Содержание материала

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ В КРИВЫХ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ КОЛЕИ
Особенности движения экипажа по кривой, характер взаимодействия при этом пути и ходовых частей подвижного состава вызывают необходимость изменения конструкции пути и некоторых его конструктивных размеров.

На трамвайных путях в кривых радиусом менее 75 м, а при продольном уклоне более 20% и при радиусе от 76 до 200 м (на скоростных линиях до 400 м) либо применяют усиленные желобчатые рельсы (Тв65), либо укладывают железнодорожные рельсы с контррельсами. Если уклон не превышает 2О% при радиусе от 76 до 200 м, ставится только один контррельс с внутренней стороны кривой.
Один контррельс ставится и на кривых радиусом от 201 до 400 м при уклоне свыше 20%.
Желательно в пределах городской улицы, особенно на совмещенном полотне, применять для кривых только желобчатые рельсы с утолщенной и повышенной губкой, болтовое крепление контррельса, доступ к которому затруднен дорожным покрытием, не обеспечивает надежность конструкции; поверхностные воды в этом случае не отводятся, а проникают в балластный слой и основание пути.
Значительно возрастает при применении контррельсов сопротивление движению.
Контррельсы устанавливают и на кривых малых радиусов внутризаводских путей. Необходимость их укладки при радиусах меньших чем 149 м определяет отраслевое министерство, к которому относится предприятие — владелец пути.
Смысл укладки контррельсов состоит в том, что при их наличии, как и при наличии губки в желобчатом рельсе, появляется возможность увеличить ширину колеи, необходимую для вписывания экипажа, сверх максимально допустимых размеров. Кроме того, контррельс, уложенный у внутренней нити, воспринимая боковое давление колеса, тем самым ограничивает воздействие другого колеса той же колесной пары на наружный рабочий рельс. При этом следует лишь обеспечить такое соотношение геометрических характеристик, при котором колеса не будут заклиниваться между рабочими рельсами, между контррельсами и внутри желобов, а также не смогут проваливаться в желобе с учетом изгиба осей и упругого отжатия рельсов. Основными геометрическими характеристиками, определяющими выполнение перечисленных условий, являются ширина колеи и ширина желоба.
Условия вписывания зависят также от расстояния между крайними осями экипажа или тележки, которые остаются параллельными при движении как в прямых, так и в кривых участках пути. Это расстояние называют жесткой базой экипажа.

Рис. 80. Расчетная схема определения ширины колеи в кривой


Рис. 81. Определение забега реборды

Ширина колеи на кривых участках внутризаводских путей определяется по положению колес экипажа при наиболее типичном варианте вписывания —принудительном статическом. В этом случае расчетная ширина колеи , где Sз — ширина колеи при заклиненном вписывании, а— половина нормального зазора между колесной и рельсовой колеями в прямых (при неизношенных бандажах). При проходе по кривой при заклиненном вписывании двухосного вагона или двухосной тележки основание радиуса, перпендикулярного продольной оси тележки, лежит посередине жесткой базы, реборды наружных колес упираются в наружный рельс, реборды внутренних — во внутренний. Из рис. 80 видно, чтогде S0 — колесная колея, а, — так называемые наружная и внутренняя стрелки (расстояния от линии, соединяющей точки набегания на рельс реборд, до соответственно рабочего канта наружного или внутреннего рельсов). Зная, что перпендикуляр, опущенный на диаметр из любой точки окружности, есть среднее геометрическое между частями, на которые он делит диаметр, можно вычислить величину стрелок:


Рис. 78. Пример динамического вписывания экипажа в кривую

Рис. 79. Пример статического вписывания экипажа в кривую

Или если принять во внимание, чтото


Таким образом, величина стрелок, определяющая ширину колеи в кривой при заклиненном вписывании, зависит только от радиуса кривой, жесткой базы вагона или тележки I и некоторой величины λ — так называемого забега реборды. Радиус при этом определяется до оси пути. Забегом реборды называется расстояние от проекции оси колеса на плоскость колеи до точки набегания реборды на рельс. Иначе — это половина длины горизонтального сечения реборды в плоскости колеи. Забег можно определить различными методами, в том числе по приближенной формуле, очевидной из рассмотрения треугольника EOF (рис. 81).

