Рельсовая колея - это две рельсовые нити, установленные на определенном расстоянии одна от другой и прикрепленные к шпалам, брусьям или плитам. Устройство и содержание рельсовой колеи зависят от особенностей конструкции ходовых частей подвижного состава.

К ним относятся наличие у колес реборд (гребней), которые удерживают колеса на рельсах и направляют движение локомотивов и вагонов. Колеса наглухо запрессовываются на оси и образуют вместе с ней колесную пару. Оси колесных пар, объединенные общей жесткой рамой, всегда остаются взаимно параллельными.

Поверхность катания колес имеет не цилиндрическую, а коническую форму с уклоном в средней ее части в 1:20.

Расстояние между внутренними гранями колес называется насадкой T = 1440 мм с предельными допусками ± 3 мм.

Расстояние между крайними осями, закрепленными в раме одной тележки, называется жесткой базой.

Расстояние между крайними осями вагона или локомотива называется полной колесной базой данной единицы.

Так, полная колесная база электровоза ВЛ-8 составляет 24,2 м, жесткая база - 3,2 м.

Расстояние между рабочими гранями гребней колес называется шириной колесной пары.

Толщина гребней колесных пар должна быть не более 33 мм и не менее 25 мм. Чтобы колесная пара с самой широкой насадкой и неизношенными гребнями колес могла поместиться внутри колеи, ширина ее должна быть 1440 + 3 + 2×33 = 1509 мм, но при этом колесная пара будет зажата (заклинена) между рельсами.

Ширина колеи - это расстояние между внутренними гранями головок рельсов, измеряемое на уровне 13 мм ниже от поверхности катания. Ширина колеи на прямых участках пути и в кривых радиусом 350 м и более должна быть 1520 мм. На существующих линиях вплоть до их перевода на колею 1520 мм на прямых участках и в кривых радиусом более 650 м допускается ширина колеи 1524 мм. В кривых меньшего радиуса ширина колеи увеличивается согласно Правилам технической эксплуатации (ПТЭ).

Допуски по ширине колеи установлены по уширению плюс 8 мм, по сужению колеи минус 4мм, а на участках, где установлены скорости 50 км/ч и менее разрешены допуски +10 по уширению, -4 по сужению (ПТЭ ЦРБ-756.2000 г.). В пределах допусков ширина колеи должна изменяться плавно.

Подуклонка рельсов. В прямых участках пути рельсы устанавливают не вертикально, а с наклоном внутрь колеи, т. е. с подуклонкой для передачи давления от конических колес по оси рельса. Коничность колес обусловлена тем, что подвижной состав с такими колесными парами оказывает гораздо большее сопротивление горизонтальным силам, направленным поперек пути, чем цилиндрические колеса, уменьшается «виляние» подвижного состава и чувствительность к неисправностям пути.

Переменная коничность поверхности катания колес от 1:20 к 1:7 (рис.4.35) придается во избежание появления желобчатого износа колес и для плавного перехода с одного пути на другой через стрелочный перевод. Рельсовые нити должны находиться в одном уровне. Допускаемые отклонения от нормы зависят от скорости движения поездов.

Ðèñ. 4.35. Òèïîâîé ïîïåðå÷íûé ïðîôèëü áàëëàñòíîé ïðèçìû íà ëèíèè Ñàíêò-Ïåòåðáóðã - Ìîñêâà: 1 - î÷èùåííûé ùåáåíü; 2 - ñëîé, ýêñòðóäèðîâàííûé

ïåíîïîëèñòèðîëîì òîëùèíîé 40 ìì

На длинных прямых разрешается содержать одну рельсовую нить постоянно на 6 мм выше другой. При таком положении рельсовых нитей колеса будут слегка прижаты к пониженной рихтовочной нити и двигаться более плавно. На двухпутных участках рихтовочной является междупутная нить, а на однопутных участках, как правило - правая по ходу километров.

Работа пути в кривых участках сложнее, чем в прямых , т.к. при движении подвижного состава по кривым появляются дополнительные боковые силы, например, центробежная сила. К особенностям устройства колеи в кривых относятся: увеличение ширины колеи в кривых малых радиусов, возвышение наружной рельсовой нити над внутренней, соединение прямых участков с круговыми кривыми посредством переходных кривых, укладка укороченных рельсов на внутренней нити кривой. На двухпутных линиях в кривых увеличивается расстояние между осями путей. Уширение колеи на кривых участках наших дорог делается при радиусах менее 350 м.

Необходимость уширения вызывается тем, что включенные в общую жесткую раму колесные пары, сохраняя параллельность своих осей, затрудняют прохождение тележек подвижного состава по кривым. При отсутствии уширения исчезает необходимый зазор между гребнями колес и рельсом и наступает недопустимое заклиненное прохождение подвижного состава. При этом возникает большое сопротивление движению поезда, а также дополнительный износ рельсов и колес, не обеспечивается безопасность движения.

Чем меньше радиус кривой и чем больше жесткая база, тем шире должна быть колея.

