Рельсовые пути. Устройство рельсовой колеи

Устройство рельсовой колеи характеризуется: шириной колеи, подуклонкой рельсов, взаимным расположением рельсов по уровню на прямых и кривых участках, кривизной в плане и профиле.

Шириной рельсовой колеи называется расстояние между внутренними гранями головок рельса, измеренное перпендикулярно к оси пути.

На открытых горных разработках применялись четыре типа колеи: 1520, 1000, 900, 750 мм. Стандартными являются нормальная широкая колея 1520 мм и узкая колея 750 мм. В большинстве зарубежных стран нормальной является колея 1435 мм.

При выборе ширины колеи для рельсового транспорта учитывают грузооборот, расстояние транспортирования, размеры карьера и характеристику применяемого оборудования. Узкая колея применяется в карьерах небольшой мощности, в большинстве случаев при грузообороте не более 2-3 млн. т в год.

На прямых участках пути допускаются отклонения от нормальной ширины для колеи 1520 мм в сторону уширения на 6 мм и в сторону сужения на 2 мм, для колеи 750 мм - соответственно на 4 и 2 мм. На путях с перемещаемой рельсошпальной решеткой на прямых и кривых участках разрешается содержать колею одинаковой ширины 1535 мм с отклонениями по уширению 10 мм и по сужению 4 мм.

При прохождении кривых малого радиуса колесные пары подвижного состава усиленно нажимают на наружный рельс, изнашивая его и расстраивая колею. Этого удается избежать, укладывая у внутренней рельсовой нити контррельсы, которые принимают на себя боковое давление и отжимают колесную пару от наружного рельса. Однако следует иметь в виду, что при установке контррельсов существенно увеличивается сопротивление движению поездов в кривых.

На кривых участках выполняется возвышение наружного рельса над внутренним для компенсации возникающей центробежной силы. Допускаемое возвышение: для широкой колеи - 150 мм, для узкой колеи - 40 мм.

Осуществляется возвышение рельса поднятием на балласт наружных концов шпал, или при большем возвышении, основную площадку земляного полотна устраивают с уклоном. Возвышение наружного рельса производится постепенно.

Для соединения нескольких путей служат стрелочные переводы.

Стрелочным переводом называется устройство, служащее для перевода подвижного состава с одного пути на другой.

Стрелочный перевод состоит из стрелки, крестовины с контррельсами, соединительной части и комплекса переводных брусьев. Стрелочный перевод состоит из остряков (перьев), рамных рельсов, переводной кривой, контррельсов, необходимых для удержания ребер колес при прохождении мертвого пространства, крестовины с сердечником. За крестовиной располагается предельный столбик, указывающий место остановки локомотива при ожидании встречного поезда. Положение предельных столбиков определяет полезную длину пути на станциях и разъездах. Все эти элементы стрелочного перевода можно объединить в три узла: стрелка, крестовинная часть и соединительные пути.

Рамные рельсы, к которым прилегают остряки, являются продолжением путевых рельсов. Они укладываются на специальные подкладки или на сплошные металлические листы. Остряки (рельсы, заостренные с одной стороны), служат для направления поезда на тот или иной путь. При любом положении стрелки один из остряков прижимается к рамному рельсу, а другой отодвигается, образуя зазор для прохода колес подвижного состава. Переводной механизм служит для перевода стрелки из одного положения в другое. Находят применение ручные и электрические приводы переводов, управляемые дистанционно или автоматически. Стрелочные переводы укладываются на переводных брусьях (длиной 2750ч5500 мм), поперечное сечение которых то же, что и шпал. Стрелочный перевод называют правым (левым), если ответвленный путь, считая от стрелки к крестовине отклоняется вправо (влево). Стрелочные переводы бывают симметричными и несимметричными.

Основной точкой, определяющей положение стрелочного перевода является центр перевода - точка пересечения осей соединяемых путей. Основными для стрелочного перевода являются расстояния:

от стыков рамных рельсов до начала остряков - m

от начала остряков до центра стрелочного перевода - a

от центра стрелочного перевода до математического центра крестовины - д

от математического центра крестовины до хвостового стыка крестовины - p

от центра стрелочного перевода до хвостового стыка крестовины - b

Расстояние = a + д называют теоретической длиной стрелочного перевода, а = m + a + д + p - полной практической длиной стрелочного перевода. Длину стрелочного перевода определяет главный параметр стрелочного перевода - угол, под которым пересекаются грани сердечника крестовины (угол пересечения осей пересекающихся путей) - угол б. Он определяет марку крестовины М, которая представляет собой отношение основания сердечника крестовины к его высоте.

M = 2 tg ? tg б

На карьерном транспорте широкой колеи применяют крестовины марок 1: 9 (? 28 м) и 1: 11 (? 32 м), узкой - 1: 7 (длина? 12) и 1: 9 (длина? 13 м).

При переходе с меньшей марки (например с 1: 11) на большую (1: 9) уменьшается длина стрелочного перевода, но и снижается безопасность движения. Поэтому скорость движения на ответвляющийся путь по стрелочным переводам с крестовиной марки 1: 11, должна быть не более 40 км/ч (для рельсов типа Р75, Р65 - 50 км/ч), а по стрелочным переводам с крестовиной марки 1: 9 - 25 км/ч.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ КОЛЕИ

«Рельсовой колеей называются две геометрические линии, проходящие вдоль пути по внутренним граням головок рельсов на уровне их контакта с гребнями колес. Условно считают, что эти линии проходят по внутренним (рабочим) граням головок рельсов на уровне, находящемся на 13 мм ниже их поверхности катания».