где r — радиус круга катания бандажа; h — высота реборды; hо — расстояние от поверхности рельса до плоскости колеи.
Можно подсчитать забег с точностью, достаточной для практических целей, и по формуле, предложенной Г. М. Шахунянцем:

где τ — угол наклона реборды к горизонту, равный для неизношенных железнодорожных вагонных колес 60°; l — длина жесткой базы.

Теперь можно вычислить ширину колеи при заклиненном вписывании

Аналогично рассчитывается ширина колеи для прохода подвижного состава с нечетным числом осей — локомотивов разных типов. Несколько усложняется расчетная схема, но общий принцип расчета тот же. Однако истинное очертание поперечного сечения реборды в плоскости колеи будет криволинейным (см. рис. 81). Соответственно в расчеты при определении ширины колеи должна вводиться поправка k, которая зависит от угла набегания β.
Действительное положение точки С контакта реборды и рельса будет отличаться от расчетного положения этой точки В, а действительный забег реборды λ' от расчетного λ на величину искажения λ—λ'.
При изменении угла набегания от 0° до 30° поправка практически равномерно возрастает от 0 до 2 мм, при больших значениях угла поправка увеличивается несколько быстрее. Так что колесную колею для рассматриваемого варианта вписывания двухосной тележки следует приниматьгде b — насадка; d — ширина реборды.

Таблица 32. Значения искаженных насадок и реборд


Радиус кривой, м

Жесткая база, м

Угол набегания

Искаженная реборда, мм

Искаженная насадка, мм

16

2,7

4°37'10"

30,00

1461,93

20

2,7

3°43'41"

28,35

1464,33

30

2,7

2°30'55"

24,95

1470,41

При постановке внутреннего контррельса набегание передней реборды может происходить не на наружный рельс, а на внутренний контррельс, который ставится выше рабочего рельса. В этом случае точка набегания оказывается в плоскости контррельсовой колеи, т. е. несколько выше. Поэтому поправка в этом случае будет несколько меньше, а забег реборды — больше*.
Так же как и для определения ширины колеи на кривых железнодорожных путей, существует целый ряд методов расчета этой величины для кривых участков путей трамвая.
Кривые малых радиусов трамвайных путей имеют четыре рабочих канта и, следовательно, два желоба, в которых должны размещаться реборды всех колес. Криволинейность сечения реборды в плоскости контррельсовой колеи приводит к тому, что в кривой оно занимает большую часть желоба, чем то же сечение на прямом участке. Кроме того, изменяется в кривой (становится меньше) и проекция колесной насадки на плоскость поперечного сечения пути. Чем круче кривая или чем больше угол набегания — тем меньше будет проекция насадки. Поэтому в расчет вводятся так называемые «искаженные» величины насадки и толщины реборды (табл. 32).
Как уже указывалось в предыдущем пункте, возможны три схемы движения трамвайных вагонов по кривым в зависимости от вариантов контактирования колесных реборд и рабочих кантов желобчатых рельсов. Эти варианты определяются размерами колеи, рельсового желоба и колесной пары. Переход от одного варианта к другому является следствием увеличения ширины колеи. Это наглядно видно из приведенных схем (рис. 82) и анализа зависимостей между размерами элементов рельсовой и колесной S0 колеи:

где с — ширина рельсового желоба; Sкp — расстояние между рабочими кантами губок (контррельсовая колея); Wн — зазор между губкой наружного рельса и ребордой; WВ — то же для внутреннего рельса; Vн — зазор между рабочим кантом наружного рельса и ребордой; Vв — то же для внутреннего рельса.

* Контакт реборды переднего колеса с наружным рельсом при наличии внутреннего контррельса может осуществиться лишь при сужении колеи или при боковом износе контррельса.


Рис. 82. Варианты взаимодействия колесной пары с рабочими канатами рельсовой колеи

С учетом уже известных искажений элементов колесной колеи в кривой S = c+b+d+V.
При движении и контактировании по I варианту (см. рис. 82, а) в случае сужения рельсовой колеи против расчетной колесная пара может заклиниться между рабочими рельсами. При увеличении ширины колеи (за счет уменьшения WB на его величину) реборда внутреннего колеса вступит в контакт с губкой внутреннего рельса и движение начинается уже по II варианту (см. рис. 82,б). Если продолжать увеличение ширины колеи, то возникнет зазор Vн и реализуется III вариант (см. рис. 82,в). При дальнейшем увеличении колеи также может произойти заклинивание колесной пары, но уже между губками.