Возвышение наружного рельса. При движении экипажа по кривой возникает центробежная сила, направленная наружу кривой. Эта сила создает дополнительное воздействие колеса на наружную рельсовую нить, сильно изнашивая рельсы этой нити. Если в кривой установить обе рельсовые нити на одном уровне, то равнодействующая центробежной силы и силы веса будет отклоняться к наружному рельсу, перегружая его и соответственно разгружая внутренний рельс. Для того чтобы снизить боковое давление на рельсы наружной нити, уменьшить их перегрузку, добиться равномерности износа рельсов обеих нитей и избавить пассажиров от неприятных ощущений, устраивают возвышение наружного рельса h (рис. 4.36).

Ðèñ. 4.36. Ñõåìà äåéñòâóþùèõ ñèë ïðè óñòðîéñòâå âîçâûøåíèÿ íàðóæíîãî ðåëüñà â êðèâûõ

В этом случае экипаж наклоняется к центру кривой, часть силы веса H будет направлена внутрь кривой, т.е. в сторону, противоположную действию центробежной силы. Следовательно, наклон экипажа за счет устройства возвышения наружного рельса уравновешивает центробежную силу. Это выравнивает воздействие на оба рельса.

При радиусах кривых 4000 м и менее делают возвышение наружной рельсовой нити, которое может быть от 10 до 150 мм. Это возвышение зависит от скоростей движения поездов, массы их брутто и суточного количества поездов на рассматриваемой кривой и радиуса кривой. Отвод возвышения наружного рельса, т.е. постепенное снижение повышенной наружной нити до нуля, делается плавно. Отклонение расчетного возвышения по уровню допускается в зависимости от скорости движения поездов.

Переходные кривые . Для плавного вписывания подвижного состава в кривые между прямым участком и круговой кривой устраивается переходная кривая, радиус которой постепенно уменьшается от бесконечно большой величины в месте примыкания ее к прямому участку до радиуса R в точке, где начинается круговая кривая. Необходимость вставки переходных кривых вызвана следующим. Если поезд с прямого участка пути войдет в круговую кривую, где сразу изменится радиус кривизны с ¥ до R, то на него мгновенно действует центробежная сила. При большой скорости подвижной состав и путь будут испытывать сильное боковое давление и быстро изнашиваться. При устройстве переходных кривых радиус медленно уменьшается, соответственно медленно нарастает и центробежная сила - резкого бокового давления на поезд и путь не произойдет. На железных дорогах РФ переходные кривые строят по радиоидальной спирали, т.е. применяют кривую с переменным радиусом кривизны. Их принимают стандартной длины от 20 до 200 м.

В пределах переходных кривых плавно отводят возвышение наружного рельса и уширение колеи, устраиваемые в круговых кривых, а также делают уширение междупутья.

Для разбивки переходных и следующих за ним круговых кривых, то есть для разметки их положения на местности, имеются специальные таблицы.

Укладка укороченных рельсов в кривых. Внутренняя рельсовая нить в кривой короче наружной. Если по внутренней нити кривой укладывать все рельсы такой же длины, как и по наружной, то стыки по внутренней нити станут забегать вперед относительно стыков на наружной нити и не получится расположения их по наугольнику, как это принято на нашей сети. Для устранения большого забега стыков в кривой по внутренней нити укладывают рельсы укороченной длины. Применяют три типа укорочения рельсов: на 40, 80 и 120 мм для рельсов 12,5 м и на 80 и 160 мм для рельсов 25 м. Большие укорочения применяются на крутых кривых. Укладку укороченных рельсов чередуют с рельсами нормальной длины так, чтобы забег или недобег стыков не превышал половины стандартного укорочения, т.е. соответственно 20; 40; 60 и 80 мм. При эксплуатации пути забег или недобег стыков допускается в кривых – 8см плюс половина стандартного укорочения рельса в данной кривой.

Рельсовая колея - это расстояние между внутренними боковыми гранями головок рельсов, измеряемое на уровне 13 мм ниже поверхности катания, в нашей стране еще в начале строительства железных дорог была принята равной 5 футам, то есть 1524 мм. В большинстве других стран нормальная ширина колеи 1435 мм. В Индии, Пакистане, Цейлоне, Испании, Португалии, Аргентине и Чили принята ширина колеи 1676 мм, в Бразилии, Северной Ирландии - 1600 мм, в Японии и ряде африканских стран - 1067 мм.

Во многих странах имеются узкоколейные дороги с шириной колеи 750, 600, 500 мм и других размеров.

Для улучшения взаимодействия пути с подвижным составом Правилами технической эксплуатации железных дорог, утвержденными МПС в 1970 г., ширина колеи уменьшена с 1524 до 1520 мм.

Нормальная ширина колеи относится к прямым участкам и к кривым радиусом 350 м и более. Для кривых радиусом от 349 до 300 м она равна 1530 мм, а при радиусах кривых менее 300 м - 1535 мм. Уширение колеи в кривых малых радиусов устраивают для облегчения прохождения по ним подвижного состава. В кривых радиусом от 650 до 300 м ширина колеи может иметь дополнительное уширение на величину фактического бокового износа головки рельсов, но не более чем до 1530 мм в кривых радиусом 650-450 м, 1535 мм - в кривых радиусом 449-350 м и 1540 мм - в кривых радиусом 349 м и менее.

Из-за невозможности обеспечить абсолютно точную величину ширины колеи при сборке рельсошпальной решетки и неизменяемость ее в эксплуатации установлены допуски в содержании колеи, равные +8 и -4 мм. Это значит, что при норме 1520 мм ширина колеи может колебаться в пределах от 1528 до 1516 мм. Для кривых участков применяют те же допуски, но с одним ограничением - ширина колеи более 1548 мм ни в каких случаях не допускается, так как такое увеличение создает опасность возможного распора ее частью колеса с увеличенной коничностью поверхности.

