МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

ИНСТИТУТ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ

И ПЕРЕПОДГОТОВКИ РУКОВОДИТЕЛЕЙ И СПЕЦИАЛИСТОВ

ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Кафедра «Строительство и эксплуатация дорог»

В. И. МАТВЕЦОВ, А. А. КЕБИКОВ,

Н. Е. МИРОШНИКОВ

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Учебно-методическое пособие

Гомель 2013

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

ИНСТИТУТ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ

И ПЕРЕПОДГОТОВКИ РУКОВОДИТЕЛЕЙ И СПЕЦИАЛИСТОВ

ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Кафедра «Строительство и эксплуатация дорог»

В. И. МАТВЕЦОВ, А. А. КЕБИКОВ,

Н. Е. МИРОШНИКОВ

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Одобрено методическими комиссиями

строительного и заочного факультетов

в качестве учебно-методического пособия

для студентов специальности 1–37 02 05

«Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство»

Гомель 2013

УДК 625.143(075.8)

ББК 39.211-08

М33

Р е ц е н з е н т : начальник отдела пути, СЦБ и связи Гомельского отделения

Белорусской железной дороги Ю. В. Мищук

Матвецов, В. И.

М33 Анализ надежности работы железнодорожного пути : учеб.-метод.

пособие / В. И. Матвецов, А. А. Кебиков, Н. Е. Мирошников ; М-во

образования Респ. Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. – Гомель :

БелГУТ, 2013. – 56 с.

ISBN 978-985-554-059-6

Изложены основы прогнозирования надежности работы звеньевого и

бесстыкового железнодорожного пути. Определены условия эксплуатации и

режимы работы 25-метровых рельсов. Представлена методика контроля за тем-

пературным режимом работы рельсовых плетей бесстыкового пути.

Предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения специаль-

ности 1–37 02 05 «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйст-

во», слушателей Института повышения квалификации и переподготовки ру-

ководителей и специалистов транспортного комплекса Республики Бела-

русь, а также может быть полезно инженерно-техническим работникам пу-

тевого хозяйства.

УДК 625.143(075.8)

ББК 39.211-08

ISBN 978-985-554-059-6 © Матвецов В. И., Кебиков А. А.,

Мирошников Н. Е, 2013

© Оформление. УО “БелГУТ”, 2013

О Г Л А В Л Е Н И Е

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………. 5

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕЖИМА РАБОТЫ

25-МЕТРОВЫХ РЕЛЬСОВ ……………….…………………………………. 6

1.1 Общие положения ………………………………………………………….. 6

1.2 Определение допускаемых годовых температурных амплитуд …..……. 8

1.3 Определение нормальных стыковых зазоров ……………………………. 12

1.4 Построение и анализ графиков изменения стыковых зазоров .…..…….. 14

1.5 Определение сжимающих и растягивающих температурных сил ……….. 16

1.6 Влияние ошибки при установке зазоров …………………………………. 22

1.7 Определение суммарных сжимающих и растягивающих температурных сил .. 26

1.8 Пример определения условий эксплуатации и режима работы 25-метровых

рельсов для Гомельской дистанции пути ………………………………….. 26

1.8.1 Исходные данные …………………………………………………….. 26

1.8.2 Определение годовой температурной амплитуды, позволяющей

эксплуатировать 25-метровые рельсы без сезонных разгонок и ре-

гулировок стыковых зазоров ……………………………………… 27

1.8.3 Построение частной таблицы стыковых зазоров для Гомельской

дистанции пути ………………………………………………………. 28

1.8.4 Построение графиков изменения стыковых зазоров для Гомель-

ской дистанции пути ………………………………………………… 28

1.8.5 Определение сжимающих и растягивающих температурных сил

для Гомельской дистанции пути ……………………………………. 32

1.8.6 Расчет влияния ошибки при установке зазоров ……………………. 34

2 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ СТЫКОВЫХ ЗАЗОРОВ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ

НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ЗВЕНЬЕВОГО ПУТИ ……………………….. 35

2.1 Общие сведения ….…………………………………………………………. 35

2.2 Анализ состояния стыковых зазоров ………………………………………. 35

2.3 Определение и построение попикетных фактических сжимающих

перепадов температур ……………………………………………………… 37

2.4 Построение графика максимальных стыковых зазоров …………………….. 39

2.5 Анализ надежности работы звеньевого пути …………………………….. 40

2.6 Пример анализа состояния стыковых зазоров …………………………… 40

2.6.1 Исходные данные …………………………………………………….. 40

2.6.2 Анализ состояния стыковых зазоров на заданном участке ……….. 40

2.6.3 Определение и построение попикетных фактических сжимающих

перепадов температур для заданного участка пути ……………….. 42

2.6.4 Построение графика максимально возможных стыковых зазоров

для заданного участка пути …………………………………………. 43

3 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ РЕЛЬСОВЫХ

ПЛЕТЕЙ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ …………………………………………. 46

3.1 Общие сведения …………………………………………………………….. 46

3.2 Порядок разбивки створов ………………………………………………… 46

3

3.3 Определение дополнительных сил от угона пути ……………………….. 48

3.4 Определение допускаемых величин угона …………………………..…… 50

3.5 Анализ надежности работы рельсовых плетей …………………………… 51

3.6 Пример прогнозирования надежности работы рельсовых плетей для

Гомельской дистанции пути ………………………………………………. 52

3.6.1 Исходные данные …………………………………………………….. 52

3.6.2 Определение допускаемых величин угона по устойчивости для

Гомельской дистанции пути ………………………………………… 52

3.6.3 Прогнозирование надежности работы бесстыкового пути ……….. 53

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………… 54

Приложение А Содержание учебного материала дисциплины «Правила

технической эксплуатации и безопасность движения поездов … 55

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы наметилась тенденция к постоянному увеличению

длины рельсов. Однако, несмотря на широкое распространение и неоспори-

мые преимущества бесстыкового пути, звеньевой путь с 25-метровыми

рельсами еще долгое время будет лежать и эксплуатироваться на Белорус-

ской железной дороге. В связи с этим изучение вопросов содержания как

бесстыкового, так и звеньевого пути является необходимым звеном в подго-

товке специалистов железнодорожного транспорта.

В своей практической деятельности работникам путевого хозяйства для

обеспечения безопасного движения поездов по железнодорожному пути

приходится решать много задач. Температурные и динамические силы от

колес подвижного состава являются причиной угона пути, в результате ко-

торого возникают дополнительные сжимающие или растягивающие силы,

осложняющие эксплуатацию железнодорожного пути и создающие опас-

ность выброса пути летом, разрыва стыка или рельсовой плети зимой. Од-

нако указанные дополнительные силы не всегда нарушают устойчивость

или прочность пути. Это зависит от конструкции пути, условий укладки

рельсов, величины ошибки при установке стыковых зазоров в момент ук-

ладки, отступлений фактических зазоров от рекомендуемых, температуры

закрепления рельсовых плетей и т.д. Линейные работники должны знать

температурную работу железнодорожного пути, уметь определять возмож-

ность дальнейшей нормальной эксплуатации пути с максимально допускае-

мыми скоростями движения, а также необходимость проведения специальных

мер или выполнения неотложных работ при экстремальных температурах.

Изложение материала в данном пособии предполагает знание студента-

ми основных теоретических основ и положений по вопросам эксплуатации

железнодорожного пути. Поэтому, приступая к анализу и прогнозированию

состояния железнодорожного пути, студент наряду с использованием нор-

мативных и руководящих материалов должен обновить в памяти соответст-

вующие разделы учебной программы, четко представлять себе основы тем-

пературной работы железнодорожного пути.

Авторы с благодарностью примут все предложения и пожелания по улуч-

шению содержания и оформления данного учебно-методического пособия.

5

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

И РЕЖИМА РАБОТЫ 25-МЕТРОВЫХ РЕЛЬСОВ

1.1 Общие положения

Анализ работы 25-метровых рельсов различных типов на прямых и в

кривых позволил установить, что с учетом всего многообразия факторов

звеньевой путь можно эксплуатировать с сезонной разгонкой и регулиров-

кой стыковых зазоров и без нее [1]. Сезонная разгонка и регулировка сты-

ковых зазоров является трудоемкой дополнительной работой и допускается

только в исключительных случаях, когда использованы все другие меры, а

надежная работа 25-метровых рельсов не обеспечивается в летних или зим-

них условиях, т. к. создается угроза выброса пути или среза болтов и разры-

ва стыков.

В зависимости от климатических условий 25-метровые рельсы могут

эксплуатироваться в одном из следующих режимов:

— без сезонной разгонки и регулировки стыковых зазоров, не допуская из-

гиба стыковых болтов в момент наступления минимальных расчетных или

близких к ним температур. Такие условия эксплуатации можно обеспечить

в зависимости от плана линии и конструкции верхнего строения пути при

годовых амплитудах колебания температуры рельсов, не превышающих, в

основном, 90 °С;

— без сезонной регулировки стыковых зазоров за счет включения в рабо-

ту на изгиб стыковых болтов на протяжении 7 и 14 °С. При этом включе-

ние стыковых болтов на 14-градусный изгиб допускается в исключительных

случаях с разрешения начальника службы пути после соответствующего

технико-экономического обоснования. Такие условия эксплуатации 25-метро-

вых рельсов обеспечиваются в районах, где годовые температурные амплитуды

не превышают 110 °С;

— с сезонной (весной и осенью) регулировкой стыковых зазоров, особенно

в кривых участках пути, с укладкой соответственно укороченных или удли-

ненных рельсов и последующей их заменой на стандартные. Такие условия

эксплуатации 25-метровых рельсов обеспечиваются в районах с особо суро-

выми климатическими условиями, где годовые температурные амплитуды

превышают 110 °С.

Включение стыковых болтов в работу на изгиб не может решить полно-

стью проблем эксплуатации 25-метровых рельсов без сезонной разгонки и

регулировки стыковых зазоров, особенно в кривых малого радиуса. Это яв-

ляется вынужденной мерой и предназначается для существенного снижения

объема неотложных работ.

Изменение длины свободнолежащих рельсов ограничивается конструк-

тивными размерами зазоров между ними, которые зависят от диаметра бол-

тов и болтовых отверстий в накладках и концах рельсов. На Белорусской

железной дороге принят конструктивный стыковой зазор 21 мм. Соглас-

6

но СТП 09150.56.010-2005 по условию предупреждения изгиба или среза

стыковых болтов при низких температурах зазоры в стыках рельсов длиной

25 м не должны превышать 23 мм.

Годовая амплитуда колебания температуры рельсов на Белорусской же-

лезной дороге колеблется от 91 до 98 °С (таблица 1.1). Максимальная рас-

четная температура рельсов изменяется от 55 до 58 °С, а минимальная рас-

четная температура – от минус 35 до минус 42 °С. Конструктивного зазора в

условиях Беларуси явно недостаточно для компенсации годовых изменений

25-метровых рельсов, которые превышают 27–29 мм. Поэтому для обеспе-

чения нормальной работы звеньевого пути, наряду с торцевым давлением,

приходится включать в работу на изгиб стыковые болты.

Таблица 1.1 – Расчетные температуры рельсов

Железнодорожная Температура рельсов,°С Расчетная температурная

станция

летняя t_max зимняя t_min  амплитуда,°С Белорусская железная дорога

1 Барановичи +56  –37 93

2 Бобруйск +56  –37 93

3 Борисов +56  –41 97

4 Брест +57  –36 93

5 Витебск +56  –41 97

6 Волковыск +56  –38 94

7 Гомель +57  –35 92

8 Гродно +56  –35 91

9 Житковичи +58  –36 94

10 Жлобин +56  –36 92

11 Калинковичи +58  –36 94

12 Кричев +56  –39 95

13 Минск +55  –39 94

14 Могилев +56  –42 98

15 Молодечно +55  –39 94

16 Орша +56  –39 95

17 Осиповичи +56  –37 93

18 Пинск +56  –35 91

19 Полоцк +56  –39 95

20 Слуцк +55  –36  91

 Железные дороги сопредельных стран

21 Борзя +60  –54 114

22 Иркутск +56  –50 106

23 Калуга +58  –45 103

24 Керчь +57  –26 83

25 Киев +59  –32 91

26 Москва +58  –42 100

27 Новозыбков +57  –37 94

28 Одесса +57  –28 85

30 Симферополь +60  –29 89

31 Тында +56 –54 110

7

Необходимо отметить, что устойчивость пути в кривых участках пути

малого радиуса почти в 2,5 раза ниже, чем на прямых при всех прочих рав-

ных условиях. Существующие требования по определению зазоров, укладке

и текущему содержанию 25-метровых рельсов не учитывают особенностей

условий их работы и не всегда обеспечивают надежность работы звеньевого

пути и безопасность движения поездов.

1.2 Определение допускаемых годовых температурных амплитуд

Допускаемая температурная амплитуда, позволяющая эксплуатировать

25-метровые рельсы без сезонной регулировки стыковых зазоров, в общем

случае определяется по формуле

[Т] = ∆t_св + ∆t_R + ∆t_пог + ∆t_y + ∆t_б – ∆t_доп, (1.1)

где ∆t_св – перепад температуры рельса, ºС, необходимый для изменения

длины свободнолежащего рельса на конструктивную величину

стыкового зазора λ_к;

∆t_R – перепад температуры рельса, ºС, необходимый для преодоления

сил трения рельса в накладках или стыкового сопротивления;

∆t_пог – перепад температуры рельса, ºС, необходимый для преодоления

сил погонного сопротивления, вызываемого трением рельса о

подкладки, костыли и противоугоны. При костыльном скреплении

∆t_пог ничтожно мал и с достаточной для практических расчетов

точностью им можно пренебречь;

∆t_у – изменение температуры рельсов, ºС, допускаемое по условию по-

перечной устойчивости пути при слитых зазорах;

∆t_б – изменение температуры рельсов, ºС, допускаемое по условию

прочности стыковых болтов после раскрытия стыковых зазоров

до конструктивного значения;

∆t_доп – перепад температуры, ºС, учитывающий допуск на содержание

среднего зазора на пикете минус 2 мм, равный 7 ºС.

Перепад температуры, необходимый для изменения длины свободноле-

жащего рельса на конструктивную величину стыкового зазора,

л_к

∆t , (1.2)

бl

_св =

где λ_к – конструктивный стыковой зазор, мм;

α – коэффициент линейного расширения рельсовой стали, равный

0,0000118 1/ºС;

l – длина рельса, мм.

Номинальные размеры конструктивных зазоров для рельсов типа Р50

равны 21 мм [3], а для рельсов типа Р65 и Р75 при накладках, расстояние в

которых между центрами болтовых отверстий составляет 202 мм [4], конст-

руктивный зазор равен 23 мм. При накладках, в которых расстояние между

8

центрами болтовых отверстий составляет 200 мм, конструктивный зазор

составляет 21 мм.

