2.2.3. Геометрические параметры рельсовой колеи и связанные с ними особенности устройства верхнего строения пути
Рельсовой колеей называются две геометрические линии, проходящие вдоль пути по внутренним граням головок рельсов на уровне их контакта с гребнями колес1. Условно считают, что эти линии проходят по внутренним (рабочим) граням головок рельсов на уровне, находящемся на 14 мм ниже их поверхности катания.
Основными параметрами рельсовой колеи считают ее ширину, положение рельсов по уровню и в плане. Следует различать нормы устройства рельсовой колеи, отступления от них и допуски в содержании колеи. В зависимости от степени отступлений, их числа или протяженности дается качественная оценка состояния рельсовой колеи в баллах [44]. В современных нормах содержания рельсовой колеи эти отступления разделены на пять градаций, по которым определяют порядок их устранения. Установлено, что отступления I, II и III степеней устраняются в плановом порядке, а IV и V степеней — при первоочередных работах. Без промедления устраняют отступления, из-за наличия которых закрыто движение или ограничена скорость движения поездов.
1 Определение принадлежит проф. Панскому В. М.; он указывал на неправильность отождествления понятий «рельсовая колея» и «железнодорожный путь».
На железных дорогах Советского Союза установлена норма устройства ширины колеи на прямых участках пути 1520 мм. На некоторых линиях сохранилась еще ширина колеи 1524 мм. Эти линии постепенно приводятся к ширине колеи 1520 мм.
Рис. 34. Схема для определения зазоров между гребнями колес и рельсами
При допускаемых минимальных q, h, t, г и f 2sпр —1574 мм. Однако опасность схода возникает и тогда, когда колесо опирается на рельс частью, имеющей коничность 1/7. При этом 2sпр=1550 мм. С учетом же изгиба осей и упругого отжатия рельсов, очевидно, нельзя допускать ширину колеи больше чем 1546 мм. Это и предусматривается инструкциями по содержанию железнодорожного пути.
Таблица 5
Степень отступления | Размеры отклонения, мм | ||
Плавные отклонения по уровню | Односторонние просадки | Перекосы (при расстоянии между просадками меньше 20 м) | |
I | До 6 | До 10 | До 8 мм |
II | 6,1-12 | 10,1-15 | 8,1-12 |
III | 12,1-20 | 15,1-20 | 12,1-16 |
IV | 20,1—25 | 20,1—25 | 16,1-20 |
V | Более 25 | Более 25 | Более 20 |
В условиях значительно возросших скоростей движения поездов, когда особенно важно понизить амплитуды виляния экипажей, стремятся уменьшить зазор Δ. Поэтому у колесных пар подвижного состава, обращающегося со скоростями, превышающими 120 км/ч, толщина изношенных гребней не должна быть меньше 28 мм.
Для снижения боковых сил, передаваемых колесами рельсам (см. гл. 3 и 4), изменение ширины колеи в пределах установленных допусков должно быть плавным. При скоростях движения поездов до 100 км/ч изменение ширины колеи незагруженного пути по его протяжению допускают до 1 мм на 1 м длины, при скоростях движения поездов 100—120 км/ч — до 1 мм на 1,2 м длины. Фактические значения этих изменений (их называют отводами) в практике, как правило, больше указанных.
На прямых участках пути рельсовые нити должны находиться на одном уровне. Допускаются плавные изменения положения рельсовых нитей по уровню. Места, где одна из рельсовых нитей имеет резкое отклонение по уровню на длине 10 м и менее, называют односторонними просадками. Последовательные отклонения по уровню обеих рельсовых нитей в разные стороны при расстоянии между максимумами просадок менее 20 м называют перекосами. Отступления по уровню также делят на пять градаций-степеней (табл. 5).
На длинных прямых участках пути иногда содержат одну рельсовую нить выше другой на 5 мм (на двухпутных участках — с внешней стороны пути). Это вызвано стремлением уменьшить амплитуду виляния экипажа, поскольку возникающая при этом горизонтальная составляющая веса экипажа будет прижимать его к нижней нити. Однако эффект от этого достигается лишь в том случае, если понижение одной из рельсовых нитей будет постоянным на протяжении прямой. Если же это понижение будет переменным, то возникающая переменная составляющая веса экипажа будет лишь вызывать новые усиленные колебания экипажа.