Основным требованием при проектировании и устройстве рельсовой колеи является обеспечение безопасности движения поездов с установленными скоростями при минимуме сил взаимодействия рельсового пути и подвижного состава.

Согласно Правилам технической эксплуатации железных дорог РФ сооружение и устройство железных дорог должно соответствовать требованиям, обеспечивающим пропуск поездов с наибольшими установленными скоростями: пассажирских – 140 км/ч, рефрижераторных – 120 км/ч, грузовых – 90 км/ч, а по конкретным участкам железных дорог на основании приказа начальника дороги устанавливаются дифференцированные скорости.

Рельсовая колея на прямых участках пути характеризуется: шириной колеи, положением рельсовых нитей по уровню и подуклонкой.

Размеры ширины колеи S, насадки колес Т и толщины гребней h (рис. 1) с учетом допусков и износа колес установлены ПТЭ

Шириной колесной колеи q (колесной пары) называют расстояние между рабочими гранями гребней (реборд) колес в расчетной плоскости. Последняя расположена на 10 мм ниже средних кругов катания колес (для неизношенных колес и рельсов).

Положение колесной пары в рельсовой колее на прямом участке пути: а – ширина колеса; δ 1 , δ 2 – зазоры между гребнями колес и рабочими гранями головок рельса; h 1 , h 2 – толщина гребней колес; μ – утолщение гребней колес выше расчетной плоскости; Т – насадка колес; q – ширина колесной пары; S – ширина колеи

Параметры рельсовой колеи должны обеспечивать безопасное движение экипажей и минимизировать их силовое воздействие на путь. Поэтому размеры и конструктивное оформление рельсовой колеи определяются во взаимосвязи ее с ходовыми частями подвижного состава, т. е. размерами и конструктивными особенностями ходовых частей экипажей, в частности, колесных пар .

- Расстояние между внутренними гранями бандажей или ободов цельнокатанных колес называется насадкой Т . В ПТЭ записаны нормы и допуски для указанных расстояний. Насадка вагонных и локомотивных колес Т = 1440 мм . Допуски зависят от скорости движения экипажей. При скоростях до 120 км/ч отклонения допускаются в сторону увеличения и уменьшения не более 3 мм (т. е. Т = 1440 ± 3 мм) . При скоростях от 120 до 140 км/ч отклонения допускаются в сторону увеличения не более 3 мм и в сторону уменьшения не более 1 мм, т.е. Т = 1440 (+3; –1 мм ) . Колеса имеют реборды (гребни). Назначение реборд – обеспечение направления и предохранение от схода колес с рельсов .

- Толщину гребней колес в расчетной плоскости принято обозначать буквой h Толщина гребней (реборд) измеряется на уровне расчетной плоскости, т. е. по нормали к геометрической оси колесной пары, расположенной на расстоянии 10 мм от средних кругов катания неизношенных колес.

- Выше расчетной плоскости толщина гребней вагонных колес продолжает увеличиваться на μ = 1 мм , а у локомотивных колес μ = 0.

Толщина неизношенного нового гребня вагонного и локомотивного колес h max = 33 мм . Наименьшая толщина изношенного гребня (реборды) при скоростях движения до 120 км/ч допускается h min = 25 мм , при скорости движения более 120 км/ч до 140 км/ч h min = 28 мм .

Коничность колеса

Колеса железнодорожных экипажей имеют коническую форму поверхности катания . Коническая обточка колес необходима для обеспечения плавности движения экипажей, безопасного прохода по стрелочным переводам и недопущения образования седлообразного (желобчатого) износа колес.

Если одно такое колесо катится по рельсу меньшим кругом, а другое колесо этой же оси большим кругом, то последнее колесо будет опережать первое. Возникает виляющее движение колесной пары. Однако колесные пары в основном занимают среднее положение в рельсовой колее. Как только колесная пара выведена по каким-либо причинам из среднего положения, она сейчас же стремится вновь занять симметричное положение, при этом колесные пары будут двигаться по волнообразной кривой, а не в перекошенном в плане положении, как это было бы при цилиндрических колесах.

Колеса с цилиндрической поверхностью катания не обеспечили бы плавности движения. Любая неровность пути (в плане или в профиле) вызывала бы резкое перемещение экипажа вбок (т. е. толчок).

Кроме того, уже при небольшом износе таких колес на них образовывалось бы седлообразное углубление или желоб. Желоб на поверхности катания колеса недопустим, так как в ряде случаев он приводил бы к значительному росту динамических сил и даже ударных.

Например, резкие удары получаются при прохождении колеса, имеющего седлообразный (желобчатый) прокат, по крестовине при перекатывании с сердечника на усовик или наоборот, а также по стрелке при перекатывании с остряка на рамный рельс.

При коничности поверхности катания колес 1/20 на участке преимущественного их износа седлообразного углубления не возникает. Коничность колес имеет некоторые недостатки. Она приводит к «вилянию» экипажей, является одной из причин проскальзывания колес в кривых участках пути. Однако спокойное, плавное и устойчивое движение экипажей, которое обеспечивает коничность поверхности катания колес, так важно, что с указанными ее недостатками приходится мириться.

Железнодорожная колея – один из главных элементов железной дороги. Рельсовая колея представляет собой две параллельные рельсовые нити, которые располагаются друг от друга на определённом расстоянии. Это расстояние называется ширина колеи.

Ширина колеи является главным параметром рельсовой колеи и непосредственно связана с размерами колёсных пар. Измеряется между внутренними рабочими гранями головок рельсов. Железнодорожная колея в России и Европе разная. Это объясняется различными причинами – историческими и стратегическими.

