Нормы устройства и содержания рельсовой колеи

Основные нормы устройства и содержания рельсовой колеи бесстыкового и звеньевого пути совпадают.

Главным требованием при проектировании и устройстве рельсовой колеи является обеспечение безопасности движения поездов с установленными скоростями при возможном минимуме сил взаимодействия колеса и рельсовой плети, снижении интенсивности накопления остаточных деформаций и расходов на техническое обслуживание и ремонт бесстыкового пути.

Путь и подвижной состав представляют собой единую механическую систему, составные части которой работают взаимосвязано и взаимозависимо.

Железнодорожные экипажи состоят из неподрессоренной и обрессоренной частей. Массу ходовых частей подвижного состава, непосредственно взаимодействующую с рельсами и отделенную от остальной массы экипажа упругими связями (например, рессорами), называют неподрессоренной массой. Остальная часть экипажа считается обрессоренной массой.

Обе эти части при движении экипажей (локомотивы, вагоны) совершают сложные колебания как относительно пути, так и друг друга. Колебания возникают в основном из:за неровности пути и неровности на колесах, а также зависят от режима тяги, сопротивления движению колес и ряда других причин.

Все перечисленные вертикальные силы имеют различную природу и свои особенности. Постоянна во времени только статическая нагрузка, а все остальные силы имеют вероятностную природу.

Помимо вертикальных сил подвижной состав передает на путь также горизонтальные поперечные и продольные силы.

Таким образом, боковое воздействие колеса на рельс в прямых участках пути может быть найдено как алгебраическая сумма всех этих сил.

При движении экипажа в кривой возникают дополнительные горизонтальные силы — центробежная сила и направляющее усилие.
Центробежная сила

(2.1)

J = Q/gV²/3,6²R

где Q — вес экипажа, Н;
g — ускорение свободного падения, 9,81 м/ с²;
V — скорость движения, км/ч;
R — радиус кривой, м;
3,6 — коэффициент перехода между скоростью в км/ч и в м/с.
Центробежная сила J должна компенсироваться силой Т, возникающей из:за устройства возвышения наружного рельса в кривой

(2.2)

T = h/SQ

где h — возвышение наружного рельса, мм;
S — расстояние между кругами катания колес, мм.
В связи с действием сил Т, J и сил трения скольжения колес по рельсам (рис. 2.17) возникают направляющие силы Y₁, Y₂, которые поворачивают тележки.

Рис. 2.17. Схема приложения основных сил при движении вагона по кривой радиуса R

Совместное действие этих сил может быть заменено их алгебраической суммой F_нп = J + T. Если центробежная сила J полностью компенсируется силой Т, то F_нп = J + T = 0.

Если F_нп ? 0, то возникают дополнительные поперечные силы U_поп, пропорциональные величинам непогашенного поперечного ускорения

Y_доп = ba_нп

где b — коэффициент, учитывающий установку тележки в рельсовой колее;
анп — непогашенное поперечное ускорение в м/с², имеет вид:

(2.3)

а_нп = V²/3,6²R – gh/S

В зависимости от знака непогашенного поперечного ускорения может возникнуть перегрузка наружной или внутренней рельсовой плети.

Таким образом, в кривом участке пути направляющее усилие, боковое и рамное воздействия зависят от центробежной силы, которая, в свою очередь, пропорциональна величине непогашенных горизонтальных ускорений.

При прохождении по пути подвижного состава возникают и силы, действующие вдоль пути. Вызываемое ими продольное перемещение рельсов относительно шпал или всей путевой решетки в балласте называется угоном пути.

Среди многих факторов, приводящих к угону пути, наиболее значимыми являются сопротивление движению поезда, перемещение рельсов относительно опор вследствие изгиба рельсов под движущейся нагрузкой, торможение подвижного состава и ряд других.

Ранее были рассмотрены вопросы распределения продольных температурных напряжений по длине рельсовой плети (см. рис. 1.1). Если на длине плети имеются участки с плохо закрепленными промежуточными скреплениями (незакрепленными или слабо закрепленными клеммами), то при проходе поезда на этих участках происходят местные подвижки плетей, приводящие к образованию на их концах значительных дополнительных сжимающих или растягивающих плеть сил угона. Складываясь с продольными температурными силами, силы угона могут вызвать потерю устойчивости бесстыкового пути.

