Путевые работы и машины - Возможные расстройства пути, их предупреждение и устранение

ГЛАВА I
ПУТЕВЫЕ РАБОТЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
§ 1. ВОЗМОЖНЫЕ РАССТРОЙСТВА ПУТИ, ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ И УСТРАНЕНИЕ
Железнодорожный путь представляет собой инженерную конструкцию, работающую в сложных условиях под воздействием колес подвижного состава и накапливающую в процессе эксплуатации остаточные деформации в профиле и плане.
Местные отступления от проектного положения железнодорожного пути в профиле и плане не должны превышать определенных величин, в противном случае динамическое воздействие подвижного состава превысит допустимое. Максимальные разрешенные величины отступлений принято называть нормами текущего содержания рельсовой колеи. Эти нормы дифференцированы в зависимости от разрешенной максимальной скорости движения поездов по данной линии. Текущее содержание должно всегда обеспечивать исправное состояние рельсового пути, гарантируя безопасный пропуск поездов с установленными скоростями. Поэтому работы по текущему содержанию пути строятся на принципе предупреждения появления «неисправностей» (т. е. отступлений от проектного очертания, выходящих за пределы допусков, установленных техническими условиями и нормами).
Кроме динамических воздействий от проходящих поездов, на железнодорожный путь воздействуют дождь, снег, ветер и другие метеорологические факторы. Поэтому в понятие «текущее содержание пути» входит также целый ряд работ по предотвращению размывов пути, защите его от снега, пыли и песка и т. д.
Но работы по текущему содержанию не могут остановить общий процесс накопления остаточных деформаций рельсовой колеи. Они их лишь как бы выравнивают, ликвидируя местные отступления в профиле и плане; со временем усиливается неравноупругость пути, появляется неравноизиошенность рельсов, скреплений, шпал, балласта, что приводит к увеличению местных динамических уклонов, неспокойному движению колес подвижного состава, более быстрым расстройствам пути, возрастают и затраты на его текущее содержание.
При ремонтах пути производят сплошную замену изношенных элементов верхнего строения, очистку и добавление балласта. На железных дорогах нашей страны установлены следующие три вида ремонта.
Капитальный ремонт, назначаемый, как правило, при необходимости сплошной смены рельсов. Одновременно производится и сплошная прочистка щебня (или постановка пути на слой свежего щебня), увеличение размеров балластной призмы, а также ремонт земляного полотна и других сооружений.
Средний ремонт (в основном шпально-балластный), назначаемый для оздоровления балластного слоя и его усиления, замены изношенных деревянных шпал и ремонта остальных и другие работы.
Подъемочный ремонт, назначаемый при необходимости сплошной выправки пути с оздоровлением балластного слоя и восстановлением его дренирующих свойств. В результате подъемочного ремонта восстанавливается равноупругость железнодорожного пути, что важно для обеспечения спокойного движения поездов.
Кроме перечисленных работ, выполняют сплошную смену рельсов новыми и старогодными, капитальный ремонт переездов, смену стрелочных переводов новыми, постановку их на щебень, сварку и наплавку рельсов и т. д.
Железнодорожный путь представляет собой конструкцию, работающую в условиях непрерывного накопления остаточных деформаций в профиле и плане. Сопротивление пути смещению в вертикальной плоскости, поперек и вдоль колеи характеризует устойчивость конструкции против действующих на нее сил. Параметры сопротивления необходимо знать и для проектирования путевых машин, механизмов, инструментов, применяемых при ремонтах; они же в какой-то мере определяют и технологию выполнения путевых работ.
При подъеме рельсо-шпальной решетки каким-либо путеподъемником точечного типа происходит изгиб рельса и в нем возникают напряжения, которые тем больше, чем выше поднимается путь. Чтобы определить потребную грузоподъемность 2 Р (по двум рельсовым нитям), необходимо знать вес рельсо-шпальной решетки (в кг/пог. м пути), момент инерции двух рельсов, сопротивление балласта вывешиванию пути. Последнее является величиной переменной, изменяющейся по мере вытаскивания шпал из балласта. При вывешивании пути (на щебне фракции 25—70 мм) сопротивление балласта возрастает при подъеме рельсо-шпальной решетки до 10—20 мм, а далее уменьшается (практически по закону прямой).
Для практических расчетов можно пользоваться приближенной формулой
(1)
где h — высота подъемки пути в см
EI — жесткость двух рельсов относительно горизонтальной оси;