Из-за коничности бандажей рельсы по отношению к шпалам устанавливают с наклоном внутрь колеи (подуклонкой), равным 1/20. Допуски по содержанию подуклонки составляют ±1/30, т. е. наибольшая подуклонка, измеренная по шейке рельса, должна быть не более 1/12, а наименьшая 1/60. Фактическая подуклонка часто выходит за эти пределы. Однако за счет износа рельсов поверхность их катания прирабатывается, как правило, к подуклонке, 1/20.
Рельсовая колея на участках пути, представляющих в плане круговые кривые, имеет ряд особенностей: увеличенную по сравнению с прямыми участками пути ширину колеи, возвышение наружного рельса над внутренним, определенные нормы отступлений в плане колеи от правильной круговой кривой.
Номинальные размеры ширины колеи в кривых различных радиусов назначаются па основании теоретического анализа динамических условий прохождения по ним различных типов подвижного состава; при этом учитывают допуски содержания пути и подвижного состава. Для установления норм устройства ширины колеи в кривых необходимы длительные эксперименты с наблюдением за состоянием пути и подвижного состава при различных вариантах ширины колеи и допусках в их содержании, с оценкой трудовых и материальных затрат при каждом таком варианте.
Очевидно, нельзя признать допустимыми такие условия прохождения экипажа по кривому участку пути, при которых из-за недостаточной ширины колеи гребни колесных пар зажаты между внутренним и наружным рельсами, а колеса лишены возможности свободного поперечного перемещения в колее. При таких условиях прохождения экипажа в кривой развиваются чрезмерные горизонтальные поперечные силы между колесами и рельсами, боковой износ рельсов и гребней колес. Такие условия прохождения экипажа по кривой называют заклиненным вписыванием экипажа в кривую. При заклиненном вписывании гребни двух или большего числа колес постоянно прижаты к внутреннему рельсу и одновременно гребни двух или большего числа колес прижаты к наружному рельсу.
Если известна ширина колеи, при которой уже произошло заклинивание экипажа в кривой, то для нормальной эксплуатации этого экипажа в этой кривой должна быть обеспечена ширина колеи 2smin по крайней мере не менее
(2.26)
Кроме того, расчеты и испытания по вписыванию многих типов подвижного состава в круговые кривые различных радиусов должны подтвердить то, что боковые усилия, создаваемые эти ми типами подвижного состава, при некоторой заданной ширине, колеи 2s не вызовут увеличения числа рельсов с дефектами контактно-усталостного происхождения, не возникнут преждевременные разрушения элементов или узлов промежуточных рельсовых скреплений и не появятся искажения пути в плане из-за остаточных поперечных сдвигов рельсо-шпальной решетки в балласте.
На дорогах СССР ширина колеи в прямых и круговых кривых радиусом 350 м и более принята равной 1520 мм; при радиусах от 349 до 300 м — 1530 мм и при радиусах 299 м и менее — 1540 мм.
На некоторых участках с шириной колеи 1524 мм (по старому стандарту) допускается ширина колеи в кривых при радиусе от 650 до 450 м — 1530 мм, от 449 до 350 м — 1535 мм и 349 м и менее — 1540 мм. Классификация по степеням отступлений ширины колеи в прямых и кривых приведена в табл. 6. В местах бокового износа рельсов допускаемые отклонения по уширению увеличиваются на величину этого износа.
Рис. 35. Центробежная сила и горизонтальная составляющая веса экипажа, действующие на него на кривых участках пути
На рис. 35 показан экипаж, стоящий на пути с возвышением h. Вес экипажа G может быть разложен на составляющие, направленные перпендикулярно и параллельно пути. На экипаж действует центробежная сила I=mv2/R (где т — масса экипажа; v — скорость экипажа; R — радиус кривой).
(2.32)
По медико-биологическим исследованиям ЛИИЖТа [45, 46], для железных дорог СССР установлена допускаемая величина 0,7 м/с2. Тогда для формулы (2.32) получим:
Допускаемое значение [ан] =0,7 м/с2 принято также и потому, что для очень многих типов подвижного состава при ан>0,7 м/с боковые силы в кривых достигают предельно допустимых боковых нагрузок на промежуточные рельсовые скрепления.