Перепад температуры для изменения длины 25-метрового рельса на вели-

чину конструктивного стыкового зазора, равного 21 мм, составляет 71 °С, а для

стыкового зазора величиной 23 мм указанный перепад составляет 78 ºС [1].

Перепад температуры на преодоление стыкового сопротивления опреде-

ляется по формуле

R

∆t_R = , (1.3)

бEF

где R – величина стыкового сопротивления, Н;

Е – модуль упругости рельсовой стали, Е = 2,1·10⁵ МПа = 2,1·10¹¹ Па;

F – площадь поперечного сечения рельса, м² (для новых рельсов типа

Р50 – 65,99·10^–4 м², Р65 – 82,65·10^–4 м² и Р75 – 95,04·10^–4 м²).

В зависимости от состояния соприкасающихся поверхностей накладок и

рельсов и особенно от затяжки стыковых болтов стыковое сопротивление из-

меняется в широких пределах и, как правило, меньше расчетных величин. Со-

гласно рекомендациям НИИЖТа для практических расчетов в зависимости от

конструкции пути принимаются значения стыковых сопротивлений, приведен-

ные в таблице 1.2. Здесь же приведены перепады температур, необходимых для

преодоления сопротивления трения накладок или стыкового сопротивления.

Таблица 1.2 – Перепады температур на преодоление стыкового сопротивления

Стыковое Изменение температуры,

Тип рельсов Количество

отверстий в накладке

сопротивление необходимое для преодоления

R, кН стыкового сопротивления ∆t_R, ºC

Р50 6 120 7

Р65 6 160 8

Р65 4 100 5

Р75 6 160 7

Р75 4 100 4

Допускаемые изменения температуры рельсов t_у по условию устойчивости

звеньевого пути на щебеночном балласте и деревянных шпалах с 25-метро-

выми рельсами после закрытия зазоров зависит от конструкции пути и пла-

на линии и принимается по таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Допускаемые изменения температуры рельсов по условию устойчивости

звеньевого пути

Изменения температуры ∆t_у, °С, допускаемые по условию устойчивости,

в зависимости от плана линии

Тип рельсов

радиус кривой, м

прямая

1200 1000 800 600 500 400 350 300

Р50 45 43 41 39 35 32 27 24 19

Р65, Р75 38 36 35 33 30 27 23 20 16

9

В зависимости от конструкции пути, качества отдельных его элементов,

качества укладки и содержания рельсов, а также с учетом плана линии рас-

четные допускаемые амплитуды годовых колебаний температуры изменя-

ются в широком диапазоне. Допускаемые температурные амплитуды, обес-

печивающие эксплуатацию 25-метровых рельсов без сезонной регулировки

стыковых зазоров, определенные по формуле (1.1), для различных конст-

рукций пути и плана линии приведены в таблице 1.4. Во всех рассмотрен-

ных вариантах принято полное использование допускаемого по устойчиво-

сти нажатия торцов рельсов в момент наступления максимальной расчетной

температуры, т. е. изгиб болтов при минимальной температуре отсутствует.

Таблица 1.4 – Допускаемые температурные амплитуды

Допускаемые температурные амплитуды [Т], °С, в зависи-

Конструк-

мости от конструкции верхнего строения и плана пути

Тип

рельсов Накладки

радиус кривой, м

зазор, мм

тивный

прямая

1200 1000 800 600 500 400 350 300 Р50 Шестидырные 21 116 114 112 110 106 103 98 95 90

21 110 108 107 105 102 99 95 92 88

Шестидырные

23 117 115 114 112 109 106 102 99 95

Р65

21 107 105 104 102 99 96 92 89 85

Четырехдырные

23 114 112 111 109 106 103 99 96 92

21 109 107 106 104 101 98 94 91 87

Шестидырные

23 116 114 113 111 108 105 101 98 94

Р75

21 106 104 103 101 98 95 91 88 84

Четырехдырные

23 113 111 110 108 105 102 98 95 91

Анализируя данные таблицы 1.4, отмечаем, что с увеличением конструк-

тивной величины стыкового зазора происходит увеличение допускаемой

температурной амплитуды, позволяющей эксплуатировать 25-метровые

рельсы без сезонных регулировок стыковых зазоров. С большей интенсивно-

стью падает указанная допускаемая температурная амплитуда при уменьше-

нии радиуса кривой. При этом можно заключить, что условие Т_А < [Т] (Т_А –

фактическая годовая температурная амплитуда, ºC; [Т] – допускаемая темпе-

ратурная амплитуда, ºC) может быть выполнено на большей части Белорус-

ской железной дороги путем соответствующего выбора конструктивных эле-

ментов стыка и обеспечения точной укладки рельсов с нормальными зазора-

ми. Для всей территории Белорусской железной дороги имеются запасы тем-

ператур, характеризуемые разностью [Т] – Т_А, которые позволяют обеспечить

нормальную работоспособность 25-метровых рельсов. Только в кривых мало-

го радиуса существующая конструкция стыка не позволяет эксплуатировать

25-метровые рельсы без сезонных регулировок стыковых зазоров.

Допускаемое изменение температуры рельсов ∆t_б, ограниченное по ус- ловию прочности стыковых болтов после раскрытия стыковых зазоров

10

свыше конструктивного значения не должно допускать среза болтов и раз-

рыва стыков в зимнее время. Существующий конструктивный зазор не по-

зволяет полностью компенсировать температурные деформации 25-метро-

вых рельсов. Поэтому повсеместно без опасных последствий для безопасно-

го движения поездов можно рекомендовать семиградусный изгиб болтов в момент наступления минимальной расчетной температуры, т. е. ∆t_б = 7 °С. В

редких случаях в более суровых климатических условиях, особенно в кру-

тых кривых, со специального разрешения начальника службы пути можно  допускать ∆t_б = 14 °C. Учитывая, что в условиях Беларуси годовая темпера-

турная амплитуда не превышает 100 °С, то данная мера не является необходи-  мой. Перепад температуры ∆t_б учитывают только в тех районах, где не обеспе-

чивается нормальная эксплуатация 25-метровых рельсов без изгиба стыковых

болтов.

Допускаемые температурные амплитуды, обеспечивающие эксплуата-

цию 25-метровых рельсов без сезонной регулировки стыковых зазоров, оп-

ределенные по формуле (1.1) с учетом 7- и 14-градусного изгиба болтов, для

различных конструкций пути и плана линии приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 – Допускаемые температурные амплитуды с учетом изгиба стыковых

болтов

Допускаемые температурные амплитуды [Т], °С,

Изгиб

в зависимости от конструкции верхнего строения

Конструк-

Тип стыковых

и плана пути

рельсов Накладки тивный

болтов,

зазор, мм

радиус кривой, м

град.

прямая

1200 1000 800 600 500 400 350 300 7 123 121 119 117 113 110 105 102 97

Р50 Шестидырные 21

14 130 128 126 124 120 117 112 109 104 21 7 117 115 114 112 109 106 102 99 95 21 14 124 122 121 119 116 113 109 106 102

Шестидырные

23 7 124 122 121 119 116 113 109 106 102 23 14 131 129 128 126 123 120 116 113 107

Р65

21 7 114 112 111 109 106 103 99 96 92 21 14 121 119 118 116 113 110 106 103 99

Четырехдырные

23 7 121 119 118 116 113 110 106 103 99 23 14 128 126 125 123 120 117 113 110 106

21 7 116 114 113 111 108 105 101 98 94 21 14 123 121 120 118 115 112 108 105 101

Шестидырные

23 7 123 121 120 118 115 112 108 105 101 23 14 130 128 127 125 122 119 115 112 108

Р75

21 7 113 111 110 108 105 102 98 95 91 21 14 120 118 117 115 112 109 105 102 98

Четырехдырные

23 7 120 118 117 115 112 109 105 102 98 23 14 127 125 124 122 119 116 112 109 105

11

Для конкретно заданных климатических условий, конструкции пути и ве-

личины конструктивного стыкового зазора по формуле (1.1) определяется

допускаемая годовая температурная амплитуда [T], позволяющая эксплуати-

ровать 25-метровые рельсы без сезонной разгонки и регулировки стыковых

зазоров без изгиба и с изгибом болтов, на прямых участках пути, которая сравнивается с фактической годовой температурной амплитудой Т_А. Затем

аналогичный расчет проводится для заданных кривых участков пути, а резуль-

таты расчета приводятся в табличной форме аналогично таблицам 1.4 и 1.5.

При оформлении отчета по лабораторным занятиям анализируется воз-

можность эксплуатации 25-метровых рельсов без сезонной разгонки и регу-

лировки стыковых зазоров на прямых и в кривых участках пути вначале без

изгиба болтов, затем с 7-градусным и, при необходимости, с 14-градусным

изгибом болтов для конкретного конструктивного зазора. При этом отмеча-

ется, на кривых какого радиуса возможна эксплуатация 25-метровых рель-

сов без сезонной разгонки и регулировки стыковых зазоров, а в кривых

меньшего радиуса эта работа является необходимой. Для практических це-

лей допускается интерполяция допускаемой годовой температурной ампли-

туды между соседними радиусами кривых участков пути. Если не задан ми-

нимальный радиус кривой на рассматриваемой дистанции пути, то анализ

производится по всему диапазону радиуса кривых.

Кроме того, может быть проанализирована возможность применения

25-метровых рельсов с большей величиной конструктивного зазора для

уменьшения, а в отдельных случаях и для полной ликвидации трудоемких

работ по сезонной разгонке и регулировке стыковых зазоров звеньевого пути.

1.3 Определение нормальных стыковых зазоров

Во всех случаях, когда фактические температурные амплитуды оказы-

ваются меньше допускаемых, обеспечивающих нормальную работу 25-метро-

вых рельсов в зависимости от конструкции верхнего строения пути и плана

линии для различных конструкций стыка, нормальные стыковые зазоры

определяются по следующей формуле:

λ_н = αl(t_min + ∆t_R + ∆t_св – t) = αl[t_min + R/(αEF) + λ_к/(αl) – t], (1.4)

где t_min – минимальная расчетная температура рельсов, °С;

t – текущая температура, которой соответствует нормальный стыковой

зазор, °С.

В суровых климатических условиях, особенно в кривых малого радиуса,

перед наступлением максимальных расчетных температур следует произво-

дить проверку устойчивости железнодорожного пути. Фактические сжи-

мающие температурные силы при этом не должны превышать допускаемые.

В случае невыполнения этого условия зимой возникает необходимость

12

включения стыковых болтов в работу на изгиб. Однако срез болтов и раз-

рыв стыка не допускаются. Поэтому в таких условиях нормальный стыко-

вой зазор определяется по формуле

λ_н = αl[t_min + R/(αEF) + λ_к/(αl) – t + ∆t_б], (1.5)

где ∆t_б – перепад температуры, допускающий изгиб болтов в момент наступ-

ления минимальной расчетной температуры, ºС.

Нормальные стыковые зазоры определяются по приведенным выше формулам или в соответствии с таблицей 1.6.

Таблица 1.6 – Общая таблица нормальных стыковых зазоров

P65, P65, P65,

P50 P65, P75 P50 P65, P75 P50 P65, P75

P75 P75 P75

0 +78 +76^* +83^* +85 +83^* +90^* +92 +90^* +97^*

1 +75 +73 +79 +82 +80 +86 +89 +87 +93

2 +72 +70 +76 +79 +77 +83 +86 +84 +90

3 +69 +66 +73 +76 +73 +80 +83 +80 +87

4 +65 +62 +70 +72 +69 +77 +79 +76 +84

5 +61 +58 +66 +68 +65 +73 +75 +72 +80

6 +57 +55 +62 +64 +62 +69 +71 +69 +76

7 +54 +52 +58 +61 +59 +65 +68 +66 +72

8 +51 +48 +55 +58 +55 +62 +65 +62 +69

9 +47 +45 +52 +54 +52 +59 +61 +59 +66

10 +44 +41 +48 +51 +48 +55 +58 +55 +62

11 +40 +38 +45 +47 +45 +52 +54 +52 +59

12 +37 +34 +41 +44 +41 +48 +51 +48 +55

13 +33 +31 +38 +40 +38 +45 +47 +45 +52

14 +30 +28 +34 +37 +35 +41 +44 +42 +46

15 +27 +25 +31 +34 +32 +38 +41 +39 +45

16 +24 +21 +28 +31 +28 +35 +38 +35 +42

17 +20 +18 +25 +27 +25 +32 +34 +32 +39

18 +17 +15 +21 +24 +22 +28 +31 +29 +35

19 +14 +11 +18 +21 +18 +25 +28 +25 +32

20 +10 +8 +15 +17 +15 +22 +24 +22 +29

21 +7 +5 +11 +14 +12 +18 +21 +19 +25

22 – – +8 – – +15 – – +22

23 – – +5 – – +12 – – +19

^* При шестидырных накладках все значения в столбце для соответствующих зазоров увеличиваются на 3 °С.

13

Если в районах с небольшими годовыми амплитудами колебаний темпе-

ратуры рельсов окажется, что при максимальной расчетной температуре

нормальный зазор 25-метровых рельсов больше нуля, то определение нор-

мальных стыковых зазоров в таком случае следует пересчитать по формуле

λ_н = αl[t_max – R/(αEF) – t]. (1.6)

В этом случае нормальные стыковые зазоры рельсов длиной 25 м можно

определять и устанавливать для всех конструктивных величин в соответст-

вии с таблицей 1.7.

Таблица 1.7 – Общая таблица зазоров для коротких рельсов

Величина понижения темпера- Величина понижения темпера-

туры рельса относительно ее туры рельса относительно ее

Нормальный Нормальный

максимального расчетного максимального расчетного

зазор, мм зазор, мм

значения t_max, °С значения t_max, °С

Р50 Р65, Р75 Р50 Р65, Р75

0 –7 –5^* 12 –47 –45^*

1 –10 –8 13 –51 –48

2 –14 –11 14 –54 –52

3 –17 –15 15 –57 –55

4 –20 –18 16 –61 –58

5 –24 –21 17 –65 –62

6 –27 –25 18 –69 –66

7 –30 –28 19 –72 –70

8 –33 –31 20 –75 –73

9 –37 –34 21 –78 –76

10 –40 –38 22 –82 –79

11 –44 –41 23 –85 –83

 ^* При шестидырных накладках все значения в столбце для соответствующих зазоров уве-

личиваются на 3 °С.

Для каждой дистанции пути на основании таблицы 1.6 или 1.7 составля-

ются частные таблицы нормальных стыковых зазоров 25-метровых рельсов.