Таблица 33. Нормы ширины колеи в кривых

Очевидно, что для каждого типа подвижного состава и даже для вагонов и локомотивов одного и того же типа, но с разной степенью износа ходовых частей теоретическая ширина колеи в кривых участках будет различной. Поэтому устанавливается унифицированная нормативная ширина колеи, величина которой зависит только от радиуса (табл. 33).
Увеличение ширины колеи в кривых производится за счет смещения внутреннего рельса к центру кривой. Однако если в кривой имеются два контррельса, смещается наружный рельс (наружу кривой). Так делается потому, что в этом случае движение колеса направляется контррельсом внутренней нити.
Ширина желоба, так же как и ширина рельсовой колеи в кривых, определяется расчетом. Известно несколько разных способов расчета для различных условий движения и конструкций пути. При расчете ширины желобов для кривых участков железнодорожных путей исходят из уже приводившихся требований: колеса не должны заклиниваться между рабочими рельсами, в желобе, а также между контррельсами; колеса не должны проваливаться в желобе. Для кривых малых радиусов, наиболее типичных для внутризаводских условий и для путей трамвая, необходимо, кроме того, учитывать разницу в радиусах наружных и внутренних нитей и несовпадение плоскостей рельсовой и контррельсовой колеи. Б общем случае ширина желоба c = S—(d + b). Это значение должно находиться в пределах. Аналогично cmin=. По этим формулам можно определить ширину желоба для кривой любого радиуса и ходовых частей любых размеров. Максимальная величина желоба на железнодорожных путях ограничивается 87 мм — наибольшей допустимой величиной отхода реборды от рельсовой нити. Если желоб больше, должно быть применено качение на реборде такое же, как в литых трамвайных крестовинах. При ширине колеи менее 1540 мм обычно контррельсы на внутризаводских путях ставят лишь в случаях, когда нужно предохранить от износа наружный рельс (при угле набегания ≥1,5). Если же такой величины достигает и угол набегания реборды на внутренний рельс, то для уменьшения его износа и для предотвращения всползания колеса на рельс устанавливают контррельс и у наружной нитки. Наибольшая ширина колеи, при которой возможна укладка двух контррельсов, 1557 мм. Если же требуется большая ширина колеи — от 1558 до 1575 мм, — применяется качение на реборде.
На трамвайных путях контррельсы или желобчатые рельсы Тв65 на обеих нитках кривых устанавливаются независимо от уклона при радиусах менее 75 м и на уклонах, превышающих 20%o, при радиусах от 76 до 200 м. На уклонах менее 20%o при радиусах от 76 до 200 м ставится только внутренний контррельс (или Тв65 только на внутренней нитке). В кривых радиусом от 201 до 400 м на уклонах более 20%0 также ставится только внутренний конт- рельс (или Тп65 на внутренней нитке). При тех же радиусах на меньших уклонах контррельсы не ставятся, а желобчатые рельсы применяются предназначенные для прямых — Тв60. Ширина желоба в трамвайных рельсах во всех случаях должна быть не менее 35 мм. Допускается лишь увеличение этого размера на 5 мм при  укладке новых путей старогодными рельсами и на 15 мм в процессе эксплуатации.

Рис. 83. Крепление контррельса к рабочему рельсу
Крепление контррельса к рабочему рельсу

На внутризаводских путях контррельсовые нити должны заходить за начало кривой не менее чем на длину жесткой базы. Концы их должны быть отогнуты внутрь колеи. Рельсовые стыки в кривых лучше располагать вразбежку — это позволит предупредить одновременный горизонтальный удар в обе нити и снизить опасность образования ударов углов в стыках. На путях трамвая концы контррельсов также должны быть отогнуты на длине 0,8 м и понижены до уровня рабочего рельса (в пределах кривой конт-рельс на 100 мм выше). Ширина желоба у конца контррельса должна быть доведена до 60 мм. Вход в желоб рельса трамвайного типа также целесообразно сделать уширенным.
Стабильность ширины желоба и положения контррельса в пути обеспечивается конструкцией крепления контррельса 2 (рис. 83) к рабочему рельсу 7. Крепление включает в себя составной вкладыш (два фасонных полувкладыша 6 и располагаемые между ними три плоские прокладки 7, позволяющие регулировать ширину желоба) основной 5 и дополнительной 4 подкладок, контррельсовых болтов 3 с гайками и шайбами. При сооружении трамвайных путей обычно применяют неразрезные вкладыши. Если необходимо применить качение на реборде, по всей длине контррельса устраивается в желобе сплошной настил, перекрытый стальной полосой (или непрерывный ряд повышенных вкладышей), и скрепляется с рельсом и контррельсом удлиненными контррельсовыми болтами.


