599
.pdfВ.А. ГРИЩЕНКО, И.Я. ПИМЕНОВ
РАСЧЕТЫ, УСТРОЙСТВО И СОДЕРЖАНИЕ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ
Учебное пособие
Новосибирск 2007
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
В.А. ГРИЩЕНКО, И.Я. ПИМЕНОВ
РАСЧЕТЫ, УСТРОЙСТВО И СОДЕРЖАНИЕ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ
Учебное пособие
Новосибирск 2007
УДК 625.143.482 Г85
Г р и щ е н к о В.А., П и м е н о в И.Я. Расчеты, устройство и содержание бесстыкового пути: Учеб. пособие. — Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2007. — 208 с.
ISBN 5-93461-236-0
Пособие предназначено для переподготовки и повышения квалификации специалистов и руководителей путевого хозяйства железнодорожного транспорта, занимающихся расчетами бесстыкового пути, разработкой технологических процессов укладки рельсовых плетей, организацией проведения работ по текущему содержанию и ремонту бесстыкового пути.
Рекомендовано редакционно-издательским советом Сибирского государственного университета путей сообщения в качестве учебного пособия.
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р д-р техн. наук, проф. В.А. Грищенко
Р е ц е н з е н т ы:
завкафедрой «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» Дальневосточного государственного университета путей сообщения д-р техн. наук, проф. Г.М. Стоянович
заместитель начальника Западно-Сибирской железной дороги Н.С. Сорочихин
©Грищенко В.А., Пименов И.Я., 2007
©Сибирский государственный университет путей сообщения, 2007
Учебное издание
Грищенко Валерий Александрович
Пименов Иван Яковлевич
Расчеты, устройство и содержание бесстыкового пути
Учебное пособие
Редактор П.В. Грес Компьютерная верстка Н.Н. Садовщикова
Изд. лиц. ЛР № 021277 от 06.04.98 Подписано в печать 14.02.2007
13,0 печ. л., 11,0 уч.-изд. л. Тираж 400 экз. Заказ № 1735
Издательство Сибирского государственного университета путей сообщения
630049, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191 Тел./факс: (383) 228-73-81. E-mail: press@stu.ru
|
Оглавление |
Введение |
.................................................................................................................... 7 |
Р а з д е л 1. Воздействие на путь подвижного состава и природно-клима-тических факторов 7
1.1. |
Воздействие на путь подвижного состава и природно-климатических факторов |
7 |
|
1.2. |
Температурный режим рельсов. Температурная амплитуда ..................... |
9 |
|
Р а з д е л 2. Конструкция бесстыкового пути. Сопротивляемость пути внешним воздействиям. Стыковое и
погонное сопротивления сдвигу рельсов.......................................................... |
11 |
2.1. Конструкция бесстыкового пути................................................................ |
11 |
2.2. Стыковое сопротивление............................................................................ |
14 |
2.3. Погонное сопротивление............................................................................ |
16 |
Р а з д е л 3. Формирование напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей бесстыкового пути
.................................................................................................................................. |
18 |
|
|
3.1. Факторы и предпосылки формирования напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей |
18 |
||
3.2. Напряженно-деформированное состояние рельсовой плети................... |
19 |
|
|
Температурные перемещения сечений рельсовой плети как свободнолежащего стержня |
19 |
|
|
Напряженное состояние плети как жестко заделанного стержня........... |
20 |
|
|
Напряженно-деформированное состояние рельсовой плети при стыковом и погонном сопротивлениях 21 |
|||
3.3. Продольные температурные перемещения сечений рельсовой плети.... |
23 |
|
|
Взаимосвязь напряженного и деформированного состояний рельсовой плети, графо-аналитический метод |
|||
определения продольных перемещений сечений..................................... |
23 |
|
|
Продольные температурные перемещения сечений рельсовой плети ... |
24 |
|
|
3.4. Продольные деформации при разрыве рельсовой плети......................... |
29 |
|
|
3.5. Температурная работа уравнительных пролетов...................................... |
30 |
|
|
Р а з д е л 4. Расчет бесстыкового пути .......................................................... |
35 |
|
|
4.1. Определение температурных условий закрепления рельсовых плетей.. |
35 |
|
|
Основные положения расчета бесстыкового пути ................................... |
35 |
|
|
Определение допускаемых изменений температуры рельса относительно температуры при закреплении |
|||
рельсовых плетей ........................................................................................ |
36 |
|
|
Расчет интервала температур закрепления плетей................................... |
38 |
|
|
4.2. Температурная диаграмма продольных сил в рельсовых плетях............ |
40 |
|
|
4.3. Оптимизация температур закрепления рельсовых плетей....................... |
42 |
|
|
4.4. Устойчивость бесстыкового пути.............................................................. |
44 |