Самая популярная колея во всём мире считается так называемая стефенсоновская колея. Её ширина составляет 1435 мм. Своё название она получила по имени английского изобретателя железных дорог Джорджа Стефенсона (изобрёл первую пассажирскую жд линию направления Ливерпуль - Манчестер).

Европейская колея используется на железных дорогах Северной Америки, Китая и большинства стран Европы. Это примерно 75 % железных дорог на земном шаре.

Железнодорожная колея в РФ отличается от европейской. Её ширина составляет 1520 мм (принята с 70-х годов 20 в.). Используется на всех железных дорогах, метрополитенах и трамвайных линиях РФ и большинства стран СНГ, Финляндии, Монголии. Это примерно 11% железных дорог. Согласно исследованиям, данная величина ширины колеи оказалась наиболее оптимальной: позволяет увеличить стабильность путей при эксплуатации грузовых локомотивов, поездов, уменьшается износ рельсов и колёсных пар (до 94 %), повышается скорость движения, при этом не требуется модернизация подвижного состава.

Изначально ширина Российской колеи составляла 1524 мм и впервые использовалась при постройке Николаевской железной дороги (сер. 19 века). Бытует множество мнений, почему была принята именно такая величина:

переняли американский опыт в ходе сотрудничества с консультантами из США (в то время такая ширина колеи была популярна в южных штатах);

предложение русских инженеров, которые посетили Америку перед началом строительства Николаевской жд.

военный аспект: другая ширина колеи затруднила бы транспортировку военного обеспечения войскам противника из Европы в Россию.

Разная ширина колеи не препятствует пассажирским и грузовым перевозкам. При пересечении границы поезда переставляют на новые колёсные пары, которые соответствуют установленной ширине колеи (1435 мм или 1520 мм).

Остальные материалы:

Рельсовая колея – две параллельные рельсовые нити, уложенные на основании (шпалы, брусья, блоки) и закрепленные на определенном расстоянии друг от друга. Назначение рельсовой колеи (РК) – направление колес подвижного состава при движении на прямых и криволинейных участках. К основным параметрам РК относятся: ширина колеи, положение рельсовых нитей по уровню и подуклонка рельсов. Важнейшим параметром является ширина колеи- расстояние между рабочими гранями головок рельсов, измеренное в расчетной плоскости наиболее вероятных контактов головок рельсов с рабочими гранями гребней колес (ок. 13 мм ниже поверхности катания головок рельсов). В период подготовки к строительству Петербург-Московской железной дороги принято решение об установлении единой ширины колеи на рос. ж. д., равной 5 футам, что соответствует 1524 мм; хотя на первой в России Царскосельской дороге ширина колеи была 6 футов или 1829 мм, а на Сахалине – 1067 мм.
На большинстве ж. д. стран Европы ширина колеи равна 1435 мм, в Центральной и Южной Америке от 1676 до 1435 мм, в Китае в основном 1435 мм, в Индии 1676-1667 мм, Японии 1435-1067 мм, Африке 1676 мм, Австралии 1600-1087 мм. Приведенные размеры РК обычно называют широкой колеей. Узкая колея по европейским стандартам имеет ширину 600, 750, 1000 мм, хотя на практике на узкоколейных ж. д. ширина колеи составляет от 420 до 1000 мм. В целом на земном шаре 62% длины ж.-д. сети имеют колею 1435 (1430) мм, 10% – 1524 (1520) мм, 6% – 1675 мм, 8% -1067 мм, 9% – 1000 мм, 5% – менее 1000 мм.
Параметры РК непосредственно связаны с размерами колесных пар, важнейшими из которых являются: ширина колесной пары (расстояние между рабочими гранями гребней колес в расчетной плоскости) q, величина насадки колес (расстояние между внутренними гранями колес) Т, толщина гребней колес в расчетной плоскости h, ширина колеса а (рис. 3.76). Ширина колесной пары равна: q = Т + h\ + Л2 + 2ц + е; здесь е учитывает изменение ширины колесной пары при упругом ее изгибе под нагрузкой (у загруженных вагонов сужение составляет 2-4 мм, у локомотивов уширение – 1 мм). Ширина колесной пары меньше ширины колеи. На прямой между рельсовыми нитями и гребнями колес образуются зазоры, обеспечивающие возможность «виляющего» движения колесной пары. С уменьшением зазора до оптимального значения уменьшается поперечное воздействие подвижного состава на путь. При очень малых зазорах увеличивается сопротивление движению поезда. Допускается минимальный зазор 7 мм для локомотивов и 5 мм для грузовых вагонов, оптимальный размер составляет соответственно 14 и 12 мм, а максимальный -31 и 29 мм. Виляющему движению колесной пары способствует коничность поверхности катания колес. Рельсы также ставят не вертикально, а с наклоном V20 внутрь колеи.