Рис. 84. Схема отклонений оси вагона от оси пути на кривой

При необходимости путь в кривых усиливается за счет применения тяжелых балластов, увеличения числа шпал на 1 км (на звено), укладки более мощных железнодорожных рельсов, установки с внешней стороны наружного рельса специальных упоров. Кроме того, на трамвайных путях усиление достигается установкой путевых тяг независимо от типа рельсов и наличия дорожного покрытия. В отдельных случаях в кривых с особенно интенсивным движением могут укладываться литые рельсы из высокомарганцовистой стали.
Расстояние между внешними очертаниями кузовов подвижного состава, движущегося во встречных направлениях на двухпутной линии, должно оставаться одинаковым на прямых и кривых участках. Однако прямолинейная продольная ось вагона (локомотива) неизбежно отклоняется от криволинейного направления продольной оси пути в кривой. При этом середины экипажей отклоняются внутрь кривой от оси пути, а концы экипажей — наружу кривой. Возникают так называемые свес кузова внутрь кривой и вынос угла наружу (рис. 84). Величины свеса и выноса зависят от радиуса кривой R и от геометрических характеристик подвижного состава (длины вагона L, его жесткой базы I, ширины кузова в середине а,  в лобовой части b). Наибольший вынос кузова

Сумма p + q и определяет величину, на которую в кривых должны быть увеличены ширина междупутья, габарит приближения строений, ширина земляного полотна, балластной призмы и другие размеры, приведенные в п. 5 учебника.

29. ВОЗВЫШЕНИЕ НАРУЖНОГО РЕЛЬСА В КРИВЫХ

В кривых участках пути центробежная сила, увеличивая давление на наружный рельс, вызывает его ускоренный износ. Этим не ограничивается вредное действие центробежной силы. В определенных условиях (например, при расположении кривой в конце затяжного уклона) она может содействовать сходу вагона через наружный рельс и даже его опрокидыванию. Пассажиры трамвая при действии центробежной силы подвергаются воздействию непогашенного ускорения и испытывают весьма неприятные ощущения. 

Влияние центробежной силы может быть усилено совпадающим по направлению давлением ветра. Однако в расчетах влиянием ветра обычно пренебрегают, считая, что его повторяемость наружу и внутрь кривой практически одинакова.
Опрокидывающий момент от центробежной силы приложенной к центру тяжести вагона,

где G — вес вагона, тс; Н — расстояние от центра тяжести вагона до уровня головки рельса, м.
Удерживающий момент (рис. 85, a) My=GS/2. Приравняв эти два момента, можно найти критическую скорость, при превышении которой возможно опрокидывание:

Принимая числовые значения Н и S, незначительно отличающиеся для разных радиусов кривых и типов подвижного состава, можно считать, чтокм/ч. Иначе, равенство
моментов наступает при минимальных радиусах на трамвайных путях при v=29 км/ч, на внутризаводских путях при v = 50 км/ч. Очевидно, что такие скорости на кривых практически не реализуются. Поэтому расчеты противодействия центробежной силе ведутся только по условиям перегрузки наружного рельса. С этой целью предусматривается некоторое превышение уровня головки наружного рельса над уровнем головки внутреннего. При этом вагон несколько наклоняется и часть его веса направляется в сторону, противоположную направлению центробежной силы.
Так же как и сама центробежная сила, величина возвышения наружного рельса зависит от радиуса кривой и скорости движения. Эта зависимость одинаково справедлива для всех разновидностей рельсовых путей: железнодорожных (магистральных и внутризаводских) и трамвайных. Однако величина возвышения на них будет различаться даже при одинаковых R и v. Это видно из самого расчета.
Если наружный рельс приподнять над внутренним на h (мм) (рис. 85,б), то плоскость колеи окажется наклонной к горизонту под углом a, a tga = h/S0, где S0 - расстояние между осями рельсов. 