|
|
4.5. Суммирование температурных и угоняющих сил в рельсовых плетях.. |
46 |
|
|
Р а з д е л 5. Технология укладки рельсовых плетей................................... |
48 |
|
|
5.1. Технология укладки и изготовления рельсовых плетей бесстыкового пути 48 |
|
|
|
Погрузка, перевозка, выгрузка плетей ...................................................... |
48 |
|
|
Укладка и замена плетей ............................................................................ |
50 |
|
|
Изготовление рельсовых плетей длиной до блок-участков |
|
|
|
и перегонов.................................................................................................. |
53 |
|
|
Технология сварки рельсовых плетей ....................................................... |
54 |
|
|
5.2. Создание расчетного напряженного состояния рельсовых плетей при |
|
|
|
их укладке........................................................................................................... |
58 |
|
|
Общие положения....................................................................................... |
58 |
|
|
Ввод плетей в расчетный режим с применением гидравлических натяжных устройств |
61 |
|
|
Неравномерность создаваемых продольных сил по длине рельсовых плетей64 |
|
|
|
Р а з д е л 6. Восстановление расчетного напряженного состояния рельсовых плетей 74 |
|
|
|
6.1. Восстановление целостности рельсовых плетей ...................................... |
74 |
|
|
Восстановление целостности рельсовых плетей...................................... |
74 |
|
|
Изменение напряженно-деформированного состояния в зоне сварки |
|
|
|
и на прилегающих участках при восстановлении целостности плети.... |
77 |
|
|
Восстановление расчетного напряженного состояния рельсовой плети |
|
|
|
в зоне сварки и на прилегающих участках с использованием гидравлических натяжных устройств |
79 |
||
6.2. Сварка рельсовых плетей бесстыкового пути машиной ПРСМ, оборудованной сварочной головкой К-922
............................................................................................................................. 82
Р а з д е л 7. Особенности устройства, расчета и содержания бесстыкового пути в сложных эксплуатационных и климатических условиях 89
7.1. Бесстыковой путь на мостах, в тоннелях и метрополитенах................... |
89 |
|
Бесстыковой путь на мостах....................................................................... |
89 |
|
Бесстыковой путь в тоннелях..................................................................... |
93 |
|
Бесстыковой путь в метрополитенах......................................................... |
94 |
|
7.2. Особенности эксплуатации бесстыкового пути........................................ |
94 |
|
Общие требования к содержанию бесстыкового пути............................. |
94 |
|
Контроль за изменением напряженно-деформированного состояния бесстыкового пути |
96 |
|
7.3. Восстановление расчетного напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей в процессе
эксплуатации бесстыкового пути...................................................................... |
98 |
Принципы создания расчетного напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей в процессе их
эксплуатации ............................................................................................... |
98 |
|
Технология разрядки температурных напряжений................................ |
101 |
|
Технология частичной разрядки температурных напряжений.............. |
107 |
|
Технология перераспределения (регулирования) напряжений............. |
108 |
|
7.4. Обеспечение устойчивости бесстыкового пути при производстве путевых работ |
113 |
|
Особенности производства путевых работ по текущему содержанию |
|
|
пути ............................................................................................................ |
113 |
|
Особенности ремонта бесстыкового пути с применением путевых |
|
|
машин......................................................................................................... |
115 |
|
7.5. Бесстыковой путь в суровых климатических условиях ......................... |
116 |
|
Особенности конструкции и эксплуатации бесстыкового пути при больших суточных и годовых колебаниях
температур ................................................................................................. |
116 |
|
Работа стыковых и промежуточных рельсовых скреплений в условиях Сибири и Дальнего Востока |
117 |
|
Дополнительные требования к безопасности движения поездов ......... |
118 |
|
ВВЕДЕНИЕ
Бесстыковой путь на Российских железных дорогах является типовой конструкцией верхнего строения железнодорожного пути. Конструктивно бесстыковой путь отличается от звеньевого длиной рельсов, которые обычно называются сварными плетями, рельсовыми плетями. Отличие в длине рельсов приводит к появлению качественных особенностей, которые радикально меняют систему ведения путевого хозяйства на бесстыковом пути. Возникающие особенности существенно усложняют расчеты, разработку технологии укладки бесстыкового пути и его эксплуатацию.