Если на участке установлены допускаемые скорости движения поездов 50 км/ч и менее, допускается уширение колеи до 10 мм, а сужение 4 мм.

На существующих линиях впредь до их перевода на колею 1520 мм допускается ширина колеи: на прямых участках и в кривых радиусом 350 м и более - 1524 мм; в кривых радиусом от 349 до 300 м - 1530 мм, а радиусом 299 м и менее - 1540 мм.

Имеются отдельные участки с колеей 1524 мм, где сохранились еще кривые со следующими величинами ширины колеи: при радиусах от 650 до 450 м - 1530 мм; при радиусах 449 до 350 м - 1535 мм; при радиусах 349 м и менее - 1540 мм.

До перехода на колею 1520 мм разрешено содержать путь по этим нормам.

В тяжелых условиях (горные линии, внутризаводские пути и т. д.), когда применяют очень крутые кривые и ширина колеи 1548 мм оказывается недостаточна, может быть допущено дополнительное уширение, но при условии укладки контррельсов и других устройств, исключающих возможность провала колес внутрь колеи.

Наиболее благоприятным является свободное вписывание в кривую жесткой базы локомотива или вагона (рис. 1), когда передняя ось прижата гребнем одного колеса к наружной рельсовой нити, а задняя касается гребнем внутренней рельсовой нити; при этом задняя ось оказывается расположенной по направлению радиуса кривой. В этом случае жесткая база единицы подвижного состава устанавливается внутри колеи совершенно свободно.

Самым неблагоприятным видом вписывания является заклиненное вписывание (рис. 2), при котором оба крайних колеса в жесткой базе оказываются прижатыми гребнями к рельсу. Такое вписывание вызывает очень большое сопротивление движению поезда и небезопасное давление колес на рельсы. Вписывание, по своему характеру занимающее промежуточное положение между свободным и заклиненным, называют принудительным .

На наших железных дорогах в настоящее время почти всюду находятся в обращении тележечные локомотивы (электровозы и тепловозы) и тележечные грузовые и пассажирские вагоны, имеющие жесткую базу от 1,8 м у четырехосного полувагона до 4,4 м у электровоза.

Переход на короткобазный подвижной состав позволил унифицировать ширину, колеи на прямых и кривых участках (радиусом 350 м и более), за исключением относительно небольшого протяжения путей в горных районах, подъездных, соединительных, внутризаводских и станционных, имеющих радиусы кривых менее 350 м.

При прохождении поездов по кривым участкам путь испытывает значительные дополнительные воздействия от колес подвижного состава. Чтобы избежать резких ударов гребней колес о рельсы при входе поезда в кривые, значительных перегрузок наружных рельсовых нитей из-за появления центробежных сил, облегчить вписывание подвижного состава в кривые и прохождение по ним:

• увеличивают ширину колеи;
• предотвращают искажения проектной кривизны пути;
• наружные рельсовые нити располагают выше внутренних;
• в местах сопряжений прямых участков пути с кривыми устраивают переходные кривые;
• уменьшают расстояния между шпалами;
• смазывают боковые поверхности соприкосновения гребней колес с рельсами.

Большое значение для взаимодействия подвижного состава и пути в кривых имеет размер жесткой базы локомотивов и вагонов. На дорогах РФ находятся в обращении в основном тележечные локомотивы (электровозы и тепловозы) и грузовые и пассажирские вагоны с жесткой базой от 1,8 м у четырехосного полувагона до 4,4 м у электровоза. У короткобазного подвижного состава значительно лучше условия прохождения по кривым, и это позволило унифицировать ширину колеи на прямых и кривых участках (радиусом 350 м и более). Только на относительно небольшом протяжении путей в горных районах, на подъездных, соединительных, внутризаводских и станционных путях, где радиусы кривых остались менее 350 м, производится уширение колеи.

21 22 24 ..

Устройство рельсовой колеи в прямых участках пути

Рельсовая колея - это две рельсовые нити, установленные на определенном расстоянии одна от другой и прикрепленные к шпалам, брусьям или плитам. Устройство и содержание рельсовой колеи зависят от особенностей конструкции ходовых частей подвижного состава.

К ним относится наличие у колес реборд (гребней), которые удерживают колеса на рельсах и направляют движение локомотивов и вагонов. Колеса наглухо запрессовываются на оси и образуют вместе с ней колесную пару. Оси колесных пар, объединенные общей жесткой рамой, всегда остаются взаимно параллельными.

Поверхность катания колес имеет не цилиндрическую, а коническую форму с уклоном в средней ее части 1:20.

Расстояние между внутренними гранями колес называется насадкой Т=1440 мм с предельными допусками + - 3 мм. Расстояние между крайними осями, закрепленными в раме одной тележки, называется жесткой базой.

Расстояние между крайними осями вагона или локомотива называется полной колесной базой данной единицы.

Так, полная колесная база электровоза BJT-8 составляет 24,2 м, жесткая база - 3,2 м.

Расстояние между рабочими гранями гребней колес называется шириной колесной пары.