На основе научных исследований, а также учета зарубежного опыта в 1970 г. в России было принято решение перейти на уменьшенную ширину колеи 1520 мм. Исследования показали, что при ширине колен 1520 мм с уменьшением зазора до оптимального значения 14 мм для локомотивов и 12 мм для вагонов поперечные силовые воздействия колес подвижного состава на путь уменьшаются до 94%. Наименьшее сопротивление движению также оказалось при ширине колеи 1520 мм. Допускаемые отклонения ширины колеи от нормы приняты не более +8 (по уширению) и – 4 мм (по сужению), а на участках, где установлены скорости движения 50 км/ч и менее, – не более +10 и -4 мм. В соответствии с приказом МПС № 6 Ц ширина колеи менее 1512 мм и более 1548 мм не допускается. При ширине колеи менее 1512 мм возможно заклинивание колесной пары с максимальными ее размерами в расчетной плоскости. При ширине колеи более 1548 мм возникает опасность провала колес внутрь колеи, когда колесо покатится по головке рельса той частью бандажа, которая имеет коничность 1/7 (а не 1/20-го) – при этом возникнет дополнительное распирание колеи и при плохом состоянии пути рельс может быть отжат наружу.
Положение рельсовых нитей по верху головок рельсов на прямых участках должно быть в одном уровне; разрешаются отклонения ± 6 мм. Допускается на всем протяжении прямых участков содержать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой. На двухпутных линиях выше ставят наружную (бровочную) нить, так как она менее устойчива, чем междупутная; на однопутных – через каждые 4-5 лет меняют нить, расположенную выше другой (для меньшего ослабления концов шпал из-за перешивок). Отклонения от нормативного положения рельсовых нитей как по ширине колеи, так и по уровню не должны превышать 1 мм; на 1 м длины пути при скоростях движения до 140 км/ч и 1 мм на 1,5 м при скоростях более 140 км/ч.
Подуклонкой рельсов называют их наклон внутрь колеи по отношению к верхней плоскости (постели) шпал. Подуклонка 1:20 соответствует коничности основной поверхности катания колес. Подуклонка обоих рельсов в прямых, а наружных рельсов в кривых участках должна быть не менее 1:60 и не более 1:12, а внутренней нити в кривых при возвышении наружного рельса св. 85 мм -не менее 1:30 и не более 1:12. На деревянных шпалах подуклонка рельсов обеспечивается, как правило, укладкой клинчатых подкладок, а на железобетонных основаниях – наклоном опорной подрельсовой площадки шпал или блока.
При движении подвижного состава в кривых появляются дополнительные поперечные силы – центробежные, направляющие, боковые, рамные. Поэтому РК в кривых пути имеет следующие особенности: уширение колеи при радиусе кривой менее 350 м и укладка контррельсов в необходимых случаях, возвышение наружного рельса, устройство переходных кривых, укладка укороченных рельсов на внутренней нити, увеличение расстояний между смежными путями.
Различают минимальную, оптимальную и максимальную ширину колеи в кривых. Минимально допустимая ширина колеи должна обеспечивать техническую возможность вписывания в кривые экипажей с большой жесткой базой. При оптимальной ширине колеи имеет место свободное вписывание массовых экипажей (вагонов). Максимальная ширина колеи определяется из условия надежного предотвращения провала колес подвижного состава внутрь колеи. В соответствии с приказом МПС РФ № 6 Ц от 6.03.96 установлен номинальный размер ширины колеи между внутренними гранями головок рельсов на прямых участках и в кривых радиусом 350 м и более 1520 мм, при радиусах 349-300 м -1530 мм (в т. ч. на железобетонных шпалах -1520 мм), при радиусах 299 м и менее -1535 мм.
На участках ж. д., где комплексная замена рельсошпальной решетки не проводилась, допускается на участках пути с деревянными шпалами в прямых и кривых радиусом более 650 м номинальная ширина колеи 1524 мм. При этом на более крутых кривых принимается ширина колеи: при радиусе 649-450 м – 1530 мм, 449-350 м – 1535 мм, 349 и менее -1540 мм. Допускаемые отклонения от номинальных размеров не должны превышать по уширению +8 мм и по сужению – 4 мм при скорости 50 км/ч и более; соответственно +10 и -4 мм – при скорости менее 50 км/ч. При отводе уширения колеи уклон должен быть не круче 1 мм/м.
При проходе подвижного состава по кривым возникают центробежные силы, стремящиеся опрокинуть экипаж наружу кривой. Это может произойти лишь в исключительных случаях. Однако центробежная сила неблагоприятно действует на пассажиров, вызывает боковое воздействие на путь, перераспределение вертикальных давлений на рельсы обеих нитей и перегруз наружной нити, что приводит к усиленному боковому износу рельсов и гребней колес. Кроме того, возможны раскантовка рельсов, уширение колеи или поперечный сдвиг рельсошпальной решетки, т. е. расстройство положения пути в плане. Во избежание указанных явлений устраивают возвышение наружной рельсовой нити над внутренней. Возвышение наружного рельса рассчитывается исходя из двух требований: обеспечения одинакового давления колес на наружную и внутреннюю рельсовые нити, а следовательно, одинакового вертикального износа обоих рельсов; обеспечения комфортности езды пассажиров, характеризуемой допускаемым непогашенным центробежным ускорением. По нормам МПС допускаемая величина непогашенного ускорения составляет для пассажирских поездов 0,7 м/с2 (в отдельных случаях с разрешения МПС – 1 м/с2), а для грузовых поездов – +0,3 м/с2. Возвышение наружного рельса устраивается в кривых радиусом 4000 м и менее. В основу расчета положено стремление обеспечить равенство поперечных составляющих центробежной силы и веса экипажа G, т. е. Lcosoc = Gsinа (рис. 3.77). Это достигается изменением угла наклона а расчетной плоскости к горизонту или возвышением наружного рельса.

