Контактные задачи железнодорожного транспорта - Профили  поверхностей катания рельсов

Глава 10
КОНТАКТ КОЛЕСА И РЕЛЬСА
ПРОФИЛИ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАТАНИЯ РЕЛЬСОВ
Наиболее широкое распространение на российских железных дорогах получил рельс типа Р65, параметры которого приведены ниже.
Масса 1 м, кг           64,72
Площадь поперечного сечения, см2   82,65
Моменты инерции относительно главных центральных осей, см4: горизонтальной            3540
вертикальной          564
Момент сопротивления, см3:
по нижнему волокну         435
по верхнему волокну        358
по боковой грани подошвы        75
Рельс изготовляют прокаткой из мартеновской стали, содержащей (%): 0,71...0,82 углерода, 0,75...1,05 марганца, 0,20...0,40 кремния, менее 0,035 фосфора, 0,045 серы и 0,15 мышьяка [6]. Временное сопротивление разрыву рельсовой стали не должно быть меньше 885 МПа, а относительное остаточное удлинение 4 %. Рельс имеет форму поперечного сечения, обеспечивающую ему высокую жесткость и прочность при передаче на него сил от колес подвижного состава, действующих в вертикальной силовой плоскости, благодаря развитым подошве и головке, содержащим соответственно 37,42 и 38,12 % металла.
Подошва рельса выполняется достаточно широкой для обеспечения устойчивости на опорах и удобства крепления его к ним. Головка рельса имеет меньшую ширину, с тем чтобы уменьшить эксцентриситет места передачи силы от колеса на рельс относительно его плоскости симметрии. Профиль поверхности катания рельса имеет коробовое очертание, описанное тремя дугами окружностей. Средняя часть поверхности рельса типа I шириной 20 мм описана окружностью радиусом 300 мм, рельса типа II радиусом 500 мм. Большой радиус кривизны этого участка поверхности катания позволяет увеличить поперечный размер пятна контакта колеса и рельса, а следовательно, снизить контактные давления. С этой же целью выкружка рельса выполняется радиусом 15 мм. Такой же радиус имеет выкружка профиля катания колеса, что обеспечивает их тесный или объемлющий контакт. Эти два участка профиля сопрягаются дугой окружности радиусом 80 мм. Боковая грань головки рельса выполняется с уклоном 1:20.
Рельс устанавливается на шпалы с подуклонкой 1:20. Такой же уклон имеет профиль поверхности катания неизношенного колеса, благодаря чему при центральном относительно оси пути расположении колесной пары точка начального (геометрического) контакта располагается на оси симметрии рельса. В этом случае обеспечиваются наиболее благоприятные условия в контакте колеса и рельса.
Для укладки в кривые участки пути предназначен рельс типа Р65К, несколько отличающийся профилем поверхности катания.
Во избежание значительной концентрации напряжений, возникающих при остывании рельса, сопряжения боковых и нижних граней головки и всех граней подошвы рельса выполняются кривыми радиусом 2 ... 4 мм [107]. Переходы от головки и подошвы к шейке рельса делают особенно плавными, а профиль шейки имеет криволинейное очертание.
Верхняя плоскость подошвы рельса и нижняя грань его головки, служащие для опирания соединяющих рельсы накладок, выполняются с уклоном 1:4. Между концами уложенных в путь рельсов оставляют зазоры, величина которых изменяется в зависимости от температурных условий. Значение конструктивного зазора, используемое в расчетах, 21 мм [101]. По мере изнашивания болтовых отверстий в рельсах и накладках конструктивный зазор может увеличиваться до 26 ... 30 мм.
Рельсовая колея характеризуется шириной, положением рельсовых нитей по уровню и подуклонкой рельсов. Под шириной колеи понимают расстояние между боковыми рабочими гранями головок рельсов. При неизношенных колесах и рельсах ширину колеи измеряют в расчетной плоскости, которая располагается на 10 мм ниже средних кругов катания колес. При любой степени изношенности рельсов ширину колеи измеряют на расстоянии 13 мм ниже поверхности катания головок рельсов. На прямых участках пути ширина колеи 1520 мм с допусками +6 и -4 мм, а на участках со скоростью движения поездов меньше 50 км/ч с допусками +10 и -4 мм.
Зазор δ между гребнем колеса и рабочей гранью рельса, когда гребень другого колеса колесной пары прижат к рельсу, зависит от допусков на сборку колесной пары, ширины колеи, толщины гребня. Ниже приведены значения зазоров δ (в числителе для локомотивных осей, в знаменателе — для вагонных).