Рис. 85. Действие центробежной силы при движении вагона по кривой: а — при отсутствии возвышения наружного рельса; б — при его наличии

Разложив вес экипажа G на G1 (перпендикулярно плоскости колеи) и G20 (параллельно ей), можно увидеть, что для уравновешивания действия Fц.б необходимо, чтобы проекция Fц.б на направление, параллельное плоскости колеи, была бы равна G2:

На магистральных железных дорогах и на внутризаводских путях скорость для расчета возвышения наружного рельса принимается средневзвешенная по грузообороту. Кроме того, на скоростных участках железных дорог вводится поправка к расчетному возвышению, увеличивающая его на 20—30 мм. Такая же поправка (от 5 до 40 мм) вводится на внутризаводских путях, где обращается специальный подвижной состав с нагрузкой от колесной пары на рельсы 25—60 тс. Однако во всех случаях максимальное возвышение наружного рельса не должно превышать 150 мм. На узкоколейных путях, где возвышение делается в кривых радиусом 1000 м и менее, hmax= 40 мм.
На трамвайных линиях расчет ведется по максимальной скорости. Следует иметь в виду, что перегрузка внутреннего рельса при избыточном возвышении опаснее для пути, чем увеличенное давление на наружный рельс при недостаточном возвышении. Поэтому, а также с учетом ограничений, связанных с планировкой проезжей части улицы, размеры возвышения устанавливаются в ряде случаев ниже расчетных.

Таблица 34. Нормы возвышения наружного рельса в кривых для путей скоростного трамвая, мм

Примечание. При радиусах свыше 2000 м возвышение на скоростных трамвайных линиях не предусматривается.
Таблица 35. Нормы возвышения наружного рельса в кривых трамвайных путей, мм, расположенных на спусках


Радиус кривой, м

Путь на совмещенном полотне

Путь на обособленном или самостоятельном полотне

Радиус кривой, м

Путь на совмещенном полотне

Путь на обособленном или самостоятельном полотне

До 50 включительно

100

150

101—250

60

90

 

 

251—500

40

40

51—100

80

120

501 — 1000

30

30

При строительстве, реконструкции и капитальном ремонте на кривых участках трамвайного пути устанавливается возвышение для радиусов до 100 м включительно 70 мм, от 101 до 200 м — 50 мм, от 201 до 500 м — 40 мм, от 50 до 1000 м — 30 мм. При радиусах свыше 1000 м возвышение не предусматривается. Если кривая расположена в проезжей части улицы или площади (включая переезды), допускается уменьшение этих значений до 50%. Такое же уменьшение возможно в пределах остановочных площадок и в обратных кривых на оборотных кольцах и петлях.
Головки внутренних рельсов на кривых участках двухпутных трамвайных линий должны быть на одном уровне, однако на переездах необходимо и при этом условии обеспечить достаточную плавность движения безрельсового транспорта. При трассировке двухпутных кривых могут быть применены разные радиусы и, следовательно, разные возвышения. Это надо учитывать и при определении величины уширения междупутья. Иные нормы возвышения устанавливаются для путей скоростного трамвая (табл. 34).
Особые нормы действуют в условиях, когда при входе в кривую могут развиваться высокие скорости: на спусках с уклоном, превышающим 50%, на затяжных (более 200 м) спусках с уклоном более 35% или на кривой непосредственно за таким спуском при радиусе 75 м и менее (табл. 35).
Отклонения возвышения от установленных норм не должны превышать 20 мм (в эксплуатации). Для того чтобы осуществить возвышение, следует при укладке рельсошпальной решетки одновременно поднять наружный рельс и опустить внутренний.
Отвод возвышения должен выполняться плавно, постепенно и за пределами круговой кривой. Иначе, уже в самом начале круговой кривой и до самого его конца возвышение должно иметь полную расчетную величину. Уклон этого отвода должен быть на внутризаводских путях в пределах 1—3% и лишь в особо стесненных условиях не более 5%. На путях трамвая он также не должен превышать 5%, а в стесненных условиях. 7%. Это означает, что на каждом метре отвода возвышение увеличивается соответственно на 1—7 мм.

Контрольные вопросы

  1. Какие дополнительные усилия появляются при движении экипажа по кривой?
  2. Как происходит вписывание экипажа в рельсовую колею?
  3. Что такое забег реборды?
  4. В каких случаях требуется установка контррельсов?
  5. Как усиливается путь в кривых?
  6. Когда и с какой целью устраивается возвышение наружного рельса?