Толщина гребней колесных пар должна быть не более 33 мм и не менее 25 мм. Чтобы колесная пара с самой широкой насадкой и неизношенными гребнями колес могла поместиться внутри колеи, ширина ее должна быть 1440 + 3 + 2 х 33 = 1509 мм, но при этом колесная пара будет зажата (заклинена) между рельсами.

Ширина колеи - это расстояние между внутренними гранями головок рельсов, измеряемое на уровне 13 мм ниже от поверхности катания. Ширина колеи на прямых участках пути и в кривых радиусом 350 м и более должна быть 1520 мм. На существующих линиях вплоть до их перевода на колею 1520 мм на прямых участках и в кривых радиусом более 650 м допускается ширина колеи 1524 мм. В кривых меньшего радиуса ширина колеи увеличивается согласно Правилам технической эксплуатации.

Допуски по ширине колеи установлены по уширению плюс 8 мм, по сужению колеи минус 4мм, а на участках, где установлены скорости 50 км/ч и менее разрешены допуски +10 по уширению, - 4 по сужению. В пределах допусков ширина колеи должна изменяться плавно.

Подуклонка рельсов . В прямых участках пути рельсы устанавливают не вертикально, а с наклоном внутрь колеи, т. е. с подук-лонкой для передачи давления от конических колес по оси рельса. Коничность колес обусловлена тем, что подвижной состав с такими колесными парами оказывает гораздо большее сопротивление горизонтальным силам, направленным поперек пути, чем цилиндрические колеса, уменьшается «виляние» подвижного состава и чувствительность к неисправностям пути.

Переменная коничность поверхности катания колес от 1:20 к 1:7 придается во избежание появления желобчатого износа колес и для плавного перехода с одного пути на другой через стрелочный перевод. Рельсовые нити должны находиться на одном уровне. Допускаемые отклонения от нормы зависят от скорости движения поездов.

На длинных прямых разрешается содержать одну рельсовую нить постоянно на 6 мм выше другой. При таком положении рельсовых нитей колеса будут слегка прижаты к пониженной рихтовочной нити и двигаться более плавно. На двухпутных участках рихтовочной нити является междупутная нить, а на однопутных участках, как правило - правая по ходу километров.

Расчет рельсовой колеи

ХОДОВЫЕ ЧАСТИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Особенностями ходовых частей железнодорожного подвижного состава, влияющими на конструктивное оформление рельсовой колеи, являются:

1) наличие реборд (гребней) у бандажей колес;

2) глухая насадка колес;

3) параллелизм осей в пределах жесткой базы;

4) поперечные разбеги осей подвижного состава, а также наличие у некоторых экипажей поворотной оси или тележки;

5) коничность бандажей.

Реборды, или гребни, колес представляют собой выступа­ющие части колес, предназначенные для направления дви­жения экипажей и предупреждения их от схода с рельсового пути. Колесная пара железнодорожного экипажа состоит из оси и двух наглухо насаженных колес с бандажами, поверх­ность катания которых в средней части имеет коничность 1/20, в связи с чем и рельсы на прямых участках ставят с наклоном внутрь колеи (также в 1/20).

Локомотивные (рис. 1.1, а) и вагонные (рис. 1.1,6) колеса отличаются по размерам и очертанию поперечного профиля.

Рис. 1.1. Поперечные профили колес:

а - локомотивного; б - вагонного

При скоростях движения поездов более 140 км/ч предель­ный износ h, измеряемый по среднему кругу катания, не должен превышать 5 мм. При меньших скоростях движения прокат колес локомотивов и пассажирских вагонов допускается до 7 мм, а грузовых вагонов - до 9 мм.

Глухая насадка колес представляет собой неподвижное закрепление их на оси, т. е. вращение колес происходит вместе с осью. Такая конструкция вызвана теми соображениями, что при свободной насадке колес после износа их ступицы и осевой шейки оно может принять наклонное положение и провалиться внутрь колеи.

Параллелизм осей предполагает, что во время движения все оси, входящие в состав жесткой базы, движутся параллельно друг другу. В противном случае при перекосе колесной пары возможен сход ее с рельсов. Жесткой базой экипажа называется расстояние между его крайними осями, входящими в состав одной тележки. Во время движения оси одной тележки остаются параллельными между собой. Кроме жесткой базы, имеется понятие полной колесной базы L экипажа- расстояние между его крайними осями. Полная L и жесткая база L 0 экипажа показаны на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Полные L и жесткие L 0 базы различных экипажей

Характер вписывания экипажей в кривые, а следовательно, и необходимую для этого ширину колеи определяет величина жесткой базы.

Поперечные разбеги в осях подвижного состава позволяют им перемещаться вдоль геометрической оси колесной пары. Отсутствие поперечных разбегов затрудняет вписыва­ние экипажей. Для их вписывания требуется увеличивать ширину колеи.

В некоторых многоосных экипажах для облегчения впи­сывания крайние поддерживающие оси могут поворачиваться на некоторый ограниченный по величине угол.

Бандажи колесных пар имеют коничность. Поверхность катания колес принята с уклоном относительно горизонта, равным 1/20. Коничность поверхностей катания бандажей смягчает удары колес подвижного состава при их виляющем движении в результате возникновения горизонтальной составляющей давления колеса на рельс. Коничность бандажей требует устройства подуклонки рельсов. Она устраивается для центральной передачи усилий от колес на рельсы. Величина подуклонки принята равной коничности бандажей, т. е. 1/20. Подуклонка не должна быть более 1/12 и менее 1/30 по внутренней нити в кривой и 1/60 во всех остальных случаях.