Величина возвышения (в мм) определяется по формуле: Л= 12,5Vприв2/R, где Vприв – приведенная скорость поездопотока, км/ч; R – радиус кривой, м. Приведенная скорость поездопотока где О, – масса поезда данного вида, т брутто; щ – суточное количество поездов каждого вида; Vlcp – средняя скорость движения поездов каждого вида в кривой (по скоростемерным лентам). Величина возвышения также проверяется из условия комфортности по формуле: hmm = (i2,5Vlaxnac/R-U5, где hmm – минимальное расчетное возвышение наружного рельса, мм; Vmax пас – максимальная допускаемая скорость пассажирского поезда, км/ч; R – радиус кривой, м; 115 – величина допускаемого максимального недовозвышения наружного рельса с учетом нормы непогашенного ускорения 0,7 м/с2. Из полученных по формулам величин возвышения принимается большая и округляется до значения, кратного 5. Максимальная величина возвышения на сети ж. д. РФ – 150 мм. Если по расчету получается ббльшая величина, то принимают 150 мм и ограничивают скорость движения в кривой до

Обычно возвышение наружного рельса устраивают его поднятием путем увеличения толщины балласта под наружной рельсовой нитью. Однако в ряде случаев целесообразно поднять наружную нитку на V2 расчетного возвышения и на такую же величину опустить внутреннюю нитку. В этом случае улучшается комфортность езды пассажиров и уменьшаются динамические воздействия на путь.
Переходные кривые обеспечивают плавное возрастание центробежной силы при переходе подвижного состава из прямой в круговую кривую или из круговой кривой одного радиуса в кривую другого (меньшего) радиуса. Кроме того, в пределах переходной кривой устраивают отвод возвышения наружного рельса и отвод уширения колеи (при радиусе менее 350 м). Плавное возрастание центробежной силы обеспечивается плавным изменением радиуса от бесконечности до величины радиуса круговой кривой. Этому условию наиболее удовлетворяет радиоидальная спираль (клотоида) или ее ближайшее приближение – кубическая парабола. Длина переходной кривой определяется рядом условий, которые можно разделить на 3 группы. Первая группа требует наибольшей длины переходной кривой, связана с отводом возвышения наружного рельса: предотвратить сход колес с рельсов внутренней нити, ограничить вертикальную составляющую скорости подъема колеса на возвышение, ограничить скорость нарастания непогашенной части центробежного ускорения. Вторая группа связана с наличием зазоров между гребнями колес и рельсовыми нитями, а также с потерей кинетической энергии при ударе колеса первой оси о рельс наружной нити. Третья группа учитывает необходимость обеспечения практической возможности разбивки переходной кривой на местности и дальнейшего исправного ее содержания.
На новых скоростных линиях, а также линиях I и II категорий длины переходных кривых /0 определяют из условия: /0 = = /штах/100, где h – возвышение наружного рельса (мм), a vm3LX – скорость движения (км/ч) наиболее быстроходного поезда в данной кривой. В соответствии с СТН Ц-01-95 уклон отвода возвышения наружного рельса обычно принимают не более 1 %о, а в трудных условиях на особогрузонапряженных линиях и на линиях III и IV категорий – не более 2%о, на подъездных путях – 3%>. Длины переходных кривых находятся в пределах от 20 до 180 м с интервалами между ними 10 м (зависят от категории линии и скоростей движения поездов по кривым). Различают следующие способы разбивки переходных кривых’ способ сдвижки круговой кривой вовнутрь, способ введения дополнительных круговых кривых меньшего радиуса, чем радиус основной кривой; способ смещения центра кривой и изменение радиуса.
В связи с тем, что на ж. д. РФ принято расположение стыков по наугольнику, каждый рельс внутренней нити кривой должен быть короче соответствующего наружного рельса. Допуская некоторое несовпадение стыков по наугольнику, устанавливают несколько типов стандартных укорочений рельсов: 40, 80 и 120 мм для рельсов длиной 12,5 м и 80 и 160 мм для 25-метровых рельсов. Количество и порядок укладки укороченных рельсов рассчитывают в зависимости от радиуса кривой, угла ее поворота, длины и параметра переходных кривых. Полное укорочение на переходной (21К) и круговой (кк) кривой определяется формулами:

Где S – расстояние между осями рельсов, 1,6 м; /0 и /кк - соответственно длины переходной и круговой кривой, м; С – параметр переходной кривой, м2. Расчетное (стандартное) укорочение каждого внутреннего рельса по отношению к наружному 25-метровому: ^CI = S-2b/R. Величина фактического укорочения принимается стандартной или близкой к ней (но не меньше стандартной).
На двухпутных линиях для обеспечения безопасности движения поездов по условиям габарита расстояние между осями путей должно быть увеличено. Это увеличение осуществляют двумя способами. В первом случае на прямой перед переходной кривой вводится дополнительная S-образная кривая, за счет которой сдвигается ось пути (рис. 3.78,а). Недостаток способа – появление двух дополнительных кривых с каждой стороны основной кривой. Второй способ {разных сдвижек) предпочтительнее; состоит в том, что длина и параметр переходной кривой внутреннего пути принимаются больше, чем наружного, сдвижка внутреннего пути будет больше, чем наружнопо (рис. 3.78,6). Требуемое уширение междупутья определяют расчетом или по таблицам.

Конспект лекций по ПТЭ

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с требованиями ПТЭ все элементы железнодорожного пути должны обеспечивать безопасное и плавное движение поездов с наибольшими скоростями, установленными для данного участка.

В современных условиях работы ОАО «Российские железные дороги» перед работниками транспорта поставлены задачи по освоению возрастающих перевозок грузов и пассажиров: повышать веса поездов, увеличивать скорости движения, повсеместно усиливать мощности железнодорожного пути – укладывать бесстыковую конструкцию на железобетонном основании.

Изменения условий эксплуатации железнодорожного пути требуют корректировки параметров рельсовой колеи: возвышения; переходных кривых; в некоторых случаях уположения круговых кривых.

Переустройство рельсовой колеи связано со сдвижками оси пути в поперечном направлении, при этом необходимо не только определить величины сдвижек пути, но и найти оптимальные решения, которые позволят использовать существующую ширину основной площадки земляного полотна без устройства боковых присыпок.

