53	51	49	47	43	41	35
	1840	54	50	47	46	44	41	39	33
	1600	47	43	41	40	38	36	33	-

Пример 2.1. (продолжение).

Определим допустимое по условию обеспечения устойчивости бесстыкового пути повышение температур. Оно составит при эпюре шпал 1840 шт./км для прямого участка - 54; для кривой радиусом 1400 м - 48 (получено интерполяцией); для кривой радиусом 500 м - 39; при эпюре шпал 2000 шт./км для прямого участка - 58; для кривой радиусом 1400 м - 52 (получено интерполяцией); для кривой радиусом 500 м- 41.

2.3 Диаграмма температурной работы бесстыкового пути и определение допустимого интервала закрепления рельсовых плетей на постоянный режим.

При каких же эксплуатационных условиях возможна укладка бесстыкового пути?

Возможность укладки бесстыкового пути в конкретных условиях устанавливается сравнением допускаемой температурной амплитуды с фактически наблюдавшейся в данной местности амплитудой колебания температуры.

Значение определяется как алгебраическая разность наивысшейи наинизшейтемператур рельсов, наблюдавшихся в данной местности.

-. (2.3)

Амплитуда допустимых по условиям прочности и устойчивости бесстыкового пути изменений температур рельсов равна:

, (2.4)

где - допустимое по условию обеспечения устойчивости при повышении температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой их закрепления;

- допустимое по условию обеспечения прочности рельсовых плетей понижение температуры рельсов по сравнению с температурой их закрепления;

- минимальный интервал температур, в котором должны быть закреплены рельсовые плети на постоянный режим.

Интервал обычно принимается равным 10. В случае применения средств принудительного ввода рельсовых плетей в расчётный интервал (растягивающие и нагревательные установки) интервалможет быть принят равным 5.

Если , то в заданных климатических и эксплуатационных условиях возможна укладка бесстыкового пути без сезонных разрядок напряжений.

Пример 2.1.(продолжение). Определим возможность укладки бесстыкового пути без сезонных разрядок напряжений. Ранее определили, что при скорости движения электровоза ВЛ80 100 км/ч по блок - участку длиной 2500 м с кривыми участками пути радиусами 1400 и 1500 м:

Для прямой

Для кривой 1400 м

Для кривой 500 м

В условиях Московской железной дороги( район станции Рязань)

Сопоставляя со значениями при = 10 для блок- участка длинной 2500 м, делаем вывод, что для всех элементов плана в условиях примера укладка бесстыкового пути без сезонных разрядок напряжений возможна.

Расчётный интервал закрепления рельсовых плетей

=(2.5)

Границы расчётного интервала закрепления, т. е. самую низкуюи самую высокуютемпературы закрепления определяют по формулам:

= (2.6)

= . (2.7)

В условиях примера границы интервала закрепления рельсовых плетей на постоянный режим будут равны:

Для прямых участков =58

Для кривой 1400 м

Для кривой 500 м

Рельсовая плеть на всём своём протяжении должна быть закреплена на постоянный режим работы в одном интервале температур, границы которого определяются наиболее высокой из рассчитанных и наиболее низкой из рассчитанных

В условиях примера 2.1. для всей плети длиной 2500 м принимается

= + 17ºC,=+41º С

В «Технических указаниях по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути» приводится так же таблица оптимальных температур закрепления плетей на железных дорогах России (табл.2.1.)

Таблица2.1

Железная дорога
		Общая
Октябрьская
Калининградская
Московская
Горьковская	25
Северная	25
Северо- Кавказская	35
Юго-Восточная	35
Приволжская	35
Куйбышевская	30
Свердловская	25
Южно-Уральская	30
Западно- Сибирская	30
Красноярская	25
Восточно-Сибирская	25
Забайкальская	25
Дальневосточная	30

Образец температурной диаграммы приведен на рис.2.1.

Рис.2.1. Температурная диаграмма работы бесстыкового пути с рельсами Р65 на щебне