УСТРОЙСТВО РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ в ПРЯМЫХ УЧАСТКАХ ПУТИ

Ширина колеи в РФ принята равной 1520 мм с допусками по уширению 8мм, по сужению - 4 мм. При скоростях движения до 50 км/ч допускается уширение до 10мм. Ширина колеи измеряется на уровне, расположенном на 13мм ниже поверхности катания головки рельса. Объясняется это тем, что расчетная плоскость располагается на 10 мм ниже поверхности катания головки рельса для новых бандажей. С увеличением износа поверхность катания бандажа колеса, а следовательно, и расчетная плоскость понижаются.

Верх головок рельсов по обеим рельсовым нитям в прямых участках пути должен располагаться в одном уровне с допусками ±5 мм. Допускается одну рельсовую нить содержать на 5 мм выше другой. На двухпутных участках возвышение устраивается на бровочной нити пути, а на однопутных, как правило, на правой рельсовой нити по ходу километров. На стрелочных переводах возвышение не устраивается.

Между рельсовой колеей и шириной колесной пары существует определенное соотношение. Ширина колесной пары (колесная колея) уже ширины колеи на величину зазора.

Рис. 2.1. Схема для определения зазора δ между рельсовой колеей S и вагонной колеей q

На рис. 2.1 представлена схема для определения величины зазора между гребнем колеса и головкой рельса. На схеме обозначено:

S -ширина рельсовой колеи, S = мм;

q - ширина колесной пары (колесная колея);

Т - насадка колес, Т = 1440±3мм при скорости движения более 140 км/ч с допусками +3 -1;

d - толщина гребня колеса, d max = 33 мм, d min = 25 мм; при скорости движения более 140 км/ч d min = 28 мм;

μ - утолщение гребня колеса в сечении выше расчетной плоскости; для вагонных колес μ =1мм; для локомотивных μ=0;

δ - зазор между гребнем колеса и рабочей гранью рельса.

Из приведенной на рис. 2.1 схемы видно, что рельсовая колея отличается от колесной на величину зазора δ:

где q = T +2d + 2μ.

Поскольку размеры, входящие в эти выражения, имеют допуски, то существуют минимальные, нормальные и максимальные значения δ:

δ min = S min - q max ;

δ 0 = S 0 - q 0 ;

δ max = S max - q min .

Если в данные выражения подставить числовые значе­ния, то получим результаты, показанные в табл. 1.

Таблица 1

Наименование колес	Скорость движения, км/ч	S, мм	q, мм	δ, мм
max	норм	min	max	норм	min	max	норм	min
Локомотивные	До 140
Свыше 140
Вагонные	До 140
Свыше 140

Таким образом, на прямых участках пути зазор между гребнем колеса и рабочей гранью рельса колеблется в пределах от 5 до 39 мм. При движении груженых вагонов происходит изгиб оси колесной пары выпуклостью вверх, так как нагрузка от вагона на колесную пару передается через буксовый узел, расположенный снаружи рельсовой колеи. В результате этого колесная колея может уменьшаться на 2 - 4 мм и более. Под воздействием колес подвижного соста­ва происходят упругие отжатия рельсовых нитей, т. е. упругое уширение колеи на 2 мм в прямых участках, а в кривых - на 4 мм и более.

Положительная роль зазора заключается в устранении заклинивания колес подвижного состава между рельсовыми нитями, а значит в уменьшении сопротивления движения и в снижении бокового износа рельсов и гребней колес.

Однако излишняя величина зазора увеличивает углы набегания гребней колес на рельс в прямых и при входе в кривые, что увеличивает горизонтальные силы и ведет к расстройству пути в плане. В этом случае уменьшается срок службы рельсов и колес подвижного состава, ухудшается плавность движения поездов, особенно при высоких скоростях, увеличиваются расходы на текущее содержание.

Опасный предел в сторону сужения колеи определяется из условия заклинивания колесной пары с максимальной насадкой, т. е.

S пред (min) = q max = T max + 2d max + 2μ = 1443 + 2·33 + 2·1 = 1511 мм.

Рис. 2.2. Схема определения предельно допустимой (максимальной) рельсовой колеи S пред (max)

Опасный предел в сторону уширения колеи определяется из условия предупреждения провала колеса внутрь колеи. Расчетная схема показана на рис. 2.2. Из рисунка видим, что

S пред (max) = T min + d min + μ + 130 - 30 - r 1 ,

где d min - минимальное значение толщины гребня, d min = 25 мм;

μ - утолщение гребня в сечении, расположенном выше расчетной плоскости, μ = 1 мм;

T min - минимальное значение насадки колес, T min = 1437 мм;

S пред (max) = 1437 + 25 + 1 + 130 - 30 - 15 = 1548 мм.

Принимая во внимание упругие отжатия рельсов под нагрузкой, а также изгиб осей груженых вагонов, предельное значение ширины колеи в сторону уширения устанавливается 1546мм. Наличие колеи, превышающей опасные пределы как в сторону сужения, так и уширения, не допускается и отно­сится к неисправностям самой высокой степени.