Главной особенностью является возникновение в рельсовых плетях значительных температурных сил, которые существенно влияют на систему устройства и содержания железнодорожного пути. Фактор формирования в рельсовых плетях бесстыкового пути значительных температурных сил особо имеет значение в температурных условиях Сибири, характеризующихся резкоконтинентальным климатом.
Вопросы устройства, укладки, содержания и ремонта бесстыкового пути достаточно полно регламентируются соответствующими техническим указаниями. Однако специалистам, занимающимся расчетами бесстыкового пути, разработкой технологических процессов укладки рельсовых плетей, проведения неотложных работ, а также текущего содержания, приходится принимать технические и технологические решения, требующие достаточно глубоких знаний о формировании напряженнодеформированного состояния рельсовых плетей бесстыкового пути, создании расчетного напряженного состояния рельсовых плетей при их укладке. Безусловно, необходимы также технические и технологические знания для обеспечения восстановления расчетного напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей в процессе эксплуатации.
Рассмотрению данных вопросов и посвящено учебное пособие, в котором достаточно полно рассмотрены факторы формирования напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей бесстыкового пути, детально описан процесс изменения продольных сил и перемещений в зависимости от температуры рельсовых плетей.
Особое внимание в пособии уделено созданию расчетного напряженного состояния рельсовых плетей как при их укладке, так и в процессе эксплуатации. При этом создание расчетного напряженного состояния связывается с теми или иными технологическими особенностями производства работ. Так, детально описана с получением технологических рекомендаций технология восстановления целостности рельсовых плетей с применением сварочной головки К- 922.
Данное пособие будет также полезно для студентов, обучающихся по специальности «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство» (специализация «Путь и путевое хозяйство»).
Раздел 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПУТЬ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
1.1.Воздействие на путь подвижного состава
иприродно-климатических факторов
Железнодорожный путь, как любая инженерная конструкция, рассчитывается на прочность, устойчивость, долговечность и экономичность. Железнодорожный путь эксплуатируется в различных эксплуатационных и природно-климатических условиях и находится под воздействием многочисленных факторов, которые необходимо изучать и учитывать при расчетах пути.
К видам воздействия на железнодорожный путь относятся:
—воздействие подвижного состава;
—cопротивляемость железнодорожного пути силовому воздействию;
—влияние природно-климатических факторов;
—cобственные воздействия.
Железнодорожный путь и подвижной состав составляют единую механическую систему, в которой они взаимодействуют. В реальных эксплутационных условиях рельсы и колеса
подвижного состава имеют неровности. Неровности пути практически являются основной причиной колебаний подвижного состава и возникающих динамических сил взаимодействия.
Взаимодействие подвижного состава и пути характеризуется, в основном:
—вертикальной динамической нагрузкой от колес подвижного состава;
—боковой нагрузкой колеса на рельс;
—горизонтальной продольной силой, передающейся на рельсы и нижележащие элементы железнодорожного пути.
Основным видом воздействия на путь является переменное по значению,
вероятностное динамическое воздействие от проходящих единиц подвижного состава. Вертикальная динамическая нагрузка от колес подвижного состава, как известно,
складывается из:
—статической нагрузки;
—составляющей, обусловленной колебаниями кузова на рес-сорах;
—инерционных составляющих, возникающих при отклонении центра тяжести неподрессоренной массы от прямолинейной траектории за счет наличия:
—изолированной неровности на пути;
—изолированной неровности на колесе;
—непрерывной неровности на колесе.