1.4 Построение и анализ графиков изменения стыковых зазоров

После определения нормальных стыковых зазоров необходимо постро-

ить графики изменения зазоров 25-метровых рельсов без изгиба и с изгибом

стыковых болтов в зимнее время в момент наступления минимальной рас-

четной температуры.

Построение графика изменения стыковых зазоров 25-метровых рельсов

производится в следующем порядке. На миллиметровой бумаге строится

прямоугольник температурной работы, ограниченный по горизонтальной

оси экстремальными (минимальными и максимальными) расчетными тем-

пературами, а по вертикальной – нулевым и конструктивным значениями

стыкового зазора. Для построения графика изменения зазоров масштаб тем-

пературы принимается 1 °С в одном миллиметре, а масштаб зазора – вдвое

14

увеличенным, т. е. 2:1, что позволяет изобразить 1 мм фактического зазора в

2 мм на чертеже.

Общий вид графиков изменения стыковых зазоров 25-метровых рельсов,

эксплуатируемых без сезонной разгонки и регулировки зазоров, показан на

рисунке 1.1.

20

л

max

t_min t_max

0 1ґ 2ґ 3ґ

Дt

св

л

н

t_min 1ґ 2ґ 3ґt

0

Дt Дt

_св+ б

max

Рисунок 1.1 – Общий вид графиков изменения стыковых зазоров

25-метровых рельсов, эксплуатируемых без сезонной разгонки и регулировки зазоров:

а – без изгиба болтов; б – с включением стыковых болтов в работу на изгиб

15

Построение графика изменения стыковых зазоров 25-метровых рельсов

начинается с определения положения точки 1, соответствующей конструк-

тивному зазору и температуре, при которой он образуется при понижении

температуры до минимального расчетного значения. При построении гра-

фика изменения зазоров 25-метровых рельсов без изгиба болтов температура

точки 1 (см. рисунок 1.1) соответствует минимальной расчетной температуре:

при 7-градусном изгибе – (t_min + 7 °С), а при 14-градусном – (t_min + 14 °С).

В каждом из рассмотренных случаев по линии конструктивного зазора от-

кладывается вправо один и два перепада температур на преодоление стыко- вого сопротивления, т. е. ∆t_R и 2∆t_R, значения которых зависят от типа рель-

сов и конструкции стыка (см. таблицу 1.2), и соответственно получают точ-

ки 2 и 3.

Для определения положения точки 1′ на линии нулевых зазоров устанав-

ливается перепад температуры, необходимый для раскрытия и закрытия

зазора в пределах своего конструктивного значения (∆t_св), который соответ-

ствует при конструктивном зазоре 21 мм 71 °С, а при конструктивном зазо-

ре 23 мм – 78 °С. С учетом конструктивного стыкового зазора по линии ну-

левых зазоров от минимальной температуры (t_min) откладывается вправо

перепад температур ∆t_св, (∆t_св + ∆t_R) и (∆t_св+ 2∆t_R). Полученные точки со-

единяем параллельными прямыми.

Нижняя линия (1–1′) – линия минимальных стыковых зазоров, по которой

раскрываются зазоры 25-метровых рельсов при понижении температуры.

Средняя линия (2–2′) – линия нормальных стыковых зазоров, по которой

устанавливаются стыковые зазоры в момент укладки 25-метровых рельсов.

Верхняя линия (3–3′) – линия максимальных зазоров, по которой проис-

ходит закрытие стыковых зазоров при повышении температуры.

В правой части графика определяется и указывается величина перепада температур на торцевое давление (∆t_торц). В процессе анализа графика изме-

нения стыковых зазоров 25-метровых рельсов определяются температуры

появления нулевых и конструктивных стыковых зазоров, наличие или от-

сутствие торцевого давления и сжимающих сил, а также их величины.

1.5 Определение сжимающих и растягивающих температурных сил

Температурную силу по концам лежащего в пути рельса можно опреде- лить по формулам:

а) для летних условий –

N_л = R + N_торц = R + αEF∆t_торц; (1.7)

б) для зимних условий –

N_з = R + N_б = R + αEF∆t_б. (1.8)

16

В соответствии с принятыми допущениями наибольшая продольная тем-

пературная сила наблюдается в средней части стандартного рельса. В об-

щем случае температурные силы, возникающие в рельсах, определяются по

формулам:

а) для летних условий –

maxN_л = R + Q_л + N_торц = R + 0,5pl + αEF∆t_торц; (1.9)

б) для зимних условий –

maxN_з = R + Q_з + N_б = R + 0,5rl + αEF∆t_б, (1.10)

где maxN_л, maxN_з – соответственно сжимающие и растягивающие наиболь-

шие температурные силы по одной рельсовой нитке, Н;

N_торц – силы торцевого давления в момент наступления расчет-

ной температуры рельса, Н;

N_б – силы, изгибающие болты при раскрытии зазора более

конструктивного значения (при установке нормальных

стыковых зазоров N_б = 0), Н;

Q_л, Q_з – наибольшие сжимающие и растягивающие температур-

ные силы, возникающие в результате преодоления всего

погонного сопротивления по одной рельсовой нити, Н

(принимаются в зависимости от типа промежуточного

скрепления);

p, r – соответственно летнее и зимнее погонные сопротивления,

Н/м;

∆t_торц – перепад температуры, идущий на увеличение торцевого

давления, °С;

∆t_б – перепад температуры, идущий на изгиб и срез болтов, °С.

Сопротивление стыков зимой и летом существенных различий не имеет.

Для длинных рельсов на костыльном скреплении разница в сжимающих и

растягивающих силах зависит от соотношения сил торцевого давления и

сил, изгибающих болты. При раздельном скреплении сжимающие и растя-

гивающие температурные силы могут значительно отличаться друг от друга

вследствие того, что зимнее погонное сопротивление почти в 4 раза больше

летнего.

При костыльном скреплении зимой и летом погонное сопротивление

одинаково и для нового скрепления не превышает 3000 Н/м. По мере служ-

бы в пути погонное сопротивление костыльного скрепления снижается и в

процессе эксплуатации, как правило, не превышает 1000 Н/м по одной

рельсовой нитке. Эту величину погонного сопротивления и следует прини-

мать в дальнейших расчетах. По исследованиям ЦНИИ МПС, для раздель-

ного скрепления р = 6500 Н/м, а r = 25000 Н/м [1].

17

Для сравнения фактических сжимающих температурных сил в пути с

критической силой, допускаемой по условию устойчивости рельсошпальной

решетки, принимается удвоенная максимальная сила, определяемая по фор-

муле (1.9).

Зная максимальные продольные силы, довольно просто определить сжи-

мающие и растягивающие напряжения, возникающие в рельсах. Наибольшие

сжимающие температурные напряжения определяются из выражения

max

N_л

σ = . (1.11)

сж

F

Наибольшие растягивающие температурные напряжения

max

N_з

σ = . (1.12)

раст

F

Полученные по формулам (1.7)–(1.12) температурные силы и напряже-

ния сравнивают с допускаемыми.

В настоящее время правила расчета пути на прочность нормируют на-

пряжения по пределу выносливости рельсовой стали. Допускаемые кромоч-

ные напряжения в подошве рельсов при реализуемых в настоящее время

коэффициентах запаса с учетом температурных напряжений устанавлива-

ются одинаковыми для рельсов длиной 12,5 и 25 м.

Для локомотивов и вагонов, обращающихся по участку, допускаемые

напряжения в кромках подошвы рельсов новых типов принимаются равны-

ми 240 МПа, а для рельсов старых типов (I-а, Р38, III-а, IV-a) с длиной до

12,5 м – 200 МПа.

Кроме того, фактические сжимающие температурные силы летом не

должны нарушать устойчивости рельсошпальной решетки. На устойчивость

звеньевого пути большое влияние оказывает величина эксцентриситета пе-

редачи торцевого давления в стыках, с увеличением которого снижается

устойчивость пути. Поэтому полученную по действующим правилам расче-

та пути на устойчивость критическую силу для бесстыкового пути анало-

гичной конструкции необходимо уменьшить в 1,2–1,5 раза, т. е. должно

быть выполнено условие

P

max к

2К

N_л ≤ , (1.13)

где Р_к – критическая сила по условию устойчивости пути, Н;

К – коэффициент, учитывающий эксцентричность при торцевом давлении

звеньевого пути (принимается от 1,2 до 1,5).

Лаборатория бесстыкового пути ЦНИИ МПС экспериментально опреде-

лила критические силы для 25-метровых рельсов типа Р65 с деревянными

шпалами на щебеночном балласте, значение которых в зависимости от пла-

на линии указаны в таблице 1.8.

18

Таблица 1.8 – Критические силы для 25-метровых рельсов типа Р65 с деревянными

шпалами на щебеночном балласте

Радиус кривой, м Прямая 1000 800 600 500 400

Критическая сила, кН 1560 1440 1350 1230 1110 1100

Фактические сжимающие температурные силы сравниваются с допус-

каемыми. В случае превышения фактических сил над допускаемыми произ-

водится усиление конструкции верхнего строения пути или ограничение

скорости движения поездов.

Аналогичен подход и к определению температурных сил и напряжений,

возникающих в 25-метровых рельсах, которые в данном районе являются

обычными (короткими). При правильной установке стыковых зазоров в

точном соответствии с фактической температурой в 25-метровых рельсах

отсутствует торцевое давление и работа болтов на изгиб. При этом по кон-

цам рельсов зимой и летом температурные силы равны стыковому сопро-

тивлению, т. е. N_л = N_з = R. В средней части обычных рельсов температур-

ные силы определяются по формулам:

а) для летних условий –

maxN_л = R + 0,5rl; (1.14) б) для зимних условий –

maxN_з = R + 0,5pl. (1.15)

При костыльном скреплении для рельсов обычной длины максимальные

продольные температурные силы летом и зимой одинаковы, так как равны

погонные сопротивления, т. е.

maxN_л = maxN_з. (1.16)

При правильной укладке и эксплуатации рельсов обычной длины факти-

ческие температурные силы будут всегда меньше допускаемых. Если сты-

ковые зазоры установлены с отступлениями, то возникает необходимость

проверки возможности нарушения устойчивости рельсошпальной решетки

или прочности рельсов при экстремальных или близких к ним температу-

рах. В этом случае, в зависимости от величины ошибки в установке стыко-

вых зазоров, могут иметь место или торцевое давление, или работа болтов

на изгиб. При этом необходимо помнить, что болты будут изгибаться толь-

ко в том случае, если при укладке пути стыковые зазоры будут установлены

больше рекомендуемых на величину

λ_ф – λ_н > λ_к – λ_год, (1.17)

где λ_ф – фактически установленный стыковой зазор;

λ_н – рекомендуемый (нормальный) стыковой зазор, соответствующий

данной температуре;

19

λ_к – конструктивная величина стыкового зазора;

λ_год – годовые фактические изменения длины рельса с учетом всех сопро-

тивлений,

λ_год = αl(T_А – 2∆t_R). (1.18)

При установке стыковых зазоров меньше рекомендуемых в момент на-

ступления максимальных или близких к ним температур возникает торцевое

давление.

Несколько иная картина имеет место на нестабилизированных или не-

достаточно закрепленных участках пути, где наблюдается угон. Это, в пер-

вую очередь, тормозные участки и однопутные железнодорожные линии с

большой грузонапряженностью, а также участки производства ремонтов

пути с заменой рельсошпальной решетки. Тормозные силы и силы угона, а

также температурные силы вызывают в отдельных местах пути продольные

подвижки рельсов или рельсошпальной решетки, нарушая в стыках стыко-

вые зазоры. При этом одни зазоры могут уменьшаться до нуля, а другие

увеличиваются до своего конструктивного значения. Причем такое состоя-

ние стыковых зазоров наблюдается при незначительных отрицательных или

положительных температурах рельса. Безусловно, что в период наступления

экстремальных температур продольные сжимающие или растягивающие

силы могут превысить допускаемые и представляют угрозу безопасности

движения поездов.

Аналогичное положение может иметь место и на надежно закрепленном

пути от угона, когда при замене рельсошпальной решетки температура

рельсов не замеряется, а установке рекомендуемых стыковых зазоров не

уделяется должное внимание. Поэтому в процессе текущего содержания

железнодорожного пути с 25-метровыми рельсами очень важно уметь в ка-

ждом конкретном случае установить возможность их нормальной эксплуа-

тации. Для этого необходимо определить фактические температурные силы,

которые могут возникнуть в пути в момент наступления максимальной или

минимальной расчетных температур.

Для подсчета фактических температурных сил в конкретно заданном

районе необходимо знать величину стыкового зазора при ослабленных бол-

тах и температуру рельса. Отдельно взятый стыковой зазор не имеет ре-

шающего значения, поэтому необходимо брать средний стыковой зазор на

пикете и по нему определять температурные силы. Зная средний зазор на

пикете и температуру, необходимо определить фактические температурные

сжимающие и растягивающие силы, которые не должны превышать допус-

каемых.

Наибольшие сжимающие температурные силы, которые могут возник-

нуть в пути в момент наступления максимальной расчетной температуры,

могут быть определены по формуле

20

⎛ λ ⎞

сж 2 ⎜ ^ф ⎟ , (1.19)

N = αEF t − t −

max

⎜ ⎟

αl

⎝ ⎠

где 2αEF – величина продольной силы, на которую увеличиваются сжимаю-

щие силы в пути при изменении температуры на 1 ºС;

t – температура рельса при замере фактического стыкового зазора, ºС;

λ_ф – фактический стыковой зазор при ослабленных болтах, т. е. при

отсутствии стыкового сопротивления, мм.

Эта формула справедлива для случая, когда

⎛ λ ⎞

⎜ _max ^ф ⎟ >

t − t − 0 . (1.20)

⎜

αl

⎝ ⎠

Невыполнение условия (1.20) указывает на отсутствие сжимающих сил да-

же при максимальной температуре. Иными словами, стыковые зазоры при мак-

симальной температуре и рассматриваемых исходных данных больше нуля,

т. е. летом в работе 25-метровых рельсов никаких затруднений не возникнет.

Наибольшие растягивающие силы, которые могут возникнуть в пути в

момент наступления минимальной расчетной температуры,

⎛ λ − λ ⎞

⎜ к ф

⎟

N_раст 2α . (1.21)

= EF t − t +

⎜ ⎟

min

αl

⎝ ⎠

Эта формула справедлива для случая, когда

⎛ λ − λ ⎞

⎜ _min + ⎟ <

t − t 0 . (1.22)

к ф

⎜

αl

⎝ ⎠

Невыполнение этого условия указывает на то, что изгиб болтов отсутст-

вует даже при минимальной расчетной температуре. Иными словами, в мо-

мент наступления минимальной температуры стыковые зазоры не будут

достигать конструктивного значения, что облегчает взаимодействие пути и

подвижного состава в зоне стыка. Поэтому зимой в работе 25-метровых

рельсов никаких затруднений не ожидается.