Учитывая, что размеры и конструктивное оформление рельсовой колеи находятся в зависимости от размеров и конструктивных особенностей ходовых частей экипажей, в данной работе приведены основные сведения о них и об особенностях ходовых частей вагонов, обусловливающих повышенное боковое воздействие гребней колес на головку рельсов.

В конспекте лекций показана последовательность решения задач проектирования и расчетов рельсовой колеи в прямых и кривых участках пути, приведены требования к ее элементам, расчетные схемы, формулы и примеры расчетов.

При этом основное внимание обращается на формулирование цели расчетов и проектирования, обоснование принимаемых решений, анализ полученных результатов, сравнение вариантов и аргументированные выводы и предложения.

Конспект лекций издан в дополнение к разделу «Рельсовая колея» учебника «Железнодорожный путь» . Содержание и последовательность изложения материала соответствуют сложившейся практике решения задач в курсовом и дипломном проектировании.

Конспект рассчитан на студентов, разрабатывающих курсовые и дипломные проекты по разделу «Проектирование рельсовой колеи».

План лекции:

1.2. Устройство ходовых частей подвижного состава.

1.1. Что такое рельсовая колея?

Очертания рельсовых нитей под поездной нагрузкой представляют собой один из основных результатов деятельности путевого хозяйства, относятся к числу факторов, включающих железнодорожный путь в перевозочный процесс.

Очертания рельсовых нитей во многом регламентированы нормативами на устройство и содержание рельсовой колеи.

Согласно Правилам технической эксплуатации железных дорог РФ (ЦРБ 756) сооружение и устройство железных дорог должно соответствовать требованиям, обеспечивающим пропуск поездов с наибольшими установленными скоростями: пассажирских – 140 км/ч, рефрижераторных – 120 км/ч, грузовых – 90 км/ч, а по конкретным участкам железных дорог на основании приказа начальника дороги устанавливаются дифференцированные скорости.

Рельсовая колея на прямых участках пути характеризуется: шириной колеи, положением рельсовых нитей по уровню и подуклонкой. На рис. 1 показана колесная пара, находящаяся на рельсовой колее в прямом участке пути.

Размеры ширины колеи S, насадки колес Т и толщины гребней h (рис. 1) с учетом допусков и износа колес установлены ПТЭ .

Рис. 1. Положение колесной пары в рельсовой колее на прямом участке пути:

а – ширина колеса; δ 1 , δ 2 – зазоры между гребнями колес и рабочими гранями головок рельса; h 1 , h 2 – толщина гребней колес; μ – утолщение гребней колес выше расчетной плоскости; Т – насадка колес; q – ширина колесной пары; S – ширина колеи

В кривых участках железнодорожного пути рельсовая колея устраивается с учетом следующих особенностей.

1 . При движении железнодорожного экипажа по кривой появляется сила инерции, которую обычно называют центробежной силой. Эта сила создает дополнительное давление на наружную рельсовую нить и вызывает крен кузова на рессорах, в связи с этим рельсы быстрее изнашиваются, возникают отбои рельсовых нитей, увеличиваются напряжения в элементах верхнего строения пути, пассажиры испытывают неприятные ощущения. С целью нейтрализации вредного влияния центробежной силы в кривых приподнимают наружную рельсовую нить над внутренней, т. е. устраивают возвышение наружной рельсовой нити .

2 . При переходе экипажа из прямой непосредственно в круговую кривую внезапно появляется центробежная сила. Для исключения динамического эффекта – внезапного воздействия экипажа на путь, вызывающего боковой толчок при входе экипажа в кривую и выходе их нее, между круговой кривой и прямой устраивают особую кривую – переходную .

3 . Для облегчения вписывания (прохода) тележек экипажей в кривые участки пути (R < 350 м) устраивают уширение рельсовой колеи .

4 . Для соблюдения требований габарита приближения строений (С) в кривых двухпутных линий увеличивают междупутные расстояния .

5 . С целью обеспечения расположения рельсовых стыков в одном створе (по «наугольнику») укладывают по внутренней нити укороченные рельсы .

Параметры рельсовой колеи как в прямых, так и в кривых участках пути должны обеспечивать безопасное движение экипажей и минимизировать их силовое воздействие на путь. Поэтому размеры и конструктивное оформление рельсовой колеи определяются во взаимосвязи ее с ходовыми частями подвижного состава, т. е. размерами и конструктивными особенностями ходовых частей экипажей, в частности, колесных пар .

1.2. Устройство ходовых частей подвижного состава

Любой экипаж (локомотив, вагон) состоит из неподрессоренной части и надрессорного строения. К неподрессоренной относятся ходовые части подвижного состава, т.е. тележки.

Они предназначены для обеспечения безопасного движения экипажей по рельсовому пути с заданной скоростью, плавного хода и наименьшего сопротивления движению. На рис. 2 показана двухосная тележка грузового вагона модели 18-100, рассчитанная на конструкционную скорость движения 120 км/ч типа ЦНИИ-ХЗ-0.

Рис. 2. Двухосная тележка грузового вагона с литыми боковыми рамами типа ЦНИИ-ХЗ-0:

1 – литая боковая рама; 2 – надрессорная балка; 3 – комплект центрального подвешивания с фрикционными гасителями колебаний; 4 – буксовый узел; 5 – колесная пара; 6 – тормозная рычажная передача

Тележка ЦНИИ-ХЗ-0 состоит из двух колесных пар 5 , с четырьмя буксовыми узлами 4 , двух литых боковых рам 1 , надрессорной балки 2 , двух комплектов центрального подвешивания с фрикционными гасителями колебаний 3 и тормозной рычажной передачи 6 .