В кривых участках пути колея имеет уширение. Минимально допустимая ширина колеи s определяется из условия наиболее неблагоприятного по вписыванию экипажа, а максимально допустимая — из условия надежного предотвращения провала колес подвижного состава внутрь колеи.
Для ширины колеи s и уширения колеи е в кривых приняты следующие нормативные значения.

Верх головок рельсов обеих нитей на прямых участках пути должен быть на одном уровне, допускается отклонение ±5 мм.

Нормированный предельный вертикальный износ рельса на главных путях движения пассажирских поездов со скоростью 121 ... 140 км/ч принимается 9 мм, а на участках, на которых обращаются пассажирские поезда со скоростью до 120 км/ч и грузовые до скорости 90 км/ч, допускается вертикальный износ 12 мм. 

Рис. 10.1. Схема измерения износов головки рельса

Приведенный износ допускается 12 мм
на на участке х > 0 — квадратным полиномом
(10.56)
для рельсов главных путей с грузонапряженностью 10 млн. т. км. на 1 км одного пути в год и 13 мм при меньшей грузонапряженности.
Боковой износ рельса не должен превышать 15...18 мм, однако в кривых обнаруживаются рельсы с боковым износом, превышающим 20 мм [44].
Вследствие изнашивания профиль поверхности катания рельса изменяется в процессе эксплуатации. Для решения задачи динамики движения экипажей и определения напряжений в области контакта колеса и рельса существует потребность в описании профиля с высокой точностью. Наиболее удобно при выполнении расчетов с использованием ЭВМ профиль катания рельса задавать координатами точек. Для измерения координат точек профиля катания изношенного рельса во Всероссийском научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте подвижного состава разработан прибор, который закрепляется на рельсе, базируясь по трем точкам его нерабочих поверхностей. Информация о координатах точек считывается в полярной системе отсчета и накапливается в файле. Данные из файла вводятся в ПЭВМ, обрабатываются программой и в выходном файле получаются координаты точек в декартовой системе отсчета. На рис. 10.2 показаны профили поверхностей катания нового рельса Р65 и с боковыми износами 4 и 13 мм, полученные с использованием прибора.
Путем обработки профилограмм, снятых с поверхностей катания рельсов, получен усредненный профиль, координаты которого приведены в табл. 10.1 [99]. Система отсчета координат точек профиля выбрана в соответствии с рис. 10.2. На участке х<0 профиль хорошо аппроксимируется зависимостью (10.5а)

10.1. Координаты точек усредненного профиля катания рельса

Рис. 10.2. Поперечные профили рельсов с боковым износом (мм):
1 - hбок = 0; 2 — hбок =4; 3 — hбок= 13

При прокатке рельса на его поверхности катания образуются начальные волнообразные неровности длиной 2,56 м и амплитудой 0,27 мм [1]. На их образование оказывают влияние недостаточная жесткость клетей прокатного стана, износ калибров, режим работы роликоправильных машин, скорость прокатки, температурный фактор. В процессе эксплуатации они получают дальнейшее развитие. Для снятия волнообразных неровностей, изменения формы профиля катания изношенного рельса, а также с целью удаления слоя металла, пораженного внутренними трещинами, улучшения условий контактирования колеса и рельса путем разгрузки выкружки рельса проводится профильное шлифование рельсов. Очертания ремонтных профилей рельсов, рекомендуемых для прямых участков пути, кривых при боковых износах наружного рельса 5 и 10 мм приведены в работе [1].