Кратко рассмотрев действующие на бесстыковой путь при проходе по нему подвижного состава вертикальные и продольные силы, перейдем к вопросам устройства рельсовой колеи бесстыкового пути.

Разность смежных стрел в этом случае не должна превышать:

• при скоростях 81—140/71—90 км/ч — 10 мм;
• при скоростях 61—80/61—70 км/ч — 15 мм;
• при скоростях 41—60 км/ч — 20 мм;
• при скоростях 16—40 км/ч — 25 мм;
• при скоростях 15 км/ч — 30 мм.

Разность смежных стрел изгиба может проверяться также от середины хорды длиной 4, 10, 15, 25 и 30 м.

При направленной внутрь колеи короткой неровности в плане в прямых участках пути по любой, а в кривых участках пути — по наружной рельсовой нити разность смежных стрел изгиба, измеряемых от середины хорды длиной 4 м, не должна превышать:

• 8 мм при скоростях до 140 км/ч;
• 9 мм при скоростях до 120 км/ч; 14 мм при скоростях до 60 км/ч;
• 15 мм при скоростях до 40 км/ч; 18 мм при скоростях до 15 км/ч.
• При разности стрел более 18 мм движение поездов закрывается.

Расстояние между внутренними рабочими гранями головок рельсов, измеренное на уровне 13 мм ниже поверхности катания, называется шириной рельсовой колеи.

Рис. 2.18. Соотношение размеров колесной пары и рельсовой колеи

По направлению выравнивают одну рельсовую нить (рихтовочную), а другую — устанавливают по шаблону в пределах допусков по ширине колеи.

Если на прямом участке пути поставить колесную пару так, чтобы гребень одного колеса был прижат к рельсу, то между гребнем второго колеса и рабочей гранью головки второго рельса будет зазор ? (рис. 2.18). При большом зазоре ? колеса опираются на рельсы узкой полоской, что может вызвать проваливание колес внутрь колеи. Если зазора не будет вообще, может возникнуть заклинивание колесной пары в рельсовой колее.

Пример 2.1. Определим ширину рельсовой колеи, при которой возможен провал колес внутрь колеи. Из рис. 2.18 видно, что

? = S – (T + 2q + 2?)

где S — ширина рельсовой колеи в прямом участке пути, мм;
T — насадка колес, мм;
q — толщина гребня, мм;
? — утолщение гребня выше расчетной плоскости, равное для вагонных колес 1 мм, для локомотивных колес — 0 мм.

На рис. 2.19 показана колесная пара в момент, когда шестимиллиметровая фаска на колесе совпадает с началом закругления головки рельса. Можно считать, что такое положение колеса является началом его проваливания в рельсовой колее.

Рис. 2.19. Возможное положение колесной пары в пути при ширине колеи 1574 мм (сплошная линия) и 1550 мм (штриховая линия)

Для вагонной колесной пары проваливание может произойти при ширине колеи

S = 25 + 1 + 1437 + 130 – 6 = 1574 мм

где 25 — минимально допустимая толщина изношенного гребня, мм;
1 — расстояние от нерабочей грани гребня на расчетном уровне до вертикали, от которой отсчитывается насадка колесной пары, мм;
1437 — минимальная величина насадки колесной пары, мм;
130 — полная ширина вагонного колеса, мм;
6 — ширина фаски на наружной грани колеса, мм;
13 — горизонтальное расстояние от начала закругления головки рельса до ее рабочей грани, мм.

Недопустимой считают такую ширину колеи, при которой точка перехода коничности поверхности катания колеса 1/20 в 1/7 совпадает с началом закругления головки рельса, поскольку в этом случае возможно распирание рельсовой колеи. Это может произойти при ширине колеи 1574 – 24 = 1550 мм (см. рис. 2.19).

Если учесть изгиб вагонной оси и упругое уширение колеи под поездной нагрузкой, то становится очевидной обоснованность существующего запрета на ширину колеи более 1548 мм.