Боковая нагрузка колеса на рельс формируется за счет нажатия гребня колеса на рабочую грань рельса и сил трения, возникающих при поперечном проскальзывании колес по рельсам.
|
|
Hбок = Yi ± Pi fi , |
где Y |
i |
— сила, передаваемая через раму экипажа и гребень колеса на рельс; PF — силы |
|
i i |
трения между колесом и рельсом.
Горизонтальная продольная сила формируется главным образом за счет продольных сил угона. При рекуперативном торможении продольная сила достигает 800 кН.
Сопротивляемость железнодорожного пути обусловлена реакцией его элементов силовому воздействию. Колебаниям железнодорожного пути препятствуют упругие и неупругие сопротивления.
К упругим силам сопротивления относятся, например, силы упругого отпора от вертикальной нагрузки:
Q = y0 Жп .
Силы упругого отпора пропорциональны прогибу y0 и жесткости пути Жп. К силам неупругого сопротивления относятся:
—силы сухого трения, практически не зависящие от значений нагрузок и направленные навстречу движению (например, силы трения по подошве рельса при действии продольных сил);
—вязкое трение, пропорциональное скорости перемещения (проявляется в балласте, земляном полотне).
Взаимодействие пути и подвижного состава происходит также под постоянным
воздействием природно-климатических факторов (атмосферные условия, воздушные потоки, влажность, температура). Природно-климатические факторы могут существенно изменять характер и силы взаимодействия пути и подвижного состава. Так, состояние контактирующих поверхностей рельсов и колес (сухие, влажные, обледенелые, покрытые пылью, песком) влияет на взаимодействие колес и рельсов, в частности на силу тяги.
Увлажнение древесины деревянных шпал существенно снижает их сопротивление смятию. В интервале влажности 20–40 % каждый процент увеличения влажности меняет сопротивление смятию на 3 %.
Промерзание грунтов земляного полотна приводит к неравномерному пучению.
Для бесстыкового пути самым важным природно-климати-ческим фактором является температура. Изменение температуры рельса на 1 °С приводит к появлению в средней
части плети продольной силы, равной ≈ 20,5 кН (для рельсов типа Р65).
Температура также существенно влияет на жесткость подрельсового основания. В зимнее время происходит повышение жесткости пути за счет снижения упругих характеристик прокладок-амортизаторов, древесины деревянных шпал, замерзания загрязненного балласта, а также грунтов, прилегающих к зоне основной площадки земляного полотна.
Оценкой жесткости железнодорожного пути является, как известно, модуль упругости пути. Принятые значения расчетных модулей приведены в табл. 1.
Таблица 1
Тип шпал |
Эпюра шпал, |
Значения модуля упругости, МПа |
||
шт./км |
|
|
||
|
летом |
зимой |
||
|
|
|||
|
|
|
|
|
Железобетонные |
1840 |
100 |
170 |
|
2000 |
110 |
185 |
||
|
||||
Из приведенных данных следует, что в зимнее время (при понижении температуры до –30 °С) модуль упругости возрастает для железобетонных шпал ≈ в 1,68–1,7 раза.
Собственными воздействиями конструкции называются воздействия на нее, вызванные способом изготовления, укладки, содержания, ремонта конструкции и составляющих ее элементов. Так, рельсы после проката остывают неравномерно по сечению. Собственные напряжения в результате изготовления рельсов весьма существенны. На поверхности катания головки новых рельсов продольные составляющие остаточных растягивающих напряжений достигают 81 МПа, а на шейке рельса 123 МПа.
При укладке рельсовых плетей, вследствие трения между подошвой рельса и подрельсовыми прокладками, в плетях возникают знакопеременные начальные продольные силы, достигающие 150 кН.
Напряжения, возникающие вследствие собственных воздействий, могут играть как положительную, так и отрицательную роль. Начальные продольные силы в укладываемых рельсовых плетях бесстыкового пути играют отрицательную роль, так как после закрепления плетей, при изменении температуры рельсов, суммируются с температурными напряжениями.