Схемы вписывания экипажа в кривых. Движение тележки экипажа с постоянной скоростью по круговой кривой вызывает поворот ее (вращение) относительно центра этой кривой, т.е. такое движение можно рассматривать состоящим из поступательного, совершаемого по направлению продольной оси жесткой базы экипажа, и поворота ее относительно некоторой точки 0, называемой центром (полюсом) поворота, за который принимают точку на пересечении продольной оси жесткой базы тележки с радиусом, к ней перпендикулярным (или радиусом-перпендикуляром).

В зависимости от соотношения размеров рельсовой колеи и колесной пары, сил, приложенных к экипажу, радиуса кривой и скорости движения могут быть различные схемы вписывания (установки) экипажа в кривых. Можно выделить заклиненную и незаклиненную. Незаклиненное вписывание в свою очередь делится на принудительное и свободное.

Заклиненная схема 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 (рис. 7.8, а). 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 полюс вращения 0 находится посередине жесткой базы 1 жб.

Незаклиненная схема вписывания 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 принудительное вписывание (рис. 7.8, б); если же последняя сила равна нулю, то такое вписывание называется свободным (рис. 7.8, в).

Рис. 7.8. Схемы вписывания жестких баз экипажей в кривые: а - заклиненное; б - принудительное; в - свободное («$=- точка контакта гребня колеса и рельса); стрелкой показаны направляющие усилия

Заклиненное вписывание в эксплуатации не допускается, так как приводит к очень большому сопротивлению движению (большое трение гребней колес по боковым граням головки рельсов), боковому износу рельсов и гребней колес.

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

Ширина колеи в кривых. За расчетную схему определения ширины колеи в кривых принимают схему заклиненного вписывания железнодорожного экипажа, при которой наружные колеса крайних осей жесткой базы своими ребордами упираются в наружный рельс кривой, а внутренние колеса средних осей упираются во внутренний рельс. Центр поворота экипажа, как рассмотрено выше, находится посередине жесткой базы (двухосные жесткие базы, многоосные жесткие базы с симметричным расположением осей и их разбегов). К полученной на основании такой расчетной схемы ширине колеи (приводящей к заклиненному вписыванию) следует добавить некоторую величину, в качестве которой принимают величину минимального зазора 5 min между боковыми рабочими гранями рельсов и гребнями колес на прямом участке. Тем самым удается избежать заклиненного вписывания.

Рассмотрим случай определения минимально необходимой ширины рельсовой колеи S из условия вписывания трехосной тележки с жесткой базой Т жб в кривую радиусом R (рис. 7.9). Эта схема выбрана потому, что в настоящее время на дорогах РФ наиболее длинную базу имеет тележка трехосного локомотива.

Рис. 7.9.

Введем обозначения:

О - центр поворота жесткой базы экипажа; при симметричной тележке центр поворота лежит на оси средней колесной пары; q - ширина колесной пары;

/ - расстояние от центра поворота до точки гребня первого колеса, упирающегося во внешний рельс;

/-стрела изгиба наружного рельса, отсчитываемая от хорды, проходящей через точку контакта колеса и рельса; / = -;

• ?у- сумма поперечных разбегов осей.

Запишем выражение для ширины колеи при заклиненном впи- сывании 5 закл:

Но из рассмотрения схемы для прямого участка пути (7.2) следует

Величина стрелы z определится с учетом (см. рис. 7.9), что приближенно /» 0,5/, жб:

Если величина 8 по расчету больше нуля, то необходимо провести уширение колеи.

Из двух последних выражений видно, что принципиально ширина колеи в кривых должна быть больше, чем в прямых. Следует также, что чем больше жесткая база и меньше радиус кривой, тем большее уширение требуется устраивать, чем больше разбеги колесных пар, тем меньше потребное уширение.

Из выражения для величины уширения (7.16) можно определить тот радиус кривой, при котором возникает заклиненное вписывание.

Приняв 8 = 0, получим

Например, при /, жб = 4,6 м, 5 = 7 мм, ?у =0 величина R = 378 м.

Уширение при современном подвижном составе начинают с радиуса круче 350 м по следующим нормативам: при радиусе от 349 м до 300 м - на 10 мм, а при радиусе менее 299 м - 15 мм.

В случае незаклиненной схемы положение центра поворота не может быть определено однозначно только геометрически, как в случае заклиненного вписывания. В связи с этим необходимо определение поперечных сил и центра поворота при вписывании жесткой базы экипажа в кривую.

Непрерывное вращение экипажа относительно центра поворота происходит под действием сил, возникающих в точках соприкосновения гребней колес направляющих осей с боковой гранью головки рельсов. Это направляющие силы Г(рис. 7.10).

В контактах колес с рельсами возникают силы трения, равные произведению сил, перпендикулярных плоскости касания колес и рельсов на коэффициент трения скольжения/Р { . На рис. 7.10 вместо этих сил показаны равные им по значению и обратные по знаку реакции рельсов. Поперечные составляющие сил трения обозначены Н/, а продольные - V f .

Алгебраическую сумму нажатия гребня Y и силы трения Н одного и того же колеса называют боковой силой:

При расположении колесной пары впереди центра поворота жесткой базы для наружного колеса в формуле (7.18) следует брать разность и для внутреннего - сумму сил; при обратном расположении - колесная пара находится сзади центра поворота, знаки тоже берутся обратными.