Боковая рама имеет объединенные пояса и колонки, образующие в средней части проем для размещения комплекта центрального рессорного подвешивания, а по концам – буксовые проемы.

Надрессорная балка (рис. 3) имеет полую конструкцию замкнутого поперечного сечения и форму, близкую к брусу равного сопротивления изгибу. Она отлита вместе с подпятником, служащим опорой кузова вагона, опорами для размещения скользунов и выемками для размещения фрикционных клиньев. На каждой из двух опор скользунов размещаются перевернутые коробки 8 с регулировочными прокладками 9 .

Рис. 3. Надрессорная балка тележки типа ЦНИИ-ХЗ-0:

1 – подпятник; 2 – кронштейн мертвой точки рычажной передачи тормоза; 3 – опора для скользуна; 4 и 5 – бурты, ограничивающие смещения наружных и внутренних пружин рессорного комплекта при движении тележки; 6 – выемка, служащая для размещения фрикционных клиньев; 7 – полка крепления кронштейна мёртвой точки; 8 – колпак (коробка) скользуна; 9 – прокладки для регулировки зазоров между скользунами вагона и тележки; 10 – болт, предохраняющий колпак скользуна от падения; 11 – поддон для опоры шкворня; 12– колонка, усиливающая опору на подпятник пятника вагона

Рессорное подвешивание тележки состоит из двух комплектов, каждый из которых имеет пять, шесть или семь двухрядных цилиндрических пружин (в зависимости от грузоподъемности вагона) и два фрикционных клиновых гасителя колебаний.

Колесные пары – это ось с глухонасаженными на нее стальными колесами. Тип колесной пары определяется типом оси, диаметром колес, конструкцией подшипника и способом крепления его на оси.

Рис. 4. Колесная пара: 1 – ось колесной пары;

2 – бандаж; 3–5 – шейки; 6 – предподступичная часть;

7 – подступичная часть; 8 – средняя часть

Размеры оси (рис. 4) зависят от величины расчетной нагрузки на ось. Исходя из расчетной нагрузки определяются диаметры шеек 3 , 4 , 5 , подступичной – 7 и средней – 8 частей оси. Предподступичная часть 6 является ступенью перехода шейки к подступичной части оси и служит для установки уплотняющих устройств буксы. На подступичных частях 7 прочно закрепляются колеса.

В настоящее время в эксплуатации находится небольшое количество колесных пар с подшипниками скольжения, которые заменяются роликовыми. На торцах шеек 5 таких колесных пар имеются буртики 9 , ограничивающие продольные перемещения подшипников скольжения.

Основным типом вагонных колес являются цельнокатаные, а локомотивных – бандажные.

Стальное цельнокатаное колесо (рис. 5) состоит из обода 1 , диска 2 , ступицы 3 . Рабочая часть колеса представляет собой поверхность катания 4 . Ступица 3 с ободом 1 объединены диском 2 , расположенным под некоторым углом к плоскости круга катания, что придает колесу упругость и способствует снижению уровня динамических сил во время движения. Ступица 3 служит для посадки колеса на подступичной части оси. Поверхность катания обрабатывается по специальному профилю (рис. 6).

Бандажные (составные ) колеса состоят из колесного центра, бандажа и предохранительного кольца. Учитывая сложные условия работы и повышение надежности в эксплуатации, бандаж изготовляют из стали повышенной прочности и твердости, а колесный центр – из более вязкой и дешевой стали. При достижении предельного износа или появлении других повреждений бандаж можно заменить без смены колесного центра.

На дорогах России установлен стандарт на размеры колес. Диаметр колес измеряют по среднему кругу катания. Средний круг катания – это вертикальное сечение колеса, которое расположено на расстоянии 70 мм от внутренней грани колеса.

Вагонные колеса имеют диаметр по среднему кругу катания d в = 950 и 1050 мм. Локомотивные (тепловозные и электровозные) – d тэп,Эл = 1050 и 1250 мм. Диаметр колес паровозов d пар = 1200 и 1850 мм. От диаметра колес зависит износ металла головки рельсов. Колеса опираются на головку рельса небольшой площадкой, которая имеет форму, напоминающую эллипс. При прочих равных условиях площадь контакта зависит от диаметра колеса. Чем меньше диаметр, тем меньше контактный эллипс, тем большие напряжения возникают в металле головки рельса и соответственно увеличивается износ.

Рис. 5. Стальное цельнокатаное вагонное колесо: а – внутренняя грань колеса;

б – наружная грань колеса; 1 – обод; 2 – диск; 3 – ступица; 4 – поверхность катания

Колеса своими ступицами (см. рис. 5) под сильным давлением (от 35 до 105 т) наглухо насаживаются на подступичную часть оси (см. рис. 4), диаметр которой на 0,1…0,3 мм больше диаметра ступиц. Таким образом, колеса могут вращаться только вместе с осью. Глухая насадка колес на оси обеспечивает неизменность расстояния между колесами и, следовательно, не допускает их проваливания внутрь колеи или схода наружу.

Расстояние между внутренними гранями бандажей или ободов цельнокатанных колес называется насадкой Т (см. рис. 1). В Правилах технической эксплуатации железных дорог записаны нормы и допуски для указанных расстояний. Насадка вагонных и локомотивных колес Т = 1440 мм . Допуски зависят от скорости движения экипажей. При скоростях до 120 км/ч отклонения допускаются в сторону увеличения и уменьшения не более 3 мм (т. е. Т = 1440 ± 3 мм) . При скоростях от 120 до 140 км/ч отклонения допускаются в сторону увеличения не более 3 мм и в сторону уменьшения не более 1 мм, т.е. Т = 1440 (+3; –1 мм ) .