Определенные по формулам (1.19) и (1.21) силы сравниваются с допус-

каемыми и делается вывод о работоспособности пути. Проведение специ-

альных мер (разгонка и регулировка стыковых зазоров) необходимо в тех

случаях, когда фактические силы в пути могут превысить допускаемые. В

качестве временной меры в отдельных случаях можно рекомендовать ук-

ладку «сплоток» и удлиненных или укороченных рельсов. Проведение всех

указанных мероприятий необходимо обеспечить заблаговременно, до на-

ступления экстремальных или близких к ним температур.

21

Если стыковые зазоры по обеим ниткам неодинаковы, то наибольшие

сжимающие силы подсчитываются по каждой нитке отдельно, а затем

суммируются. Также поступают и при подсчете растягивающих темпера-

турных сил.

1.6 Влияние ошибки при установке зазоров

Нормальная эксплуатация 25-метровых рельсов во многом зависит от точ-

ности установки стыковых зазоров в момент укладки рельсов при производ-

стве ремонта пути с заменой рельсошпальной решетки.

Фактические изменения длины 25-метрового рельса при годовой ампли-

туде колебания температуры рельсов Т_А = 100 °С составляют около 26 мм,

что превышает конструктивную величину стыкового зазора. Поэтому при

существующем стыковом и промежуточном скреплении в процессе эксплуа-

тации 25-метровых рельсов на большей части территории Беларуси не обес-

печивается их нормальная работа, т. е. не исключается торцевое давление

летом и работа болтов на изгиб зимой.

Торцевое давление, приводящее к выколам головки рельсов в стыках,

способствует преждевременному износу и выходу элементов верхнего

строения пути. Изгиб болтов и раскрытие стыкового зазора более 21 мм

приводит к усиленному расстройству рельсовой колеи в зоне стыка. Устра-

нить вредное влияние торцевого давления и изгиба болтов, т. е. полностью

компенсировать фактические изменения длины 25-метрового рельса за счет

увеличения существующего конструктивного зазора нецелесообразно из-за

резкого усиления динамического воздействия подвижного состава на путь в

зоне стыка.

Ограничение температурных деформаций рельса конструктивной величи-

ной стыкового зазора приводит к увеличению сил торцевого давления и тем-

пературных сжимающих сил. Значения сжимающих сил, возникающих в пути

при ограничении раскрытия 1000

Р75

стыковых зазоров его конст- кН

Р65

руктивным значением, в зави- 800

симости от годовой амплитуды

700

Р50

колебания температуры рель-

600

сов, приведены на графике

500

(рисунок 1.2) и в таблице 1.9.

400

При определении сжимающих 300

сил стыковое сопротивление 90 91 92 93 94 95 96 97 98 °C 100

для рельсов типа Р50 принято

T

А 120 кН, Р65 и Р75 – 160 кН. Рисунок 1.2 – Сжимающие силы, возникающие

Однако могут приниматься и

в пути при установке нормальных стыковых

другие значения стыкового со-

зазоров

противления.

22

Значения сжимающих температурных сил возрастают с увеличением типа

рельсов и годовой амплитуды колебания температуры. При этом наибольшие

сжимающие силы в условиях Беларуси могут достигать 850–1000 кН, что

представляет угрозу устойчивости рельсошпальной решетки и может при-

вести к выбросу звеньевого пути в момент наступления максимальных рас-

четных или близких к ним температур только в крутых кривых радиусом

менее 400 м.

Таблица 1.9 – Сжимающие силы, возникающие в пути при установке нормальных

стыковых зазоров

В килоньютонах

Годовая амплитуда колебания температуры рельсов, ºС

Тип рельсов

90 95 100 Р50 338 502 666

Р65 443 648 853

Р75 556 792 1028

Все вышесказанное относится к случаю, когда при укладке пути замеряет-

ся температура рельса, а стыковые зазоры устанавливаются в точном соответ-

ствии с фактической температурой. При установке зазоров, отличающихся от

рекомендуемых, условия работы стыковых соединений осложняются, а воз-

никающие при этом фактические растягивающие или сжимающие темпера-

турные силы затрудняют работу 25-метровых рельсов и могут привести к

тяжелым последствиям.

Назначение стыковых зазоров больше нормальных облегчает работу

рельсов летом вследствие уменьшения сил торцевого давления при наступ-

лении максимальных температур. Вероятность выколов головки рельсов в

стыке при этом уменьшается, что следует считать положительным. Однако

зимой работа 25-метровых рельсов осложняется, так как конструктивная

величина стыкового зазора появляется раньше, чем температура достигает

своего минимального расчетного значения. Дальнейшее понижение темпе-

ратуры раскрывает стыковой зазор больше конструктивного и приводит к

изгибу болтов, что является нерациональным.

Проанализируем, какие дополнительные температурные силы возникнут

в 25-метровых рельсах на костыльном скреплении при укладке их в путь с

зазорами, отличающимися от нормальных. На закрытие стыкового зазора от

21 до 0 мм или для раскрытия его от 0 до 21 мм требуется перепад температуры

л_к

21

∆t 71 ºС.

бl 0,295

_св = = =

Для изменения длины 25-метрового рельса на 1 мм потребуется перепад температуры

1/(αl) = 1/0,295 = 3,4 ºС.

23

Тогда температурную продольную силу, передаваемую на болты в мо-

мент наступления минимальной расчетной температуры, можно определить,

пользуясь следующей зависимостью:

λ − λ λ − λ

ф н ф н

∆P = αEF = EF , (1.23)

б

αl l

где λ_ф – величина фактически установленного стыкового зазора, м;

λ_н – величина нормального стыкового зазора при данной температуре, м.

Ошибка в установке стыковых зазоров на 1 мм вызывает появление сил,

изгибающих и срезающих стыковые болты по одной рельсовой нитке в

рельсах типа Р50, Р65 и Р75 соответственно 55,4; 69,4 и 79,8 кН.

С увеличением ошибки в назначении стыковых зазоров при укладке

25-метровых рельсов до 2 мм типа Р65 и Р75 температурные силы, срезаю-

щие болты, составляют соответственно 140 и 160 кН. Такие значительные

температурные силы в зимнее время могут привести к срезу болтов и раз-

рыву стыков 25-метровых рельсов, что представляет угрозу безопасному

движению поездов. Если при этом путь будет недостаточно закреплен от

угона, то в рельсах возникнут еще большие температурные растягивающие

силы, величина которых находится в прямой зависимости от величины уго-

на. В результате несовершенства противоугонной системы и несвоевремен-

ной замены негодных противоугонов срез болтов и разрыв стыков может

произойти при небольших отрицательных значениях температуры, т. е. за-

долго до наступления минимальной расчетной температуры.

Установка стыковых зазоров меньше нормальных приводит к более бы-

строму закрытию зазоров и вызывает увеличение сил торцевого давления.

При этом дополнительные температурные сжимающие силы, возникающие

по одной рельсовой нитке в момент наступления максимальных расчетных

температур,

λ − λ

н ф

∆P = EF . (1.24)

б

l

Условные обозначения приведены выше. Следовательно, дополнитель-

ные сжимающие силы и силы, изгибающие или срезающие стыковые болты,

одинаковы при одной и той же ошибке, т. е. при λ_н – λ_ф = λ_ф – λ_н. Зависи-

мость этих сил от величины ошибки при установке стыковых зазоров, отли-

чающихся от нормальных, приведена на рисунке 1.3 и в таблице 1.10.

Назначение стыковых зазоров меньше нормальных облегчает работу

рельсов зимой. Даже в момент наступления минимальной расчетной темпе-

ратуры зазоры не достигают конструктивной величины, что является ра-

циональным. В результате этого уменьшается динамическое воздействие

24

подвижного состава на

2000 путь в зоне стыка. Однако

кН

Р75 эксплуатация пути летом

значительно осложняет-

Р65

1500

ся, так как увеличение сил торцевого давления

Р50 1000

способствует более ин-

тенсивному появлению

ДP ,

с

выколов головки рельса с ДP

500

б

торцов. Наличие выколов

в последующие зимы при- водит к значительному

0 2 4 6 8 мм 10

увеличению фактического

Д

стыкового зазора. Кроме

Рисунок 1.3 – Дополнительные силы

того, наличие сжимаю-

(сжимающие и растягивающие), кН, щих сил не позволяет при

возникающие в пути при установке зазоров, высоких температурах

отличающихся от нормальных

проводить большинство работ, связанных с ослаблением устойчивости рель-

сошпальной решетки (рихтовка, выправка или подъемка пути и т. д.). Вы-

полнение этих работ следует проводить рано утром или днем при пасмур-

ной погоде. При определенных условиях увеличение сил торцевого давле-

ния сверх допускаемых может привести к нарушению устойчивости пути.

Таблица 1.10 – Дополнительные температурные силы, возникающие в пути в

результате установки зазоров, отличающихся от рекомендуемых

В килоньютонах

Величина, на которую фактические зазоры отличаются от рекомендуемых, мм

Тип рельсов

2 4 6 8 10

Р50 222 444 666 888 1110

Р65 278 556 834 1112 1390

Р75 319 638 957 1276 1595

Существующие схемы закрепления пути от угона не всегда обеспечива-

ют должную стабилизацию железнодорожного пути на участках с высокой

грузонапряженностью, а также на однопутных участках в местах интенсив-

ного торможения. Наличие угона в еще большей мере осложняет работу

стыковых соединений и температурную работу 25-метровых рельсов, уве-

личивая в отдельных местах сжимающие продольные силы, а вместе с тем и

опасность выброса пути.

Сами по себе дополнительные сжимающие силы не представляют боль-

шой опасности для устойчивости рельсошпальной решетки даже при ошиб-

25

ке в установке зазоров до 8 мм (см. таблицу 1.10 и рисунок 1.3). Возникающие

при этом дополнительные силы достигают 1300 кН, что меньше критиче-

ской силы по условию выброса пути на прямых. Однако в пути фактически

имеются значительные сжимающие силы (силы стыкового сопротивления и

торцевого давления) даже при установке нормальных стыковых зазоров,

соответствующих данной температуре (см. рисунок 1.2 и таблицу 1.9). Эти

силы резко увеличиваются в результате установки стыковых зазоров, отли-

чающихся от рекомендуемых, особенно на нестабилизированном или не-

достаточно закрепленном от угона пути.

1.7 Определение суммарных сжимающих и растягивающих

температурных сил

Возможные суммарные температурные силы состоят из фактических

сжимающих или растягивающих сил в пути, возникающих при установке

нормальных стыковых зазоров, и дополнительных сил, возникающих в ре-

зультате установки или наличия в пути зазоров, меньше или больше нор-

мальных соответственно.

Фактические сжимающие силы в пути летом

⎛ − л − R ⎞

N_сж . (1.25)

= 2бEF⎜T к ⎟

А

⎝ ⎠

бl бEF

Фактические растягивающие силы в пути зимой при условии исключе- ния работы на изгиб стыковых болтов будут состоять только из сил стыко-

вого сопротивления:

N_раст = R.

К фактическим сжимающим и растягивающим температурным силам

необходимо прибавить дополнительные температурные силы, возникающие

в пути в результате ошибки при установке нормальных стыковых зазоров

(см. таблицу 1.10). Полученные суммарные силы не должны превышать

допускаемых для данной конструкции верхнего строения пути.

1.8 Пример определения условий эксплуатации и режима работы

25-метровых рельсов для Гомельской дистанции пути

1.8.1 Исходные данные

Участок звеньевого пути (длина рельсов 25 м, тип рельса Р65, накладки

6-дырные) на деревянных шпалах и костыльном скреплении находится на

Гомельской дистанции Белорусской железной дороги (t_max = +57 ºC,

t_min = –35 ºC).

26

1.8.2 Определение годовой температурной амплитуды,

позволяющей эксплуатировать 25-метровые рельсы

без сезонных разгонок и регулировок стыковых зазоров

По формуле (1.1) рассчитаем допускаемую амплитуду, позволяющую

эксплуатировать 25-метровые рельсы без сезонных разгонок и регулировок

стыковых зазоров для Гомельской дистанции:

— без изгиба стыковых болтов –

[Т] = 71 + 8 + 0 + 38 + 0 – 7 = 110 °C;

— с 7-градусным изгибом –

[Т] = 71 + 8 + 0 + 38 + 7 – 7 = 117 °C.

Эти же значения можно было определить по таблицам 1.4 и 1.5. Резуль-

таты сводим в таблицу 1.11.

Таблица 1.11 – Допускаемые температурные амплитуды

Годовая температурная амплитуда для Гомельской дистанции

Т 35) 92 ºС.

_А = t −t = 57 − (− =

max min

Сравниваем значение Т_А со значениями, полученными в таблице 1.11. В

каждой строке находим зоны, при которых Т_А > [T], и отделяем их жирной

линией. Для тех кривых, значения допускаемых амплитуд которых распо-

ложены справа от жирной линии при заданном типе рельсов и стыковом

скреплении, необходимо выполнять работы по сезонным регулировкам

стыковых зазоров. Для тех значений, которые расположены слева от прове-

денной жирной линии, такие работы выполнять не придется.

На основании таблицы 1.11 можно утверждать, что для Гомельской дис-

танции пути выполнение работ по сезонным регулировкам стыковых зазо-

ров при эксплуатации звеньевого пути с 25-метровыми рельсами типа Р65 и

шестидырными накладками может потребоваться только при конструктив-

ном зазоре 21 мм в кривых радиусом менее 350 м и при режиме работы

звеньевого пути без включения стыковых болтов в работу на изгиб.

27

1.8.3 Построение частной таблицы стыковых зазоров

для Гомельской дистанции пути

Частную таблицу нормальных стыковых зазоров для Гомельской дистан-

ции пути (таблица 1.12) строим на основании общей (см. таблицу 1.6).

Таблица 1.12 – Частная таблица нормальных зазоров для Гомельской дистанции

пути (тип рельса Р65)

0 +44 +51 +51 +58

1 +41 +48 +48 +55

2 +38 +44 +45 +51

5 +35 +41 +42 +48

4 +31 +38 +38 +45

5 +27 +35 +34 +42

6 +23 +31 +30 +38

7 +20 +27 +27 +34

8 +17 +23 +24 +30

9 +13 +20 +20 +27

10 +10 +17 +17 +24

11 +6 +13 +13 +20

12 +3 +10 +10 +17

15 –1 +6 +6 +13

14 –4 +3 +3 +10

15 –7 –1 0 +6

16 –10 –4 –3 +3

17 –14 –7 –7 0

18 –17 –10 –10 –3

19 –20 –14 –13 –7

20 –24 –17 –17 –10

21 –27 –20 –20 –13

22 – –24 – –17

23 – –27 – –20

1.8.4 Построение графиков изменения стыковых зазоров

для Гомельской дистанции пути

На рисунке 1.4 приведены графики изменения стыковых зазоров без из-

гиба и с 7-градусным изгибом стыковых болтов для Гомельской дистанции

пути при конструктивном зазоре, равном 21 мм.