Направляющие силы (см. рис. 7.10) принято считать положительными, если они направлены наружу колеи, а соответствующие им реакции рельсовых нитей - внутрь колеи. Боковые силы принято считать положительными, если они действуют в сторону направляющих сил, а соответствующие им реакции рельсовых нитей - в обратном направлении.

Вписывание свободное, если при вписывании экипажа появляются направляющие силы на наружной нити в контакте с первым по ходу движения колесом Y H и отсутствуют на внутренней нити У в.

Поперечная сила, передаваемая рамой экипажа через колесную пару на рельсы называется рамной силой У р. Эта сила считается приложенной к геометрической оси колесной пары и положительной, если она направлена наружу кривой, равна разности боковых сил, передаваемых одной и той же осью на наружную и внутреннюю рельсовые нити:

Для первой направляющей оси

Рис. 7.10.

Подставляя эти значения в формулу (7.19), получим

При Щ_ н = #!_ в =fP найдем Г=У,-2fP.

Боковые силы Г б, возникающие при движении экипажей, достигают больших значений (иногда 100 кН и более). Влияние боковых сил на работу пути очень велико. Этим объясняется ряд мер, направленных на улучшение вписывания экипажей в кривые и снижающих поперечные силы.

При известных положениях центра (полюса) поворота О экипажа (см. рис. 7.10), ширине колеи (измеренной между осями головок рельсов) и расстояниях /, от центра О до любой /- й колесной пары становится известным направление перемещения каждого колеса. Это направление перпендикулярно радиусу - вектор d t , проведенному от центра О к середине площадки контакта колеса с рельсом, приблизительно к точке пересечения оси головки рельса с геометрической осью колесной пары.

Сила трения каждого колеса (наружного, внутреннего) любой /-й оси направлена в сторону, обратную перемещению колеса. Поперечные и продольные V f составляющие этой силы определяются из следующих выражений:

Все поперечные силы: трения Щ Т, направляющие V i считаются приложенными не радиально, а перпендикулярно продольной оси экипажа.

Сила Т, приложенная на расстоянии от первой оси тележки, представляет собой равнодействующую центробежной составляющей веса экипажа (приходящегося на одну тележку), образующейся в связи с возвышением наружного рельса, и нормальной составляющей силы тяги, приходящейся на одну тележку:

где а н - непогашенное поперечное ускорение;

к т - количество тележек в экипаже;

L u - длина поезда;

L x - длина хвостовой части поезда, считая от середины экипажа, вписывание которого рассматривается;

L c - длина рассматриваемого экипажа между осями сцепления автосцепок;

F K - сила тяги, развиваемая локомотивом на кривой (при толкании или локомотивном торможении F K берется со знаком минус; при толкании Ь х - длина головной части).

В свою очередь

где v - скорость движения поезда;

И - возвышение наружного рельса.

Демпфирующий момент М, образованный силами трения в шкворне и скользунах, зависит от загрузки вагона и положения груза относительно продольной оси вагона. Он оказывает сопротивление в кривой повороту первой тележки (см. рис. 7.10) относительно кузова, который, поворачиваясь, увлекает за собой вторую тележку, способствуя ее повороту. Следовательно, знаки М д демпфирующего момента у первой и второй тележек будут разные.

Для определения демпфирующего момента А/ д обозначим: коэффициенты трения скольжения в шкворне - через ц шк, в скользунах - через ц ск (значения этих коэффициентов находятся в границах 0,1-0,2); давления на шкворень и скользуны каждой тележки - через Q lUK и Q CK ; расчетный радиус поворота тележки относительно кузова на шкворне - через г ШК, на скользунах - через г СК. Тогда:

Нормальным положением кузова на шкворневых тележках является его опирание на шкворни, на каждый из которых приходится половина веса кузова: Q CK = 0 и (2 ШК = 0,5(2 куз. При большом крене часть нагрузки может передаваться на скользуны, например,

Вертикальное давление на тележки КВЗ-ЦНИИ передается только через скользуны. В этом случае?) шк = 0; Q CK = 0,5 Q Ky3 -

Для нахождения направляющих сил Fj_ H и F 3 _ B составим два уравнения моментов: одно относительно середины С j первой оси и второе - относительно середины С 3 задней оси. Выполнив необходимые промежуточные преобразования, получим:

Если средняя ось имеет достаточные поперечные разбеги, чтобы переместиться на нужную величину, то следует в выражениях для А и В члены с множителем (/ 2 /^/ 2) считать равными нулю, так как отсутствуют поперечные составляющие # 2 _ н и # 2 _ в сил т Р ения - Вместо члена /d 2 следует написать 2/5] в связи с тем, что в этом случае V 2 =fP. Верхние знаки при А/ д относятся к передней тележке, нижние - к задней. В случае двухосной тележки в формулах (7.22) выпадают члены, содержащие / 2 и d 2 . Формулы верны при любом расположении полюса поворота.

От полюсного расстояния /| зависят лишь функции А и В. При заданной ширине колеи величина /, зависит от сил взаимодействия экипажа и колеи и не может рассматриваться независимой до тех пор, пока внутреннее колесо задней оси не дойдет своим гребнем до внутренней нити. Как только это колесо коснется и начнет прижиматься гребнем к этой нити (при заданной ширине колеи), значение /, становится неизменным и не зависящим от силовых взаимодействий экипажа и колеи.