Из значений hr, полученных по формуле (2.32), выбирают наибольшее. Максимальное возвышение наружного рельса на отечественных дорогах допускается не выше 150 мм. Большее значение возвышения может быть допущено с разрешения Министерства путей сообщения. Очевидно, что при имеющемся уже каком-то возвышении из формулы (2.32) может быть определена максимальная скорость движения nmax.
И, наконец, третьей особенностью устройства кривых участков пути является необходимость контроля кривизны рельсов в плане и содержания их по кривизне в пределах заданных нормативов. В настоящее время на большинстве железных дорог мира этот контроль осуществляется измерением стрел от хорды, соединяющей две точки на рабочей грани наружного рельса кривой. Эта стрела, как известно, равна:
(2.33)
где а — размер хорды; R — радиус кривой.
Степени отступлений | Δf, измеренная от середины хорды (для хорды длиной 20 м), мм | Степени отступлений | Δf, измеренная от середины хорды (для хорды длиной 20 м), мм |
I | До 10 | IV | >25 до 35 включительно |
II | >10 до 18 включительно | V | >35 |
III | >18 до 25 » |
|
|
При идеально поставленной круговой кривой все стрелы изгиба должны быть равны друг другу. При наличии отклонений кривой от идеальной формы две смежные стрелы отличаются друг от друга на величину Δf. Разность Δf нормируется и на железных дорогах СССР классифицируется по степеням отступлений (табл. 7).
Определение положения рельсовых нитей методом измерения стрел от хорды в ряде случаев не обеспечивает необходимой точности в оценке местной кривизны рельсовых нитей, так как в этом методе кривизна пути в плане оценивается по трем удаленным друг от друга точкам и при этом пропускаются неровности меньшие по длине, чем эта хорда. Более совершенным является способ измерения кривизны, описанный в авт. свидетельствах [47, 48]. Он основан на непрерывном измерении нормального к плоскости пути ускорения w на элементе путеизмерителя, скользящем по боковой поверхности рельса. Зная скорость движения v этого элемента вдоль пути, можно с помощью аналоговой ЭВМ по сигналам, пропорциональным w и v, непрерывно определять кривизну пути по формуле
Между прямыми участками пути и круговыми кривыми, а также между круговыми кривыми разных радиусов устраивают переходные кривые. Этим обеспечивается плавное изменение центробежных сил и постепенный отвод возвышения наружного рельса и ширины колеи между прямыми участками пути и круговой кривой.
Переходная кривая должна представлять собою пространственную кривую, у которой плавно изменяется кривизна как в плане, так и в профиле (рис. 36). Для упрощения расчета и разбивки переходных кривых обычно заменяют пространственную кривую кривой переменной кривизны только в плане. Изменения возвышения наружного рельса на протяжении переходной кривой принимают в виде прямой наклонной линии (см. рис. 36).
Рис. 36. Пространственная форма переходной:
0 — начало переходной кривой; В, С и D — конец переходной кривой и начало круговой кривой; DE — круговая кривая
В практике обычно пользуются в качестве переходных кривых радиоидальными спиралями.
Существующая теория переходных кривых [49] базируется на условиях прямой пропорциональности между изменением возвышения наружного рельса и кривизной оси пути в плане. Правильнее было бы различать кривизну оси пути и кривизну проекции траектории центра массы экипажа на горизонтальную плоскость, которые (вследствие возвышения наружного рельса) не совпадают. При устройстве возвышения поднимается наружная нить рельсов, а внутренняя остается на месте. При этом центр массы экипажа при движении по кривой сначала поднимается, а потом опускается. На путях Московского метрополитена, а также на некоторых зарубежных дорогах делают иначе. Наружную нить поднимают, а внутреннюю опускают на половину возвышения. При этом центр массы экипажа не совершает перемещений вверх и вниз. Движение происходит более плавно.
При устройстве переходных кривых существенно важно выбирать нужную их длину. Среди многих критериев выбора длины переходных кривых [49] практически пользуются лишь одним — допустимой крутизной продольного уклона (отвода) наружного рельса i. Значение i регламентируют в зависимости от скорости движения поездов.
В обычных условиях i≤1-2 %о, при скоростях поездов υ=140 км/ч i≤0,87%о и при υ=141-160 км/ч i≤0,67%о. Тогда соответственно длины переходных кривых будут определяться из выражений l≥1000hr; l≥200hr; l≥1500hr (здесь I и hr в м).