28

а) 8 °C 8 °C

л_к=21мм –35 –27 –19

20

10

5

5 °C

36 44 52

t_min= –35 °C –20 –10 10 20 30 40 50 t_max= 57 °C

0 71 °C

20

10

5

t_min= –35 °C –20 –10 0 10 20 30 40 50 t_max= 57 °C

71+7 = 78 °C

Рисунок 1.4 – Графики изменения стыковых зазоров

для Гомельской дистанции пути при конструктивном стыковом зазоре 21 мм:

а – без изгиба стыковых болтов; б – с 7-градусным изгибом

При эксплуатации звеньевого пути без изгиба стыковых болтов нулевой

стыковой зазор будет образовываться при температуре +52 ºС, а перепад

температуры, вызывающий появление торцевого давления, будет равен 5 ºС

(см. рисунок 1.4, а).

При включении стыковых болтов в работу на 7-градусный изгиб (см. ри-

сунок 1.4, б) имеет место недоиспользование стыкового зазора – линия за-

крытия стыковых зазоров выходит за пределы температурного прямоуголь-

ника, т. е. при максимальной температуре зазор больше нуля (пунктирная

линия), что явно нецелесообразно ввиду того, что зимой зазор раскрывается

29

до своего конструктивного значения и включаются в работу на изгиб сты-

ковые болты, а летом даже при наступлении максимальной расчетной тем-

пературы зазоры в пути не будут равны нулю и будут отсутствовать сжи-

мающие силы. В этом случае построение графиков изменения стыковых зазоров производят из условия λ = 0 при t_max. При наступлении минималь-

ной расчетной температуры будет иметь место 5-градусный изгиб стыковых

болтов, который не вызовет их разрыва (рисунок 1.5). Зазоры в этом случае

устанавливаются в соответствии с таблицей 1.13.

5 °C 8 °C 8 °C 71 °C

20

10

5

41 49 57

0

t_min= –35 °C –20 –10 10 20 30 40 50 t_max= 57 °C

Рисунок 1.5 – Графики изменения стыковых зазоров

для Гомельской дистанции пути исходя из условия λ = 0 при t_max

при конструктивном стыковом зазоре 21 мм

Таблица 1.13 – Частная таблица нормальных зазоров для Гомельской дистанции

пути (тип рельса Р65, накладки шестидырные) при условии

исключения сжимающих температурных сил

Температура Температура Температура

рельса, рельса, рельса,

Нормальный Нормальный Нормальный

соответствующая соответствующая соответствующая

зазор, мм зазор, мм зазор, мм

стыковому стыковому стыковому

зазору, °С зазору, °С зазору, °С

0 –8 8 –34 16 –61

1 –11 9 –37 17 –65

2 –14 10 –41 18 –69

3 –18 11 –44 19 –73

4 –21 12 –48 20 –76

5 –24 13 –51 21 –79

6 –28 14 –55 22 –82

7 –31 15 –58 23 –86

30

На рисунке 1.6 приведены графики изменения стыковых зазоров без из-

гиба и с 7-градусным изгибом для Гомельской дистанции пути при конст-

руктивном стыковом зазоре, равном 23 мм.

20

10

5

t_min= –35 °C t_max= 57 °C

–20 –10 0 10 20 30 40 50

78 °C

20

10

5

t_min= –35 °C t_max= 57 °C

–20 –10 0 10 20 30 40 50

7+78 = 85 °C

Рисунок 1.6 – Графики изменения стыковых зазоров

для Гомельской дистанции пути при конструктивном стыковом зазоре 23 мм:

а – без изгиба стыковых болтов; б – с 7-градусным изгибом

При конструктивном стыковом зазоре 23 мм (см. рисунок 1.6, а и б) при эксплуатации звеньевого пути без изгиба и с изгибом стыковых болтов в

31

обоих случаях стыковой зазор используется не полностью (пунктирная ли-

ния). Это говорит о том, что в случае эксплуатации 25-метровых рельсов

типа Р65 с шестидырными накладками в условиях Гомельской дистанции

пути с годовой амплитудой температур, равной 92 °С, фактические годовые

изменения длины рельсов будут компенсироваться конструктивной величи-

ной стыкового зазора 23 мм. При этом также отсутствует необходимость

включения стыковых болтов в работу на изгиб. В этом случае построение

графиков изменения стыковых зазоров также производят из условия λ = 0

при t_max (см. таблицу 1.13). При этом при наступлении минимальной расчет-

ной температуры стыковой зазор раскроется не полностью (рисунок 1.7,

пунктирная линия), что благоприятно скажется на условиях работы звенье-

вого пути, т. к. исключается работа стыковых болтов на изгиб, а также

уменьшается динамическое воздействие подвижного состава на путь в зоне

стыка.

78 °С л

_к = 23 мм

20

10

8 °C 8 °C 5

41 49 57

t_min= –35 °C –20 –10 0 10 20 30 40 50 t_max= 57 °C

Рисунок 1.7 – Графики изменения стыковых зазоров

для Гомельской дистанции пути исходя из условия λ = 0 при t_max

при конструктивном стыковом зазоре 23 мм

1.8.5 Определение сжимающих и растягивающих температурных сил

для Гомельской дистанции пути

При проведении промера стыковых зазоров звеньевого пути установлено,

что в районе Гомеля, где t_max = +57 °С, t_min = –35 °С, при температуре 5 °С

средний стыковой зазор 25-метровых рельсов типа Р65 на прямой по обеим

рельсовым нитям оказался равным 8 мм.

32

Требуется проверить работоспособность железнодорожного пути в лет-

них и зимних условиях и наметить меры для обеспечения безопасности

движения поездов.

По зависимости (1.19) определяем, что наибольшие сжимающие темпе-

ратурные силы в момент наступления максимальной расчетной температу-

ры, при F = 82,65 см² = 82,65·10^–4 м², составят

N_сж = 2·0,0000118·2,1·10¹¹·82,65·10^–4(57 – 5 – 8/0,295) = 1019 кН.

Такие сжимающие силы не нарушат устойчивость рельсошпальной ре-

шетки, поэтому эксплуатация пути с такими зазорами в летних условиях на

прямых не создает трудностей, т. к. N_сж = 1019 кН < N_к = 1560 кН (см. таб-

лицу 1.8).

Растягивающие силы определим по формуле (1.21), но перед этим про-

верим выполнение условия (1.22):

–35 – 5 + (21 – 8)/0295 = 4,1 > 0.

Так как условие не выполняется, то это говорит о том, что изгиб болтов

будет отсутствовать даже при минимальной расчетной температуре. Иными

словами, в момент наступления минимальной температуры стыковые зазо-

ры не будут достигать конструктивного значения, что облегчает взаимо-

действие пути и подвижного состава в зоне стыка. Поэтому зимой в работе

25-метровых рельсов никаких затруднений не ожидается.

Для оптимизации температурной работы пути необходимо рекомендо-

вать увеличить стыковые зазоры за счет их разгонки или регулировки.

Если опасное состояние зазоров будет обнаружено весной, то разгонка

или регулировка зазоров должна быть проведена немедленно. Если же

такое положение имело бы место осенью, то производство этих работ мо-

жет быть перенесено на весеннее время, так как зимой обеспечивается

нормальная эксплуатация железнодорожного пути. Увеличивать или

уменьшать стыковые зазоры в каждом конкретном случае необходимо до

их рекомендуемой величины для фактической температуры. В данном

случае необходимо на 3–4 мм уменьшить величину стыковых зазоров, так

как в районе Гомеля температуре 5 °С соответствует нормальный стыко-

вой зазор 11 мм. При этом сжимающие и растягивающие силы соответст-

венно составят

N_сж = 2·0,0000118·2,1·10¹¹·82,65·10^–4(57 – 5 – 11/0,295) =

= 602 618 Н = 603 кН,

N_раст = 2·0,0000118·2,1·10¹¹·82,65·10^–4[–35 – 5 + (21 – 11)/0,295] =

= 249934 Н = 250 кН.

Значит, летом сжимающие силы в этом случае уменьшаться с 1019 до

603 кН, а зимой же стыковые болты будут изгибаться силой

33

250 – R = 250 – 160 = 90 кН,

но особых трудностей это не вызовет, т. к. при наличии таких растягиваю-

щих сил в пути среза болтов не произойдет.

1.8.6 Расчет влияния ошибки при установке зазоров

Фактические температурные силы с учетом ошибки при установке сты-

ковых зазоров в районе Гомеля, где годовая амплитуда колебания темпера-

туры рельсов составляет 92 °С, определяем по формуле (1.24) с учетом до-

полнительных сил по таблице 1.9. Так, например, фактическая температур-

ная сжимающая сила

⎛ − −

л R ⎞

N_факт = 2 ⎜ к ⎟ ¹¹·82,65·10^–4 (92 –

бEF T

А = 2·0,0000118·2,1·10

⎝ ⎠

бl бEF

а с учетом ошибки при установке нормальных зазоров в 2 мм –

N_сум = 540 + 278 = 818 кН.

Результаты расчета сводим в таблицу 1.14.

Таблица 1.14 – Суммарные сжимающие температурные силы с учетом установки

зазоров, меньше рекомендуемых

В килоньютонах

Величина, на которую фактические зазоры отличаются от рекомендуемых, мм

Тип рельсов

2 4 6 8 10 Р65 818 1096 1374 1652 1930

Неточная установка стыковых зазоров, увеличивая температурные силы

в пути, повышает вероятность нарушения устойчивости рельсошпальной

решетки летом и среза болтов или разрыва стыков в зимнее время.

Как видно из таблицы 1.14, для района Гомеля с годовой амплитудой

колебания температуры рельсов 92 °С ошибка в 8 мм является недопусти-

мой, так как может привести к выбросу пути на прямых, не говоря уже о кри-

вых участках пути.

Следовательно, для обеспечения бесперебойного движения поездов и

нормальной работы железнодорожного пути при укладке 25-метровых рель-

сов необходимо повсеместно более тщательно устанавливать рекомендуе-

мые стыковые зазоры в соответствии с фактической температурой рельсов и

своевременно устранять появившиеся отступления.

34

2 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ СТЫКОВЫХ ЗАЗОРОВ

И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ

ЗВЕНЬЕВОГО ПУТИ

2.1 Общие сведения

Эксплуатация 25-метровых рельсов с существующим конструктивным

зазором на Белорусской железной дороге вызывает определенные трудно-

сти. В зимнее время возрастают случаи среза болтов или разрыва стыков,

приводящие к перерыву движения и другим недопустимым последствиям.

Летом при наступлении максимальных расчетных или близких к ним тем-

ператур происходят выбросы звеньевого пути, которые могут привести к

авариям и крушениям поездов.

В настоящее время сплошные промеры стыковых зазоров звеньевого пу-

ти проводятся два раза в год: весной и осенью. Работники путевого хозяйст-

ва должны уметь анализировать фактическое состояние стыковых зазоров,

определять необходимость применения тех или иных неотложных мер по

разгонке и регулировке зазоров, обеспечивающих надежную работу звенье-

вого пути и высокий уровень безопасности движения поездов.

В существующих нормативных документах, определяющих условия ус-

тановки и содержание стыковых зазоров отсутствуют жесткие требования к

точности начальной установки зазоров и их последующего содержания в

процессе эксплуатации. Указанные документы не полностью отвечают тре-

бованиям практики эксплуатации 25-метровых рельсов, содержат некото-

рые неопределенные, противоречивые рекомендации и в известной степени

устарели.

2.2 Анализ состояния стыковых зазоров

На заданном километре анализу подвергаются стыковые зазоры 25-метро-

вых рельсов по обеим рельсовым ниткам, замеренные при сплошной про-

верке состояния зазоров и фиксированной температуре рельсов. Вначале

отмечается, что зазоры по левой нитке изменяются от λ_min до λ_mах, превы-

шают или не превышают фактические стыковые зазоры конструктивную их

величину. Аналогичный вывод делается и по правой нитке. Затем строится

гистограмма состояния стыковых зазоров 25-метровых рельсов, которая

характеризует их на период сплошного промера при фактической темпера-

туре рельсов.

При построении гистограммы в зависимости от фактического состояния

стыковых зазоров назначается не менее 7–8 интервалов с шагом через каж-

дые 2–4 мм с таким расчетом, чтобы охватить весь диапазон значений сты-

ковых зазоров указанного километра.

Установление закономерностей, которым подчиняются массовые, слу-

чайные явления, основано на изучении статистических данных о том, какие

значения принял в результате наблюдений интересующий исследователя

35

признак, в нашем случае – величина стыкового зазора. Изучение статиче-

ских данных начинается с их группировки.

Для построения интервального вариационного ряда необходимо опреде-

лить величину интервала, установить полную шкалу интервалов, в соответ-

ствии с ней сгруппировать результаты наблюдений. Для определения опти-

мальной величины интервала (h), т. е. такой, при которой построенный ин-

тервальный ряд не был бы слишком громоздким и в то же время позволял

выявить характерные черты рассматриваемого явления, можно использо-

вать формулу Стерджеса

h = (X_max – X_min)/k, (2.1)

где X_max и X_min – соответственно максимальное и минимальное значения стыково-

го зазора, мм;

k – число интервалов разбиения выборки,

k ≈ 1+3,322lgn; (2.2)

n – число анализируемых зазоров.

Если h окажется дробным числом, то за величину интервала следует

взять ближайшее целое число. За начало первого интервала рекомендуется

принимать величину, равную (X_min – h/2). Тогда, если a_i – начало i-го интер-

вала, то a₁ = X_min – h/2; a₂ = a₁ + h; a₃ = a₂ + h и т. д.

Построение интервалов продолжают до тех пор, пока начало следующе-  го по порядку интервала будет равным или большим X_mах. Для удобства

число интервалов, как правило, не должно быть меньше семи и больше три-

надцати.

После установления шкалы интервалов следует приступать к группиров-

ке результатов наблюдений. Для этого просчитывают количество наблюде-

ний, попавшее в каждый из интервалов. В интервал включаются варианты,

большие, чем нижняя граница интервала и меньшие или равные верхней

границе интервала. Общее количество результатов наблюдений, попавшее в

какой-либо интервал, и будет определять его частоту.

Далее необходимо определить числовые характеристики рассматривае-

мой случайной величины.