К — постоянный коэффициент (для пути на шпальном основании К = 3,888);
qcp— среднее значение погонного сопротивления для подъемки пути в кг/пог. см (если 2Р определяют для h = 16 см, то qcp принимают при h = В см).
В табл. 1 приведены значения усилий 2Р по обеим рельсовым нитям, необходимые для смещения рельсо-шпальной решетки в вертикальной плоскости (без учета растягивающих и сжимающих сил, действующих в рельсах).
Вывешивать рельсо-шпальную решетку при сильно растянутых рельсах труднее, чем при отсутствии продольных сил. Необходимое усилие 2Pt по обеим рельсовым нитям на участках бесстыкового пути, когда температура рельсов ниже температуры их укладки, определяют по формуле
(2)
где 2Р — усилие в кг, необходимое для подъема рельсо-шпальной решетки при отсутствии в рельсах продольных сил (см. табл. 1);
Δt — понижение температуры рельсов против температуры их укладки в °C;
А — постоянный коэффициент, зависящий от величины изгиба и других факторов.
Для примерных подсчетов произведение АΔΖ принимают по табл. 2.
Таблица 1

При односторонней подъемке пути, как показали опыты, грузоподъемность одного домкрата должна составлять 60—70% величины 2Р.
Сопротивление рельсо-шпальной решетки сдвигу поперек колеи зависит от типа рельсов, конструкции промежуточных скреплений, а также от качества балласта и размеров балластной призмы.
Чем тяжелее рельс, тем труднее сдвинуть путь. Однако при расчетах необходимо учитывать, что усилие от прибора обычно прилагается не горизонтально, а под углом к горизонту, а это вынуждает учитывать момент инерции рельса при косом изгибе /кос, который заметно больше момента инерции при изгибе в горизонтальной плоскости.
При изгибах пути в плане происходит взаимный поворот рельса и шпал в местах их соединения. При костыльном скреплении взаимный поворот рельса и шпал практически не вызывает добавочных сопротивлений сдвигу, однако при мощных скреплениях, например, клеммного типа марки К, сопротивление сдвигу будет значительно большим. В узлах прикрепления опытным путем при различной затяжке клеммных болтов определяют силу Ргор. кл, необходимую для изгиба рельсо-шпальной решетки со сдвижкой на 2, 4, 6 см и более, и сравнивают с аналогичной горизонтальной силой Ргор, необходимой при отсутствии связи между рельсами и шпалами.
При затянутых клеммных болтах горизонтальная сила с учетом работы клемм Iгор. кл получается больше Ргор, следовательно, сопротивление изгибу в этом случае определяется не только моментом инерции двух рельсов Ргор, а какой-то большей величиной Ргор.
Отношениепринято называть рамной жесткостью рельсошпальной решетки. Обозначим ее буквой β. Для практических расчетов можно принимать: при костыльном неизношенном скреплении β — 2; при раздельном скреплении марки К β = 4.
Погонное сопротивление пути зависит от очертания балластной призмы, степени уплотнения щебня, размеров шпал и их количества на звене. Для слежавшейся щебеночной балластной призмы при эпюре 2 000 шпал на 1 км погонное сопротивление пути указано в табл. 3.