1.2.Температурный режим рельсов. Температурная амплитуда
Температура является важным климатическим фактором, так как при изменении температуры происходит изменение длины рельсов или возникновение в них продольных температурных сил. В основном происходит и изменение длины, и возникновение продольных температурных сил.
Так, если рассматривать температурную работу рельсов, то в зимний период будет происходить их укорочение и раскрытие стыковых зазоров. Очевидно, для безопасной эксплуатации железнодорожного пути необходимо, чтобы при самой низкой температуре величина раскрытия зазора не превышала допускаемую. Под допускаемой величиной зазора, несомненно, необходимо понимать такое его значение, при котором рельсовый стык выполняет свои функции (отсутствие среза стыковых болтов, изоляции). При высоких температурах зазор должен закрываться при температурах, близких к максимально возможным.
Таким образом, температурные условия укладки рельсов и их закрепления должны создавать температурный режим рельсов, обеспечивающий безопасную эксплуатацию железнодорожного пути.
Еще большее значение приобретают температурные условия укладки и эксплуатации железнодорожного пути с рельсовыми плетями, в которых возникающие температурные силы прямо пропорциональны изменению температуры рельса.
Очевидно, важно знать истинное значение температуры рельсов. Температура рельсов не совпадает с температурой воздуха. Наблюдениями и экспериментами установлено, что за счет интенсивной солнечной радиации температура рельса в летние жаркие дни существенно превышает температуру воздуха. Принято максимальную температуру рельса в зависимости от температуры воздуха определять по следующей зависимости:
maxtр = maxtв + 20 °С,
где maxtp — расчетная максимальная температура рельса; maxtв — расчетная максимальная температура воздуха.
В зависимости от угла падения солнечных лучей, плана и профиля пути температура головки, шейки и подошвы могут отличаться на величину до 12 °С. Однако, поскольку измерять температуру наиболее удобно и доступно в головке рельса, на практике принято считать эту температуру за общую температуру всего рельса.
Минимум температуры рельса в зимний период обычно совпадает с температурой воздуха, поэтому расчетные минимальные температуры рельсов принимают равными температурам воздуха:
max tр ≈ max tв .
Очевидно, практический интерес имеют максимальные и минимальные величины температуры рельсов:
tmax max — расчетная максимальная температура рельса; tmin min — расчетная минимальная температура рельса.
Данные расчетные температуры определяются на основе абсолютных температур воздуха, указанных в климатическом справочнике для данного района:
tmax max = tmax tв + 20 °С; tmin min = tmin tв .
Температурные условия эксплуатации железных дорог принято оценивать температурной амплитудой колебаний температуры рельсов, фактически наблюдавшейся в данной местности — TА. Значение температурной амплитуды определяется как алгебраическая разность наивысшей и наинизшей температур рельса, наблюдавшихся в данной местности:
TА = tmax max − tmin min .
Источником информации о температуре рельсов служат данные регулярных наблюдений, которые ведутся на метеорологических станциях. Данные наблюдений систематически публикуются в климатических справочниках, предназначенных для различных географических районов.
Кроме метеостанций федерального подчинения существуют дорожные метеостанции, которые обслуживают нужды отдельных железных дорог. В последние годы широко практикуется создание пунктов наблюдения за температурой рельсов на дистанциях пути.
Дорожные метеостанции и пункты на дистанциях пути ведут наблюдения также за текущей температурой рельсов и выполняют прогноз их температуры, что необходимо при планировании путевых работ.
Для измерения температуры рельсов сооружается специальный стенд (рис. 1.1). Один рельс длиной 2 м ориентирован в широтном, другой, также длиной 2 м, — в меридианном направлении. Основанием для рельсов служит щебеночная балластная призма и деревянные полушпалы. Рельсы к полушпалам крепятся типовыми промежуточными скреплениями. В головке рельса в специальные отверстия устанавливается максимальный, минимальный и срочный термометры. Отсчеты по срочному термометру проводятся в 3, 9, 15 и 21 ч по местному времени. Отсчеты по минимальному и максимальному термометрам производятся один раз в сутки.