Математическое ожидание, характеризующее среднее значение величи-

ны зазора,

M[X]= ∑

x , (2.3)

_i p

i i

где p_i – вероятность появления зазора величиной x_i.

Дисперсия – мера рассеивания значений величины зазора относительно

ее математического ожидания, определяемая по формуле

∑ _i − = ∑ − . (2.4)

D[X]= (x M[X ])² p x² p (M[X ])²

i i i i

Среднее квадратическое отклонение, характеризующее степень разброса

значений величины зазора,

36

σ[X]= D[X ] . (2.5)

Статистический анализ величины зазоров на рассматриваемом километ-

ре пути позволяет определить:

— среднее значение величины стыковых зазоров;

— среднеквадратическое отклонение, характеризующее степень разброса

значений величины зазора;

— медиану, то есть такое значение стыкового зазора, при котором равно-

вероятно, что величина зазора будет больше или меньше этого значения;

— дисперсию, характеризующую степень разброса значений;

— минимальное и максимальное наблюдаемое значение зазора.

Подбор закона распределения (нормального распределения) выполняет-

ся для уровня значимости 0,95.

Графическое изображение вариационного ряда позволяет представить в

наглядной форме закономерности варьирования значений признака. Для

построения гистограммы, служащей для изображения только интервального

вариационного ряда, в прямоугольной системе координат по оси абсцисс

откладывают отрезки, изображающие интервалы варьирования, и на этих

отрезках, как на основании, в определенном масштабе, строят прямоуголь-

ники с высотами, равными частотам соответствующего интервала. В ре-

зультате построения получается ступенчатая фигура, состоящая из прямо-

угольников, которая называется гистограммой (рисунок 2.1).

Если по оси абсцисс выбрать та-

н

2

кой масштаб, чтобы ширина интер- 20

н

вала была равна единице, а по оси

15

1

ординат считать, что единица мас-

10

штаба соответствует одному на-

н

k

5 блюдению, то очевидно, что пло- щадь гистограммы равна общему

Интервал _k– _k+1

(a a (a a ] … (a a ]

₁– ₂] ₂– ₃

числу наблюдений, если по оси ор-

Частота н н … н

динат откладывались частоты, и

1 2 k

равна единице, если откладываются

Рисунок 2.1 – Гистограмма интервального

частости.

вариационного ряда

2.3 Определение и построение

попикетных фактических сжимающих перепадов температур

Результаты сплошного весеннего промера состояния стыковых зазоров

25-метровых рельсов анализируются с целью определения надежной работы

звеньевого пути в момент наступления максимальных расчетных или близ-

ких к ним температур. Для этого производится расчет фактических перепа-

дов температур от момента появления нулевого зазора на пикете до наступ-

ления максимальной расчетной температуры. Один зазор не может оказы-

вать существенного влияния на работоспособность звеньевого пути, он все-

37

гда может откорректироваться и измениться за счет соседних зазоров. По-

этому за расчетный принимается средний зазор на пикете, на протяжении

которого может сформироваться и произойти выброс рельсошпальной ре-

шетки.

Определение фактических сжимающих перепадов температур или пере-

падов температур от момента появления нулевого зазора до наступления

максимальной расчетной температуры рельсов производится по следующей

зависимости:

∆t_сж = t_max – (t + λ_ср/αl) = t_max – t – 3,4λ_ср, (2.6)

где t – температура, при которой осуществляется замер зазоров, ºС;

λ_ср – средний зазор на пикете по обеим рельсовым нитям, мм;

3,4 – перепад температур, при котором 25-метровый рельс изменяет свою

длину на 1 мм.

Средний зазор на пикете

Σλ^п_i^р + Σλ^лев

λ = i , (2.7)

ср

8

Σλ и лев

пр Σλ – сумма зазоров на пикете соответственно по правой и левой

i i

ниткам, мм.

По результатам расчетов строятся попикетные графики фактических

сжимающих перепадов температур на заданном километре (рисунок 2.2),

которые сравниваются с допускаемыми (см. таблицу 1.3).

На графике фактиче-

t ¹ ,°C

ских сжимающих перепа-

сж [ t ]

пр

у

дов температур t_сж пункти-

t² ,°C

ром проводятся значения

сж

сж

t ³ ,°C

[ t⁶⁰⁰]

у

t_y, допускаемые по устой-

t¹⁰,°C

сж

чивости звеньевого пути на прямой и в кривых радиу-

[ t ]

300 у

сом 600 и 300 м, если не  задан конкретный радиус

кривой (см. рисунок 2.2).

Анализируя график фак-

тических сжимающих и

ПК1 ПК2 ПК3 … ПК10

допускаемых сжимающих перепадов температур по

Рисунок 2.2 – График попикетных

устойчивости пути делает-

сжимающих перепадов температуры

ся вывод об угрозе нару-

шения устойчивости рельсошпальной решетки на каждом пикете при на-

ступлении максимальных или близких к ним температур.

38

2.4 Построение графика максимальных стыковых зазоров

Результаты сплошного осеннего промера состояния стыковых зазоров

анализируются с целью прогнозирования нормальной работы звеньевого  пути в момент наступления минимальной расчетной температуры t_min, а

также для определения неотложных работ по разгонке или регулировке

стыковых зазоров.

Максимально возможный стыковой зазор по обеим рельсовым ниткам в

зимнее время

λ = λ_ф + λ’, (2.8)

где λ’ – величина, на которую раскроется стыковой зазор при понижении тем-

пературы от температуры замера t до минимальной расчетной t_min, мм,

λ’ = αl(t – t_min) = 0,295(t – t_min); (2.9)

λ_ф – фактический стыковой зазор по правой или левой рельсовой нитке, мм;

t – температура, соответствующая фактическому зазору (температура

замера стыкового зазора) ºС.

Максимально возможные стыковые зазоры, определенные по каждой

рельсовой нитке, откладываются в обе стороны от линейки измеренных за-

зоров на километре в каждом стыке (рисунок 2.3). Обычно фактические

стыковые зазоры откладываются в масштабе 1:1. В принятом масштабе

проводится пунктирная горизонтальная линия, характеризующая величину

конструктивного сты-

кового зазора. Макси-

л_к = 21 мм

мально возможные сты-

ковые зазоры в зимнее

время сравниваются с

конструктивными и де-

лаются соответствую- щие выводы:

л₁ л₂ л₃ л₄ л

₅ л₆ л₇ л₈ … … … … л₃₇л₃₈л₃₉л₄₀ Левая нитка

1) фактический за-

t_з, °С ПК1 ПК2 ПК10

… зор больше или мень-

Правая нитка л л л л

л ₅ л₆ л₇ л₈ … … … … л₃₇л₃₈л₃₉л₄₀

1 2 3 4

ше конструктивного;

2) может ли про- изойти срез болтов и разрыв стыков;

3) нужно ли прово-

дить неотложные рабо- л_к = 21 мм

ты по разгонке или ре-

Рисунок 2.3 – График раскрытия стыковых зазоров

гулировке стыковых за-

при наступлении минимальной расчетной температуры

зоров.

При раскрытии стыкового зазора сверх конструктивной величины вклю-

чаются на изгиб стыковые болты, которые по мере дальнейшего понижения

39

температуры до определенного значения могут быть срезаны, что, несо-

мненно, приведет к разрыву стыков.

Наибольший перепад температуры, изгибающий стыковые болты в мо-

мент наступления минимальной расчетной температуры,

∆t_изг = t_min – t + 3,4(λ_к – λ_ф). (2.10)

Формула справедлива при отрицательном значении правой части.

2.5 Анализ надежности работы звеньевого пути

На основании расчетов и анализа состояния стыковых зазоров весеннего

промера прогнозируется надежность работы звеньевого пути на заданном

километре по устойчивости пути и даются рекомендации о необходимости

выполнения неотложных работ по разгонке и регулировке стыковых зазо-

ров. При наличии угона проводят дополнительные сплошные промеры сты-

ковых зазоров 25-метровых рельсов накануне ожидаемого наступления экс-

тремальных или близких к ним температур.

На основании анализа зазоров осеннего промера и построения графика

ожидаемого раскрытия зазоров зимой, даются выводы и рекомендации о

надежности работы звеньевого пути в момент наступления минимальных

расчетных температур, а также о необходимости неотложных работ по раз-

гонке и регулировке стыковых зазоров на пикетах и в стыках, где возможен

срез болтов или разрыв стыков.

2.6 Пример анализа состояния стыковых зазоров

2.6.1 Исходные данные

Участок звеньевого пути (длина рельсов 25 м, рельсы типа Р65, накладки

6-дырные) на деревянных шпалах и костыльном скреплении длиной 1 км

находится на Гомельской дистанции пути Белорусской железной дороги

(t_max = +57 ºC, t_min = –35 ºC). Даны стыковые зазоры, определенные при весен-

нем сплошном промере при температуре t_з = +5 ºC (таблица 2.1).

Таблица 2.1 – Результаты замера стыковых зазоров при температуре +5 ºC

Л. н. 7 2 9 9 4 4 12 5 7 4 3 6 10 8 13141314 7 6 1110 5 8 7 11 9 1210 9 1713141516 5 3 4 1 2

ПК 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Пр. н. 1 5 2 5 1 4 1 7 6 5 5 1 5 7 2 3 10 8 3 5 12 3 4 10 5 2 3 12 2 4 2 4 6 5 4 5 1 8 6 3

Примечание – Л. н. – левая нитка, пр. н. – правая нитка.

2.6.2 Анализ состояния стыковых зазоров на заданном участке

Оцениваем общее состояние зазоров. В рассматриваемом примере отме-

чаем, что зазоры по левой нитке изменяются от 1 до 17 мм, а по правой нит-

40

ке – от 1 до 12 мм (см. рисунок 2.1), и не превышают конструктивного зна-

чения зазора.

Установим закономерности, которым подчиняются величины зазоров на

заданном участке. Изучаем статистические данные – сведения о том, какие

значения принимает величина зазора в результате наблюдений.

Вначале построим столбцовую диаграмму наблюдаемых значений вели-

чины зазора. Группировку ее значений выполним с помощью интервального

статистического ряда. Для этого определим число интервалов разбиения

выборки, а также длину и границы интервалов статистического ряда непрерыв-

ной случайной величины зазора по формулам (2.2) и (2.1):

k ≈ 1+3,322lg80 ≈ 7,3 интервалов; h = (17 – 1)/7 = 2,3.

В результате число интервалов должно быть не менее 7 через 2 мм.

Подсчитываем частоты и частости попадания выборочных значений

случайной величины зазора в тот или иной полуинтервал, результаты сво-

дим в таблицу 2.2. На основании полученных данных строим столбцовую

диаграмму (рисунок 2.4).

Таблица 2.2 – Интервальный статистический ряд

Интервал,

0–2 2–4 4–6 6–8 8–10 10–12 12–14 14–16 16–18

мм

Частота 13 16 17 10 9 6 6 2 1

Частость 0,1625 0,2000 0,2125 0,1250 0,1125 0,0750 0,0750 0,0250 0,0125

20

15

10

5

Интервал 0–2 2–4 4–6 6–8 8–10 10–12 12–14 14–16 16–18

Частота 13 16 17 10 9 6 6 2 1

Рисунок 2.4 – Гистограмма состояния стыковых зазоров

Определим по формуле (2.3) математическое ожидание. При этом веро-

ятность появления зазора будем определять как отношение частоты его по-

явления на общее количество измерений.

M[X] = (1·6/80 + 2·7/80 + 3·7/80 + 4·9/80 + 5·10/80 + 6·7/80 + 7·6/80 +

+ 8·4/80 + 9·4/80 + 10·5/80 +11·2/80 +12·4/80 + 13·3/80 + 14·3/80 +

+ 15·1/80 + 16·1/80 + 17·1/80) = 6,6 мм.

Далее по формуле (2.4) определим дисперсию:

41

D[X] = (1²·6/80 + 2²·7/80 + 3²·7/80 + 4²·9/80 + 5²·10/80 + 6²·7/80 + 7²·6/80 +

+ 8²·4/80 + 9²·4/80 + 10²·5/80 +11²·2/80 +12²·4/80 + 13²·3/80 + 14²·3/80 +

+ 15²·1/80 + 16²·1/80 + 17²·1/80) – 6,6² = 16,44 мм².

По формуле (2.5) определяем среднеквадратическое отклонение:

σ[X]= 16,44 = 4,1 мм.

Статистический анализ величины зазоров на рассматриваемом километ-

ре пути позволяет сделать следующие выводы:

— при объеме выборки 80 зазоров среднее значение их величины состав-

ляет 6,6 мм;

— среднеквадратическое отклонение, характеризующее степень разброса

значений величины зазора составляет 4,1 мм, что довольно велико;

— оценка медианы – 5,0 мм, то есть равновероятно, что величина зазора

будет больше или меньше 5 мм;

— оценка дисперсии, характеризующей степень разброса значений, –

16,44 мм²;

— минимальное наблюдаемое значение зазора равно 1, а максимальное –

17 мм.

Подбор закона распределения (нормального распределения) выполняет-

ся для уровня значимости 0,95. Для рассматриваемого километра можно

утверждать, что с вероятностью 0,95 (при данной температуре и технологии

обслуживания пути) средняя величина зазора будет принадлежать интерва-

лу (2,5; 10,7). Все отклонения средних значений зазора (на других участках)

от указанного интервала можно считать существенными.

2.6.3 Определение и построение

попикетных фактических сжимающих перепадов температур

для заданного участка пути

Определим фактические сжимающие перепады температур по формуле

(2.6), при этом предварительно по формуле (2.7) необходимо рассчитать

средний зазор на пикете. Для первого пикета получим

λ_ср = (7 + 2 + 9 + 9 + 1 + 5 + 2 + 5)/8 = 5,0 мм;

t_сж = 57 – 5 – 3,4·5,0 = 35 ºС.

Расчет на других пикетах производим аналогично. Результаты сводим в

таблицу 2.3.

Таблица 2.3 – Расчет сжимающих перепадов температур

Пикеты λ_ср, мм t_max, ºС t_з, ºС t_сж, ºС Пикеты λ_ср, мм t_max, ºС t_з, ºС t_сж, ºС

1 5,0 35 6 7,9 25

2 4,8 36 7 7,6 26

3 4,6 +57 +5 36 8 7,6 +57 +5 26

4 7,8 25 9 8,8 22

5 8,3 24 10 3,5 40

42

По результатам расчетов строим попикетные графики фактических сжи-

мающих перепадов температур ∆t_сж на заданном километре (рисунок 2.5, а),

которые необходимо сравнить с допускаемыми. На графике проводим пунк- тиром значения [∆t_y], допускаемые по устойчивости звеньевого пути с рель-

сами типа Р65 на прямой и в кривых радиусом 600 и 300 м, для которых t_y

соответственно равны 38, 30 и 16 °С.