Пример 2.2. Определим ширину рельсовой колеи, при которой возможно заклинивание колесной пары в колее.

Опасный предел ширины колеи по ее сужению определяется тем, что при наибольшем расстоянии между рабочими гранями гребней вагонных колес 1443+2?33+2?1=1511 мм при ширине колеи 1511 мм возможно
заклинивание колесной пары. Поэтому ширина рельсовой колеи в прямых менее 1512 мм не допускается.

Ранее указывалось, что процесс виляния колес подвижного состава сопровождается возникновением сил трения скольжения и сил воздействия гребней колес на рельсы при набегании. Первые относительно невелики, однако вторые могут достигать величин 30—40 кН. Эти силы зависят от скорости набегания колес на рельсы при вилянии, которая будет тем выше, чем больше зазор в рельсовой колее ? (см. рис. 2.18).

Номинальная ширина рельсовой колеи в прямых и кривых участках бесстыкового пути радиусом 350 м и более составляет 1520 мм; в кривых участках пути радиусом менее 350 м до 300 м включительно — 1530 мм.
Для ширины колеи 1520 мм предусматриваются два вида допусков по ширине колеи в зависимости от скоростей движения поездов: +8, –4 мм — при скоростях движения более 50 км/ч и +10, –4 мм — при скоростях движения 50 км/ч и менее.

Верх головок обеих рельсовых нитей на прямых участках должен быть на одном уровне. Разрешается содержать путь с возвышением по уровню одной рельсовой нити над другой 6 мм. Длина такого прямого участка должна быть не менее 200 м, за исключением участков, расположенных между смежными кривыми одного направления.

При возвышении одной рельсовой нити на 6 мм экипаж немного наклонится, что приведет к возникновению боковой силы, которая слегка прижмет колеса к пониженной рельсовой нити и затруднит их виляние. Поскольку эта рельсовая нить является рихтовочной, то прижимающееся к ней колесо будет двигаться более плавно.

На двухпутных линиях выше ставят бровочную рельсовую нить, чтобы рихтовочной стала более устойчивая междупутная рельсовая нить.
На однопутных линиях при проведении очередного среднего ремонта, как правило, меняют рихтовочную нить.

Возвышение одной рельсовой нити над другой на прямом участке должно заканчиваться не ближе 25 м от начала возвышения в кривой, если повышенная нить на прямой совпадает по уровню с пониженной нитью в кривой.

Если на прямых участках пути с возвышением одной рельсовой нити над другой расположено мостовое полотно с ездой на балласте, то на нем также должно быть сохранено это возвышение. На мостах с ездой поверху и мостовыми брусьями возвышение допускается при длине моста не более 25 м. На мостах большей длины с мостовыми брусьями, в тоннелях и на подходах к ним протяженностью 25 м, а также на стрелочных переводах в прямых участках пути допускать повышение од: ной рельсовой нити над другой на 6 мм запрещается.

Номинальный уклон отвода по уровню от нормы 6 мм к нулевому положению не должен превышать 1.

Допустимые отклонения от норм расположения рельсовых плетей по уровню составляют ±6 мм. Если, например, сначала левая рельсовая плеть выше правой на 6 мм, а затем наоборот, то минимальное расстояние между такими превышениями должно быть не менее 20 м, так как при меньшем расстоянии образуется перекос пути. К перекосам пути относятся резкие изменения положения рельсовых плетей по уровню в разные стороны при расстоянии между вершинами пик 20 м и менее.

При таком перекосе возможно обезгруживание одного из колес вагона, что в сочетании с большими боковыми силами может привести к сходу подвижного состава.

На рис. 2.20 показано положение тележки при проходе через перекос, измеряемый на базе тележки, когда центры обоих колес задней и левого колеса передней колесной пары находятся в одной горизонтальной плоскости, а правое колесо передней колесной пары опустилось.
В этом случае нагрузка на него от рессоры несколько уменьшается, т.е. происходит его частичная разгрузка. Если такая разгрузка совпадает с сильным боковым прижатием гребня колеса к головке рельса, то оно, вращаясь, может подняться на головку рельса, а затем и сойти с нее.