Если известен зазор в колее 5, полюсное расстояние /j определяется зависимостью

Здесь 5 определяется с учетом разбегов по первой и последней осям экипажа.

В случае если ширина колеи подлежит определению (как в данном случае), то ее всегда можно задать такой, чтобы при любых значениях действующих сил колесо задней оси, катящееся по внутренней нити, касалось или прижималось своим гребнем к этой нити, т.е. чтобы выполнялись условия (7.22).

При заданных Р, Т и Л/ д значения У\_ п и Т 3 _ в являются функциями А и В, а последние - функциями /,. При этом функция А имеет максимум при = Lq, функция В и (А + Б) - при /, = 0,5L Q . Как видно из формулы (7.23), /] не может быть менее 0,5 Lq.

Важно иметь такие значения А и В, при которых Y X _ H и Т 3 _ в были бы минимальны. Особенно большое значение имеет обеспечение минимума суммы У[_ н + Т 3 _ в, характеризующей сопротивление движению тележек в зависимости от уровня направляющих сил. Обычно L n = 0,5L 0 . В этом случае член с Тв сумме Tj_ H + Т 3 _ в равен нулю. Отсюда следует важный вывод о том, что указанная сумма зависит от значений непогашенной части центробежной силы и нормальных составляющих сил тяги. Так как функция А при Lq > I , меньше своего максимума, то, следовательно, и А при шах /, Ф Lq не будет максимальным, поэтому наилучшее силовое взаимодействие тележки и колеи будет при шах/|. Однако /| не может быть сколь угодно большим по следующим соображениям. Направляющая сила Т 3 _ в физически не может быть отрицательной, являясь давлением гребня колеса на рельсовую нить, поэтому /, физически не может быть более значения, при котором У 3 _ в = 0. Таким образом, в пределах принятых ранее допущений наилучшая ширина колеи найдется из условия У 3 _ в = 0, т. е. из условия свободного вписывания. Ширина колеи больше той, при которой У 3 _ в = 0, не целесообразна, так как не изменяет размер

Определению поперечных сил, действующих на путь при движении экипажа по кривым, посвящено много работ. Плодотворным при этом оказалось создание графиков-паспортов вписывания экипажей в кривые. Определение основных характеристик такого паспорта производится в зависимости от непогашенного ускорения а н. При этом направляющие, боковые, рамные силы и полюсные расстояния часто аппроксимируются линейными зависимостями:

где а, Ь, с, d - эмпирические коэффициенты.

В качестве примера на рис. 7.11 приведен график-паспорт бокового воздействия на путь грузового вагона на тележках ЦНИИ-ХЗ с жесткой базой L Q = 1,85 м и нагрузкой от колесной пары на рельсы 220 кН. Коэффициент трения колес о рельсы/ = 0,25.

Нормы и допуски по ширине колеи в кривых. Ширина колеи в кривых должна устанавливаться такой, чтобы обеспечивалось свободное вписывание наиболее массовых экипажей (грузовых вагонов). Ширина колеи должна также обеспечивать техническую возможность вписывания в кривые наиболее неблагоприятных по воздействию на путь экипажей без заклинивания. Это условие определяет минимально допустимую ширину колеи. Максимально допустимая

Рис. 7.11. График-паспорт бокового воздействия на путь в кривой вагона на тележках ЦНИИ-ХЗ (18-100) ширина колеи определяется из условия надежного предотвращения провала колес подвижного состава внутрь колеи.

В настоящее время на дорогах РФ установлена ширина колеи на прямых участках пути и на кривых радиусом 350 м и более - 1520 мм. Ширина колеи на более крутых кривых должна быть при радиусе от 349 до 300 м - 1530 мм; при радиусе 299 м и менее - 1535 мм.

При этом требуется, чтобы крутизна отводов ширины колеи составляла не более:

• 1 мм на 1 м длины пути на участках со скоростями до 140 км/ч;
• 1 мм на 1,5 м при скоростях 141-160 км/ч;
• 1 мм на 2 м при скоростях 161-200 км/ч.

Отвод уширения колеи в кривых делают на протяжении переходных кривых.

Устройство пути в кривых малых радиусов. В случае если радиус кривой настолько мал, что максимальная нормативная ширина колеи 1535 мм оказывается меньше минимально необходимой, определенной по схеме заклиненного вписывания с добавлением минимального зазора 8 min , в таких кривых резко возрастает боковой износ рельсов и расстройство рельсовой колеи.

Для облегчения работы наружной нити в таких кривых укладывают контррельсы внутри колеи вдоль внутренней нити. В этом случае направляющая колесная пара колесом, идущим по внутренней нити, упирается в контррельс, не распирая наружную нить (рис. 7.12). В очень крутых кривых приходится иногда укладывать контррельсы у обеих нитей внутри колеи. Контррельсы увеличивают сопротивле-

Рис. 7.12. Положение колесных пар в кривой при наличии контррельса ние движению, поэтому практически укладку их применяют лишь в кривых радиусом примерно 160 м и менее. Желоб между контррельсом и рельсом внутренней нити кривой должен иметь ширину 60- 85 мм. Контррельсы должны быть надежно соединены с ходовыми рельсами посредством вкладышей и болтов.

Все новые локомотивы рассчитывают на вписывание в кривые радиусом не менее 150 м при ширине колеи 1535 мм.