Анализируя график фактических и допускаемых сжимающих перепадов температур по устойчивости пути можно отметить следующее:

— на прямой только на 10-м пикете фактический сжимающий перепад

температуры превышает допускаемое значение, что создает угрозу наруше-

ния устойчивости рельсошпальной решетки при наступлении максималь-

ных расчетных или близких к ним температур. На указанном пикете необ-

ходимо произвести разгонку или регулировку стыковых зазоров, т. е. увели-

чить на этом пикете зазоры до нормальной величины. На остальном протя-

жении километра летом будет обеспечиваться нормальная эксплуатация

25-метровых рельсов, поэтому дополнительных работ проводить не следует;

— в кривых радиусом 600 м и более фактические сжимающие перепады

температур, превышающие допускаемые, зафиксированы на 1, 2, 3 и 10-м

пикетах. Во избежание нарушения устойчивости звеньевого пути на этих

пикетах необходимо увеличить зазоры, произвести разгонку и регулировку

стыковых зазоров 25-метровых рельсов. На остальном протяжении можно

такую работу не выполнять;

— в кривых радиусом 300 м и менее опасность выброса пути имеется на

протяжении всего километра. Необходимо в процессе разгонки и регули-

ровки стыковых зазоров 25-метровых рельсов увеличить стыковые зазоры.

Анализируя состояние фактических зазоров, следует отметить, что уве-

личение зазоров потребуется только на правой рельсовой нити, где зазоры

намного меньше, чем по левой нитке, и имеется много близких к нулевым.

Если нет возможности отрегулировать величину стыковых зазоров за счет

зазоров смежных пикетов, то для обеспечения нормальной эксплуатации

звеньевого пути потребуется один или два рельса со стандартным укороче-

нием. При этом в месте укладки укороченных рельсов необходимо обяза-

тельно отрегулировать стыковые зазоры.

Аналогичный анализ можно произвести по определению работы 25-метро-

вых рельсов в кривых участках пути любого другого радиуса, по результа-

там которого планируется выполнение работ по разгонке и регулировке

стыковых зазоров для предупреждения выброса пути летом.

2.6.4 Построение графика максимально возможных

стыковых зазоров для заданного участка пути

Согласно формуле (2.9) дальнейшее раскрытие зазора при понижении температуры от температуры замера до минимальной расчетной составит

λ’ = 0,295(t – t_min) = 0,295(5 – (–35)) = 12 мм.

43

44

Полученную величину нужно прибавить к каждому стыковому зазору на рассматриваемом километре. Для первого пикета получим:

по левой рельсовой нитке по правой рельсовой нитке

λ₁ = 7 + 12 = 19 мм, λ₁ = 1 + 12 = 13 мм,

λ₂ = 2 + 12 = 14 мм, λ₂ = 5 + 12 = 17 мм,

λ₃ = 9 + 12 = 21 мм, λ₃ = 2 + 12 = 14 мм,

λ₄ = 9 + 12 = 21 мм, λ₄ = 5 + 12 = 17 мм.

Аналогично рассчитываем зазоры и для остальных пикетов. Результаты

расчета максимально возможных стыковых зазоров при наступлении мини-

мальной расчетной температуры приведены на рисунке 2.5, б.

Анализируя результаты расчетов максимального раскрытия стыковых

зазоров в зимнее время, отмечаем, что по правой нитке, за редким исключе-

нием, фактические зазоры не достигнут своего конструктивного значения.

Для зимних условий эксплуатации 25-метровых рельсов такое состояние

зазоров является благоприятным: снижается уровень динамического воз-

действия колес подвижного состава на рельсы в зоне стыка, снижаются рас-

стройства пути и подвижного состава, а также выход рельсов и ходовых

частей подвижного состава и т. д. Однако состояние зазоров для летних ус-

ловий эксплуатации 25-метровых рельсов является неудовлетворительным.

Почти на всем протяжении километра по правой нитке, за исключением 17,

18, 21, 24, 28 и 38-го зазоров, потребуется увеличить все стыковые зазоры

на 5–8 мм. Эту работу следует перенести на весенний период и окончатель-

ное заключение о необходимости выполнения разгонки и регулировки сты-

ковых зазоров, состояние которых изменится и произойдет перераспределе-

ние нулевых и растянутых зазоров под воздействием температурных сил и

сил угона, сделать после сплошного весеннего промера стыковых зазоров.

По левой рельсовой нитке на 4, 5, 8 и 9-м пикетах все зазоры необходи-

мо уменьшить, так как стыковые зазоры в зимнее время могут достигать

28–29 мм. Такое состояние стыковых зазоров, безусловно, может привести к

срезу болтов и разрыву стыков, поэтому регулировку стыковых зазоров на

указанных пикетах необходимо произвести до наступления зимних холодов.

Сказанное справедливо для эксплуатации звеньевого пути без изгиба бол-

тов. С учетом включения стыковых болтов на 7-градусный изгиб в выводы

и рекомендации вводятся соответствующие коррективы. При эксплуатации

25-метровых рельсов с 7-градусным изгибом болтов облегчается темпера-

турная работа в летний период, а зимой приводит к увеличению стыкового

зазора и динамического воздействия колес подвижного состава в зоне

стыка.

45

3 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ

РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ

3.1 Общие сведения

Основное отличие бесстыкового пути от звеньевого состоит в том, что в

рельсовых плетях действуют значительные продольные силы, вызываемые

изменениями их температуры относительно температуры закрепления [5].

Величина температурных сил не зависит от длины плетей. Вместе с тем их

увеличение до длины блок-участка, одного или нескольких перегонов по-

зволяет резко уменьшить количество уравнительных пролетов и стыков, а

соответственно и более слабых участков пути, наиболее подверженных ин-

тенсивному расстройству.

Температурная работа бесстыкового пути определяется погонным и сты-

ковым сопротивлениями температурным деформациям рельсовых плетей.

Указанные сопротивления в свою очередь зависят от натяжения стыковых,

закладных и клеммных болтов. Несмотря на широкое внедрение путевых

машин и механизмов, не всегда и не везде обеспечивается надежное закреп-

ление клеммных и закладных болтов, что является одной из причин неста-

бильного положения железнодорожного пути и его неравномерного угона

относительно смежных створов. До сего времени отсутствует простая и на-

дежная аппаратура для замера температурных фактических продольных

сжимающих и растягивающих сил. Поэтому наиболее приемлемым является

организация наблюдений за продольными перемещениями рельсовых пле-

тей относительно смежных створов. При сокращении длины 100-метрового

участка рельсовой плети появляются дополнительные сжимающие про-

дольные силы, а при увеличении его длины – дополнительные растягиваю-

щие температурные силы.

Наблюдения за работой бесстыкового пути начинаются с момента его

устройства. Особой заботой работников дистанции пути должно быть пре-

дотвращение угона плетей бесстыкового пути, который вызывает наруше-

ние установленного температурно-напряженного режима их работы и мо-

жет привести к опасным концентрациям растягивающих или сжимающих

напряжений в плетях.

3.2 Порядок разбивки створов

С момента закрепления плетей при укладке должен быть организован по-

стоянный контроль за усилиями прижатия рельсов к основанию и за продоль-

ными подвижками плетей. На наличие угона плетей указывают следы клемм

на подошве рельсов, смещение подкладок по шпалам. На наличие угона всей

рельсошпальной решетки, а соответственно и плетей, указывает взбугривание

или неплотное прилегание балласта к боковым граням шпал и их перекос.

46

Контроль за угоном плетей осуществляется по смещению контрольных

сечений рельсовой плети относительно «маячных» шпал. Эти сечения отме-

чают поперечными полосами шириной 10 мм, наносимыми при помощи

трафаретов несмываемой светлой (белой) краской: на подкладку, на верх

подошвы и шейку рельсов внутри колеи в створе с боковой гранью под-

кладки подкладочных скреплений (рисунок 3.1, а); на шпалу, на верх по-

дошвы и шейку рельсов в створе с боковой гранью верхней площадки шпа-

лы для бесподкладочных скреплений (рисунок 3.1, б) [6]. На участках с за-

грязнением рельсовых плетей внутри колеи разрешается наносить риски с

наружной стороны колеи.

Направление движения Направление движения

а) б)

Рисунок 3.1 – «Маячная» шпала для контроля смещения рельсовой плети

для подкладочных (а) и бесподкладочных (б) скреплений

В качестве «маячной» шпалы выбирается шпала, расположенная напро-

тив пикетного столбика. Расстояние от конца плети до первой «маячной»

шпалы не должно превышать 60–95 м. «Маячная» шпала всегда должна

быть хорошо подбита. При скреплениях КБ-65 закладные болты на ней

должны быть затянуты, а типовые клеммы заменены клеммами с умень-

шенной высотой ножек. Независимо от конструкции скреплений резиновые

или резинокордовые подрельсовые прокладки на «маячных» шпалах заме-

няются полиэтиленовыми или другими с низким коэффициентом трения.

Оборудование «маячных» шпал производится до укладки плетей, а нане-

сение рисок на плетях – сразу же после ввода их в оптимальный интервал

закрепления.

Основной обязанностью дорожного мастера и бригадира пути должно быть

обеспечение достоверности контроля за подвижками плетей. Для этого, до про-

изводства работ, при которых может произойти смещение «маячной» шпалы,

необходимо заменить на участках бесстыкового пути со скреплениями КБ-65

полиэтиленовые прокладки и укороченные клеммы на типовые, обеспечить на

всех «маячных» шпалах нормативное прижатие рельсов, и зафиксировать по-

ложение рисок на рельсах относительно «маячных» шпал до и после работ.

Контроль за продольными перемещениями плети по «маячным» шпалам

может быть дополнен контролем по поперечным створам, закрепленным

47

постоянными реперами, в качестве которых могут быть использованы опо-

ры контактной сети, искусственные сооружения, специально врытые в

грунт столбики, отрезки рельсов и другие неподвижные сооружения около

пути. Створ образуется леской, натягиваемой между двумя расположенны-

ми друг против друга реперами. Начальное положение плети относительно

лески фиксируется на нерабочей грани головки рельса масляной краской.

Согласно техническим указаниям [6] при обнаружении на «маячных»

шпалах смещений контрольных сечений рельсов до 15 мм необходимо про-

верить на участке состояние скреплений. При смещениях до 20 мм следует

определить изменения расстояний между смежными контрольными сече-

ниями, учитывая размер и направление смещения. Перемещение плети по

ходу километров считается положительным, против хода – отрицательным.

Изменение расстояний между смежными контрольными сечениями опреде-

ляют следующим образом: от значений перемещений относительно после-

дующего створа (a_n) отнимают с учетом знака значение перемещения отно-

сительно предыдущего створа (a_n–1) по формуле

∆l = a_n – a_n–1. (3.1)

Если изменения (удлинения или укорочения) 100-метрового участка ме-

жду «маячными» шпалами не превышают 26 мм, можно ограничиться вы-

полнением вышеуказанных мер, но при этом необходимо произвести изме-

нение температуры закрепления плети на угнанном участке. Если же рас-

стояние между контрольными сечениями изменилось больше чем на 26 мм,

то это свидетельствует о значительном отклонении фактической температу-

ры закрепления плетей от первоначальной, наблюдаемой при закреплении

плетей на постоянный режим работы. В этом случае необходимо выполнить

регулировку напряжений, которая должна производиться при температуре

плетей, равной или меньшей их температуры закрепления.

Плановое закрепление (подтягивание) клеммных и закладных болтов

скрепления КБ-65 на участках с грузонапряженностью до 25 млн т·км брут-

то/км пути в год должно производиться с периодичностью осенью один раз

в год, а при грузонапряженности более 25 млн т·км брутто/км пути в год –

не реже 2 раз в год.

Дополнительный контроль затяжки гаек клеммных и закладных болтов производится на участках, где появляется угон плетей.

3.3 Определение дополнительных сил от угона пути

Локальный угон рельсовой плети относительно створов или угон всей плети приводит к появлению дополнительных растягивающих или сжи-

48

мающих температурных сил. Указанные дополнительные и расчетные тем-

пературные силы в момент наступления экстремальных или близких к ним

температур способны нарушить устойчивость бесстыкового пути летом или

вызвать разрыв рельсовой плети в зимнее время. Поэтому для обеспечения

надежной эксплуатации бесстыкового пути и безопасности движения поез-

дов с максимальными установленными скоростями необходимо знать ха-

рактер и величину продольных перемещений рельсовых плетей относитель-

но смежных створов. Фактические напряжения σ_ф, возникающие при этом,

не должны превышать допускаемых [σ]:

σ_ф = σ_t + σ ≤ σ , (3.2)

[ ] доп

где σ_t – температурные продольные напряжения, МПа,

σ_t = α ∆ ; (3.3)

E t

где ∆t – разность между фактической температурой плети t_ф и температурой

ее закрепления t_з, ºС;

σ_доп – дополнительные напряжения, вызванные внешними силовыми воз-

действиями, МПа.

Дополнительные температурные напряжения от неравномерного угона

рельсовых плетей относительно смежных створов прямо пропорциональны

величине угона 100-метрового участка [7], и могут быть определены на ос-

новании закона Гука по следующей зависимости:

∆l

σ_доп = ± E, (3.4)

l

где ∆l – фактический угон рассматриваемого 100-метрового участка пути

относительно смежных створов, мм;

l – расстояние между смежными створами, мм.

Зависимость дополнительных температурных напряжений от величины

угона 100-метрового участка относительно смежных створов приведена на

рисунке 3.2.

125

0 10 20 30 40 мм 60

49

Из условия (3.2) можно определить допускаемые дополнительные на-

пряжения:

[у_доп ] =[у]− у [у] б . (3.5).

_t = − E∆t

В процессе эксплуатации бесстыкового пути на прямых или в кривых

участках пути несложно определить фактические сжимающие или растяги-

вающие температурные силы бесстыкового пути, состоящие на каждом

конкретном 100-метровом участке рельсовой плети из расчетных и допол-

нительных, и сравнить их с допускаемыми. Расчетные значения темпера-

турных сил для конкретной температуры зависят от температуры закрепле-

ния рельсовой плети. Дополнительные сжимающие или растягивающие

температурные напряжения зависят от величины угона 100-метрового уча-

стка рельсовой плети относительно смежных створов и могут быть с доста-

точной для практических целей точностью определены по графику (см. ри-

сунок 3.2) или же рассчитаны по формуле (3.4).

3.4 Определение допускаемых величин угона

Наибольшую опасность представляют дополнительные сжимающие

температурные силы, которые в сочетании с расчетными сжимающими

температурными силами в момент наступления максимальных расчетных

или близких к ним температур могут привести к выбросу железнодорожно-

го пути.