Усилие, необходимое для поперечной сдвижки рельсо-шпальной решетки при щебеночном балласте, рельсах типов Р50 и Р65 и эпюре шпал 2 000 шт/км, дано в табл. 4.
Рихтовочные приборы должны обеспечивать в начальный момент некоторую подъемку пути (до 5—8 мм) и только после этого его поперечное смещение.
При раздельном клеммном скреплении до начала рихтовки следует ослаблять гайки закладных болтов.
Продольному сдвигу рельсов вдоль пути препятствуют силы погонного сопротивления и сопротивления накладок в стыках. Последние колеблются от 10 000 до 25 000 кг в стыке по одной рельсовой нити. Погонное сопротивление при костыльном скреплении колеблется от 2 до 4 кг/пог. см рельсовой нити.
При раздельном клеммном скреплении марки К и нормально затянутых клеммных болтах сопротивление смещению рельсов по шпале больше, чем сопротивление смещению шпалы в балласте. Поэтому рельсо-шпальная решетка перемещается как одно целое и сопротивление смещению достигает при щебеночном балласте 14— 16 кг/см по одной рельсовой нити.

Таблица 4

Рис. 1. Кривые зависимости сопротивления костыля выдергиванию:
1 — для неизношенного костыля летом; 2 — для неизношенного костыля зимой; 3 — для костыля с подъеденным стержнем (летом)

Сопротивление костыля выдергиванию в значительной мере зависит от состояния древесины шпалы и износа стержня костыля. На рис. 1 приведены кривые зависимости сопротивления костыля выдергиванию при различных условиях.
Зимой при низких температурах начальное сопротивление костыля сдвигу бывает особенно велико — 4 000 кг и более. Это объясняется замерзанием воды в зоне между стержнем костыля и древесиной.
Большинство костылей имеет износ стержня (в виде углубления под головкой), что является результатом работы сил трения по контакту боковой грани подошвы рельса и стержня костыля. В это углубление входит ребро подошвы, поэтому в начале вытаскивания костыля возникает повышенное сопротивление (см. рис. 1, кривая 2).
На участках с рельсами длиной 25 м для закручивания гаек стыковых болтов при рельсах Р43, Р50 и Р60 величина крутящего момента должна быть равной соответственно 3 600—4 800, 4 500— 4 800 и 5 000—5 500 кг/см.
Для гаек промежуточных скреплений расчетный момент ключа определяется необходимым нажатием клеммы на подошву рельса — Рк (табл. 5).
Механизмы для завинчивания гаек и шурупов должны обеспечивать быстрое вращение на первой стадии и высокое значение крутящего момента на второй.
Накопление остаточных деформаций рельсо-шпальной решетки в профиле и плане зависит от мощности и конструкции пути. Так, на обычном пути в стыке при вполне исправном его состоянии отмечаются просадки рельсов на 20—40% больше, чем на остальном протяжении. Повышенные прогибы и динамическое воздействие колес в стыке приводит к накоплению остаточных деформаций.

Таблица 5

На участках бесстыкового пути при температуре рельса на 15— 25°С и более выше температуры укладки возникают весьма большие  продольные силы. Поэтому существуют определенные температурные ограничения на произодство целого ряда путевых работ.

Рис. 2. График накопления остаточных деформаций в вертикальной плоскости
На рис. 2 приведены графики накопления остаточных деформаций на пути с рельсами типов Р50 и Р75, из которых видно, что после прохода тоннажа, равного Qn, средние осадки у„=°и у5 весьма различны. Отклонения от средних осадков А у меньше при более мощных рельсах.
Методы производства путевых работ и выбор машин и механизмов в значительной мере зависят от конструкции железнодорожного пути. Например, выправку пути в профиле при деревянных шпалах и костыльном скреплении в летнее время производят вывешиванием рельсо-шпальной решетки на проектную отметку с последующим заполнением образовавшихся пустот под шпалами балластом.
При железобетонных шпалах и клеммном скреплении выполнение таких операций также возможно. Однако конструкция промежуточного скрепления позволяет выравнивать путь в профиле, изменяя толщину прокладок под подошвой рельса.
В пути на блоках регулировку ширины колеи, а также ликвидацию нарушений пути в плане выполняют преимущественно местным поперечным перемещением рельсов, которое допускается конструкцией скреплений; поперечная сдвижка массивных блоков оказывается весьма трудной операцией.