Колеса имеют реборды (гребни). Назначение реборд – обеспечение направления и предохранение от схода колес с рельсов . Свес (высота) гребней (считая от среднего круга катания неизношенного колеса) локомотивных колес равен 30 мм, а вагонных – 28 мм (рис. 6).

Рис. 6. Очертание и основные размеры колес:

а – локомотивного; б – вагонного (штриховой линией показаны предельные износы колес)

Толщина гребней (реборд) измеряется на уровне расчетной плоскости, т. е. по нормали к геометрической оси колесной пары, расположенной на расстоянии 10 мм от средних кругов катания неизношенных колес (рис. 6). Ввиду того, что поверхность катания колес со временем изнашивается, толщину гребня измеряют на расстоянии от вершины реборды 20 мм (для локомотивных колес) и 18 мм (для вагонных), которые практически остаются неизменными весь срок службы колес.

Толщину гребней колес в расчетной плоскости принято обозначать буквой h. В процессе эксплуатации гребни колес изнашиваются неодинаково, поэтому на рис. 1 показана толщина гребня одного колеса h 1 , другого – h 2 . Выше расчетной плоскости толщина гребней вагонных колес продолжает увеличиваться на μ = 1 мм (см. рис. 1), а у локомотивных колес μ = 0.

Колеса железнодорожных экипажей имеют коническую форму поверхности катания (рис. 6). Коническая обточка колес необходима для обеспечения плавности движения экипажей, безопасного прохода по стрелочным переводам и недопущения образования седлообразного (желобчатого) износа колес.

При коничности поверхности катания колес 1/20 на участке преимущественного их износа седлообразного углубления не возникает. Износ имеет вид, показанный штриховой линией на рис. 6.

Коничность колес имеет некоторые недостатки. Она приводит к «вилянию» экипажей, является одной из причин проскальзывания колес в кривых участках пути. Однако спокойное, плавное и устойчивое движение экипажей, которое обеспечивает коничность поверхности катания колес, так важно, что с указанными ее недостатками приходится мириться.

Колеса в поперечном разрезе имеют сложную форму (рис. 6). Гребень колес сопрягается с поверхностью катания по кривой, очерченной радиусом 15 мм у вагонов и 13,5 мм у локомотивов. Этот радиус близок к радиусу сопряжения верхней и боковой граней головки рельсов для того, чтобы затруднить вкатывание колес на рельсы. Далее идет коническая поверхность с уклоном 1/20, затем 1/7. Переход коничности колес от 1/20 к 1/7 сделан с той целью, чтобы облегчить их перекатывание с остряка на рамный рельс и с сердечника крестовины на усовик и обратно. Край колеса заканчивается фаской шириной и высотой 6 мм, у цельнокатаных колес фаска с наружной стороны заменяется закруглением радиусом 10 мм.

В процессе эксплуатации поперечный профиль колес изменяет форму, появляется вертикальный износ (прокат), измеряемый по среднему кругу катания.

Прокат колес пассажирских вагонов, моторвагонного подвижного состава и локомотивов при скорости движения свыше 120 км/ч до 140 км/ч не должен превышать 5 мм , а при скорости движения до 120 км/ч – более 7 мм , у моторвагонного и специального самоходного подвижного состава и пассажирских вагонов в поездах местного и пригородного сообщения – более 8 мм , у вагонов рефрижераторного парка и грузовых вагонов – более 9 мм .

Шириной колесной пары (колесной колеей ) (см. рис. 1)называют расстояние между рабочими гранями гребней колес в расчетной плоскости .

где Т – насадка колес; h 1 , h 2 – толщина гребней колес; μ – утолщение гребней колес выше расчетной плоскости; ξ q – уменьшение ширины колесной пары за счет упругого изгиба ее оси под нагрузкой (для загруженных вагонов ξ q = 2÷4 мм, для локомотивов ξ q = 1 мм).

В соответствии с формулой (1) при неизношенных гребнях колес ширина колесной пары без учета изгиба оси под нагрузкой составляет: у вагонных колес

Мм; у локомотивных колес мм.

Наибольшая ширина колесной пары:

– у вагонов мм;

– у локомотивов мм.

Считать, что минимальная ширина колесной пары вагонов мм, исходя из допускаемой минимальной насадки 1437 мм и толщины гребня 25 мм, было бы неправильно, так как на одной колесной паре совпадение изношенных до допускаемого предела 25 мм гребней одновременно на обоих колесах фактически не бывает. Один из гребней всегда изнашивается более интенсивно, чем другой и, следовательно, раньше достигает установленного предела 25 мм. Это является следствием того, что колесные пары не идеально перпендикулярны к оси кузова, а середина их не идеально совпадает с осью кузова (при сборке вагона получаются небольшие неточности в допускаемых пределах). Кроме этого, при проходе экипажей в кривых тележка вагона занимает перекосное положение, что способствует неодинаковому износу гребней колес.

В связи с этим величина q min была установлена ЦНИИ МПС специальными обмерами массы колесных пар и обработкой результатов методами математической статистики. При этом получилось, что q min = 1492 мм .

При расчетах взаимозависимости размеров рельсовой колеи и колесных пар следует учитывать изменение величины насадки колесных пар Т, установленной при изготовлении, и вследствие изгиба осей под нагрузкой.

В связи с тем, что буксовые узлы в современном подвижном составе располагаются снаружи колесной пары, ширина насадки на расчетном уровне уменьшается. Величина этого уменьшения ξ q зависит от конструкции, размеров колесных пар и величины осевой нагрузки. Обычно в расчеты вводят ξ q = 2 мм для вагонов и ξ q = 1 мм для локомотивов (рис. 7).