Для типовых конструкций бесстыкового пути на прямых и в кривых уча-

стках пути различных радиусов в литературе [5, 6] даны допускаемые пере-

пады температур по условию обеспечения устойчивости пути, а также по

прочности рельсов при сжатии и растяжении. Используя эти данные, можно

рекомендовать допуски перемещения от угона рельсовых плетей относи-

тельно смежных створов в зависимости от конструкции пути и плана линии.

Допускаемые значения перепада температур и сжимающих температур-

ных напряжений по условию устойчивости бесстыкового пути при различ-

ных конструкциях верхнего строения пути приведены в таблице 3.1. Пред-

полагается, что угон рельсовых плетей на пикете проявляется равномерно.

Оптимальный интервал закрепления рельсовых плетей для условий Бе-

лорусской железной дороги составляет 25–35 ºС. Разрядку или регулировку

температурных напряжений для исключения непроизводительных затрат и

повышения эффективности бесстыкового пути, следует производить только

при угрозе выброса пути. Поэтому целесообразно назначать допуски пере-

мещений рельсовых плетей относительно створов для нижней и верхней

границ оптимального интервала закрепления рельсовых плетей.

50

Таблица 3.1 – Допускаемые значения перепадов температур и сжимающих

температурных напряжений по условию устойчивости пути

По формуле (3.5) можно определить допускаемые напряжения от угона

100-метровых участков рельсовых плетей при различных условиях эксплуа-

тации для нижней и верхней границ оптимального интервала закрепления.

Затем по формуле (3.4) необходимо определить допускаемое значение уко-

рочения 100-метрового участка плети по условию его устойчивости при

наступлении максимальных или близких к ним температур.

3.5 Анализ надежности работы рельсовых плетей

Анализ перемещений 100-метровых участков бесстыкового пути выпол-

няется следующим образом. По формуле (3.1) определяют изменения длин

100-метровых участков. Знак «минус» указывает на укорочение рассматри-

ваемого участка плети (при этом в плетях возникают дополнительные сжи-

51

мающие напряжения), а знак «плюс» – на его удлинение (в плетях возника-

ют дополнительные растягивающие напряжения).

Полученное значение изменения длины 100-метрового участка сравни-

вается с допускаемым значением с учетом плана линии и температуры за-

крепления плетей. Выброс пути при наступлении максимальной расчетной

или близкой к ней температуры может произойти на 100-метровых участках

плети, на которых относительные укорочения превышают допускаемые

значения.

3.6 Пример прогнозирования надежности работы рельсовых плетей

для Гомельской дистанции пути

3.6.1 Исходные данные

Участок бесстыкового пути (рельсы Р65 на железобетонных шпалах)

длиной 1 км находится на Гомельской дистанции пути Белорусской желез-

ной дороги (t_max = +57 ºC, t_min = –35 ºC). Даны перемещения сечений плетей

бесстыкового пути относительно створов (рисунок 3.3), замеренные при тем- пературе рельсов t_зам = + 10 °С. Температура закрепления рельсовых плетей

t_з = + 25 °С.

+2 -5 -36 +8 -25 -34 +8 -18 -26 +11 +12 лев. н.

ПК1 ПК2 ПК3 ПК4 ПК5 ПК6 ПК7 ПК8 ПК9 ПК10 пр. н

+5 -15 -25 +3 +8 -32 -8 -16 -19 +3 +5

Рисунок 3.3 – Результаты замера перемещений сечений

рельсовых плетей относительно створов

3.6.2 Определение допускаемых величин угона по устойчивости

для Гомельской дистанции пути

Для того, чтобы определить допускаемые величины угона 100-метровых

участков рельсовых плетей по условию устойчивости [∆l], необходимо сна-

чала определить по формуле (3.5) допускаемые дополнительные напряже-

ния [σ_доп], вызываемые этим угоном. Их определяем соответственно для

нижней и верхней границ оптимального интервала закрепления, соответст-

венно 25 и 35 ºC. Значения допускаемых сжимающих температурных на-

пряжений [σ] для различных конструкций пути принимаем по таблице 3.1.

Из формулы (3.4) получаем формулу для определения допускаемого

угона:

[σ ]l

доп = σ

[∆l] = 0,476[ ]. (3.6)

доп

E

52

Тогда, например, для прямого участка получим:

— при t_з = 25 ºС –

[σ_доп] = 135 – 0,0000118·2,1·10⁶(57 – 25) = 55 МПа,

[∆l] = 0,476·55 ≈ 26 мм;

— при t_з = 35 ºС –

[σ_доп] = 135 – 0,0000118·2,1·10⁶ (57 – 35) = 80 МПа,

[∆l] = 0,476·80 ≈ 38 мм.

Результаты расчета сводим в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 – Допускаемые значения дополнительных сжимающих температурных

напряжений от угона и величины угона 100-метрового участка

рельсовой плети типа Р65

Допускаемые значения дополнительных сжимающих температурных

Температура напряжений от угона, МПа, и величины угона 100-метрового участка

закрепления, рельсовой плети типа Р65 в зависимости от плана линии, мм

ºC кривая радиусом, м

прямая

2000 1200 1000 800 600 500 400 350 +25 55,0/26 45,0/21 47,5/23 42,5/20 37,5/18 27,5/13 22,5/11 15,0/7 7,5/4

+35 80,0/38 70,0/33 72,5/35 67,5/32 62,5/30 52,5/25 47,5/23 40,0/19 32,5/16

Примечание – Эпюра шпал для прямого участка и кривых радиусом более 1200 м составля-

ет 1840 шт./км, для кривых радиусом 1200 м и менее – 2000 шт./км.

Увеличение [σ_доп] и [∆l] при значении радиуса 1200 м показывает, что

изменение эпюры до 2000 шт./км в кривых радиусом 1200 м и менее повы-

шает устойчивость пути к выбросу по сравнению с меньшей эпюрой.

3.6.3 Прогнозирование надежности работы бесстыкового пути

Рассчитаем величину угона 100-метровых участков рельсовых плетей,

исходя из полученных перемещений контрольных сечений:

Левая нить Правая нить

а₁ = –5 – 2 = –7 мм; а₁ = –15 – 5 = –20 мм;

а₂ = –36 – (–5) = –31 мм; а₂ = –25 – (–15) = –10 мм;

а₃ = 8 – (–36) = 44 мм; а₃ = 3 – (–25) = 28 мм;

а₄ = –25 – 8 = –33 мм; а₄ = 8 – 3 = 5 мм;

а₅ = –34 –(–25) = –9 мм; а₅ = –32 – 8 = –40 мм;

а₆ = 8 – (–34) = 42 мм; а₆ = –8 – (–32) = 24 мм;

а₇ = –18 – 8 = –26 мм; а₇ = –16 – (–8) = –8 мм;

а₈ = –26 – (–18) = –8 мм; а₈ = –19 – (–16) =–3 мм;

а₉ = 11 – (–26) = 37 мм; а₉ = 3 – (–19) = 22 мм;

а₁₀ = 12 – 11 = 1 мм; а₁₀ = 5 – 3 = 2 мм.

53

Полученные значения угона 100-метровых участков рельсовых плетей

необходимо сравнить с допускаемыми значениями, рассчитанными ранее и

приведенными в таблице 3.2.

На исследуемом участке бесстыкового пути допускаемые значения ве-

личины угона 100-метровых участков, создающие опасность выброса пути

при наступлении максимальной или близких к ней температур, превышены:

1) на прямом участке:

— по правой рельсовой нитке рассчитанные значения не превышают до-

пускаемых;

— по левой рельсовой нитке на ПК2 и ПК4;

2) на кривой R = 600 м:

— по правой рельсовой нитке на ПК2, ПК4 и ПК7;

— по левой рельсовой нитке на ПК1 и ПК5.

Если в процессе эксплуатации бесстыкового пути ожидается повышение

температур (как обычно в первую половину лета), то необходимо выпол-

нить работы по локальной разрядке температурных напряжений на указан-

ных пикетах.

Если же ожидается дальнейшее понижение температуры (обычно во

второй половине лета, когда не ожидается наступление высоких темпера-

тур), то работы по локальной разрядке температурных напряжений можно

не производить. В последствии, на основании весенних замеров в зависимо-

сти от величины угона 100-метровых участков рельсовых плетей, решается

вопрос о необходимости выполнения указанной работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Матвецов, В. И. Температурная работа железнодорожного пути : учеб.-метод. по-

собие. Ч. I / В. И. Матвецов; Белорус. гос. ун-т трансп. – Гомель : БелГУТ, 2007. – 166 с.

2 СТП 09150.56.010-2005. Текущее содержание железнодорожного пути. Техни-

ческие требования и организация работ : [утв. приказом начальника Белорусской

ж. д. от 29.06.2006 № 221Н]. – Мн., 2006. – 283 с.

3 ГОСТ 19128–73 Накладки двухголовые к рельсам типа Р50. Конструкция и

размеры. – Взамен части ГОСТ 4133–54 ; введ. 1975–01–01. – Мн. : Межгос. совет по

стандартизации, метрологии и сертификации; М. : Изд-во стандартов, 1973. – 8 с.

4 ГОСТ 8193–73 Накладки двухголовые к рельсам типов Р65 и Р75. Конструкция

и размеры. – Взамен ГОСТ 8193–56 ; введ. 1975–01–01. – Мн. : Межгос. совет по

стандартизации, метрологии и сертификации; М. : Изд-во стандартов, 1973. – 8 с.

5 Бесстыковой путь / В. Г. Альбрехт [и др.] ; под ред. В. Г. Альбрехта, А. Я. Ко-

гана. – М. : Транспорт, 2000. – 408 с.

6 СТП БЧ 56.269–2013. Бесстыковой путь. Устройство, укладка, содержание и

ремонт : [утв. приказом начальника Белорусской ж. д. от 19.08.2013 № 1028Н]. –

Мн., 2013. – 115 с.

7 Коган, А. Я. Оценка безопасности эксплуатации пути по условию выброса с

учетом его фактического состояния / А. Я. Коган [и др.] // Вестник ВНИИЖТа. –

2003. – № 2. – С. 15–19.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(справочное)

Содержание учебного материала дисциплины

«Правила технической эксплуатации и безопасность движения поездов»

Тема 1. Общие сведения

Структура управления транспортом и путевым хозяйством. Сокращенное наиме-

нование служб и должностей. Основные руководящие документы и нормативы лич-

ного участия руководства и предприятий Белорусской железной дороги в обеспече-

нии безопасности движения. Положение о дисциплине работников железнодорож-

ного транспорта Республики Беларусь.

Тема 2. Правила технической эксплуатации и нормативные документы

Правила технической эксплуатации – основной закон железнодорожного транс-

порта. Порядок изучения и периодичность проверки знаний Правил технической

эксплуатации в комиссиях. Общие обязанности железнодорожников. Габариты. Не-

габаритные грузы и порядок их перевозки. Правила размещения грузов и путевых

материалов около пути.

Сооружения и устройства пути. Требования, предъявляемые к ним Правилами

технической эксплуатации. Допустимые износы рельсов и стрелочных переводов,

нормы и допуски их содержания. Критерии и методика оценки состояния рельсов в

процессе эксплуатации. Неисправности стрелочных переводов. Особенности содер-

жания пути на участках, пропустивших сверхнормативный тоннаж. Роль работников

путевого хозяйства в обеспечении безопасного движения поездов.

Основные элементы рельсовых цепей автоблокировки. Сборные и клееболтовые,

композитные и металлокомпозитные изолирующие стыки с высокопрочными бол-

тами и тарельчатыми шайбами. Повышение надежности работы путевых устройств.

Зазоры изолирующих стыков.

Сооружения и устройства других служб. Их осмотр и ремонт. Раздельные пунк-

ты. Организация их работы. Подвижной состав. Нормативы содержания колес и

автосцепки. График движения поездов.

СТП 09150.56.010-2005. Текущее содержание железнодорожного пути. Техниче-

ские требования и организация работ.

Инструкция по движению поездов и маневровой работе на Белорусской желез-

ной дороге. Инструкция по сигнализации на Белорусской железной дороге. Сигналы,

их классификация и размещение на пути.

Тема 3. Температурная надежность звеньевого пути

Основы температурной работы 25-метровых рельсов. Влияние погонного и сты-

кового сопротивлений на температурную работу звеньевого пути.

55

Оптимальное стыковое сопротивление. Влияние фактических стыковых зазоров

на температурные силы, действующие в пути.

Определение условий эксплуатации и режима работы 25-метровых рельсов на

прямых и кривых. Анализ состояния зазоров и прогнозирование надежности работы

звеньевого пути.

Тема 4. Температурная надежность бесстыкового пути

Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыко-

вого пути на Белорусской железной дороге.

Особенности работы сверхдлинных плетей бесстыкового пути. Расчетный и оп-

тимальный интервал закрепления рельсовых плетей.

Организация наблюдений за перемещениями рельсовых плетей относительно створов и прогнозирование надежности работы бесстыкового пути.

Тема 5. Система управления безопасностью движения поездов

Анализ надежности работы пути и безопасности движения поездов в путевом хо-

зяйстве. Улучшение работы транспорта и повышение уровня безопасности движения

поездов. Приказ Начальника Белорусской железной дороги «О комплексной системе

управления безопасностью движения на Белорусской железной дороге».

Порядок формирования рабочих и хозяйственных поездов при путевых и восста-

новительных работах. Порядок выдачи предупреждений и ограждения мест произ-

водства работ на перегонах и станциях.

Классификация нарушений безопасности движения. Организация расследования

браков. Организация восстановительных работ. Обеспечение безопасности при пе-

ревозке опасных грузов.

Организационные меры профилактики нарушений безопасности движения поез-

дов при эксплуатации и ремонтах пути. Критерии прочности и устойчивости пути по

условиям взаимодействия пути и отдельных элементов его верхнего строения в про-

цессе эксплуатации по мере наработки тоннажа.

Учебное издание

МАТВЕЦОВ Виктор Иванович

КЕБИКОВ Александр Анатольевич

МИРОШНИКОВ Николай Евгеньевич

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Учебно-методическое пособие

Редактор И. И. Эвентов Технический редактор В. Н. Кучерова

Компьютерный набор, рисунки и верстка Н. Е. Мирошников

Подписано в печать 11.12.2013 г. Формат 60×84¹/₁₆.

Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать на ризографе.

Усл. печ. л. 3,26. Уч.-изд. л. 3,46. Тираж 300 экз.

Зак. № . Изд. № 1.

Издатель и полиграфическое исполнение

Белорусский государственный университет транспорта:

ЛИ № 02330/0552508 от 09.07.2009 г.

ЛП № 02330/0494150 от 03.04.2009 г.

246653, г. Гомель, ул. Кирова, 34.

СКАЧАТЬ PDF