Проектирование и расчеты верхнего строения пути

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)»

(РУТ (МИИТ)

Курсовой проект

ПО ДИСЦИПЛИНЕ: «Железнодорожный путь»

НА ТЕМУ: «Проектирование и расчеты верхнего строения пути»

Выполнил: студент  4-го курса

Шохин А. В.

Шифр: 1640-ц/СЖс-3304

                                     Проверил преподаватель:

Москва 2020 г.

Содержание

Часть 1 Определение класса железнодорожного пути, конструкции, типа и характеристик его верхнего строения	3
Часть 2 Определение условий укладки бесстыкового пути	7
Часть 3 Расчеты рельсовой колеи	17
Литература	24

Часть 1. Определение класса железнодорожного пути, конструкции, типа и характеристик его верхнего строения

Исходные данные (2 группа, 1 вариант):

Грузонапряженность – 65 млн. ткм брутто на км в год

Максимальная скорость движения пассажирских поездов – 100 км/ч

Максимальная скорость движения грузовых поездов – 70 км/ч

Путь принадлежит 2 классу, входит в группу Б и категорию 3 (2Б3).

Классификация железнодорожных линий строится на основе двух основных критериев: скорости движения поездов (км/ч) и  грузонапряженности (млн.т. км.бр. /км в год).

Классы путей устанавливаются в соответствии с классификацией железнодорожных    линий,    утвержденной   распоряжением  ОАО «РЖД»   от    1 июля 2009 года № 1393р.  

Для целей определения класса пути  интервалы скоростей движения  в классификации обозначаются семью категориями, а интервалы грузонапряженности шестью группами.

  На двухпутных и многопутных участках классы путей устанавливаются одинаковыми с классом пути, имеющим большую грузонапряженность. 

  Перечень путей 1 и 2 классов утверждается Департаментом пути и сооружений ОАО «РЖД», 3-5 классов – начальниками железных дорог. Пересмотр и утверждение классов путей производится ежегодно по состоянию на 1 января на основании технического обоснования железных дорог.  

Непрерывная длина пути соответствующего класса, как правило, не должна быть менее длины участка движения с одинаковыми на всем его протяжении грузонапряженностью и установленными скоростями пассажирских или грузовых поездов (в зависимости от того, какая из них соответствует более высокому классу), без учета отдельных километров и мест, по которым уменьшена установленная скорость из-за кривых малого радиуса, временно неудовлетворительного технического состояния пути или искусственных сооружений, либо по другим причинам. 

Класс главных путей на станции должен соответствовать классу пути одного  (или обоих при их равенстве) из прилегающих перегонов. Классы пути отражаются дистанциями пути в технических паспортах и других формах отчетности.

Таблица - Классы путей на участках совмещенного движения

В зависимости от класса устанавливаются типы и характеристики верхнего строения пути и его элементов.

Для нового строительства типы верхнего строения пути устанавливаются нормативными документами [1] и [2].  При  реконструкции и капитальном ремонте следует пользоваться требованиями положения о системе ведения путевого хозяйства ОАО "РЖД" [3].  

Нормативно-технические требования к конструкциям и  элементам  верхнего строения  железнодорожного пути при его реконструкции:

На путях 1 класса укладываются рельсы Р-65 (новые, термоупрочненные, категории Т1, В), скрепления новые с упругой клеммой, шпалы железобетонные новые I сорта. Эпюра шпал: в прямых и кривых радиусом более 1200м - 1840 шт/км, в кривых радиусом 1200м и менее – 2000 шт/км.

Балласт щебеночный, щебень И1 и У75 с толщиной слоя не менее 40 см под ж/б шпалами. Размер балластной призмы в соответствии с типовыми поперечными профилями.

Конструкции и типы стрелочных переводов: Р-65 новые, марки 1/11, 1/9. Брусья железобетонные, новые.

Земляное полотно, искусственные сооружения и их обустройства должны удовлетворять максимальным допускаемым осевым нагрузкам, скоростям движения поездов и соответствовать требованиям Положения[3].

Нормативно-технические требования к конструкциям и элементам верхнего строения железнодорожного пути при капитальных ремонтах на новых материалах:

На путях 1,2 класса укладываются рельсы Р-65 (новые, термоупрочненные, категории Т1, В), скрепления новые с упругой клеммой, шпалы железобетонные новые I сорта. Эпюра шпал: в прямых и кривых радиусом более 1200м - 1840 шт/км, в кривых радиусом 1200м и менее – 2000 шт/км.

Балласт щебеночный с толщиной слоя: не менее 40 см - под железобетонными шпалами; не менее 35 см - под деревянными шпалами. Размер балластной призмы в соответствии с типовыми поперечными профилями.

Конструкции и типы стрелочных переводов: Р65 новые; рельсовые элементы закаленные. Брусья железобетонные новые.

Земляное полотно, искусственные сооружения и их обустройства должны удовлетворять максимальным допускаемым осевым нагрузкам и скоростям движения поездов в зависимости от групп и категорий путей.

Часть 2. Определение условий укладки бесстыкового пути

Исходные данные:

Тип рельсов – Р-65

Род балласта – песчано-гравийный

Радиус кривой – 600 м

Локомотив – ВЛ-23

Скорость движения – 60 км/ч

 –  +62

  –   -34

  –   -4

  –   12,5 м.

 20

Длина плети – 1100 м.

Возможность укладки бесстыкового пути в конкретных условиях устанавливается сравнением допускаемо температуры амплитуды  для данных условий с фактически наблюдавшейся в данной местности амплитудой колебаний температуры Т_А.

Если по расчету , то бесстыковой путь можно укладывать.

Значение Т_А определяется как алгебраическая разность наивысшей  и наинизшейтемператур рельса, наблюдавшихся в данной местности (при этом учитывается, что наибольшая температура рельса на открытых участках превышает на 20ºС наибольшую температуру воздуха):

Амплитуда допускаемых изменений температур рельсов:

где максимальный интервал температур, в котором окончательно закрепляются рельсовые плети,

допускаемое повышение температуры рельсов по сравнению с температурой их закрепления, определяемое устойчивостью против выброса пути при действии сжимающих продольных сил;

 – допускаемое понижение температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой закрепления, определяемое их прочностью при действии растягивающих продольных сил.

40+82-10=112

Из расчета,  бесстыковой путь укладывать можно.

2.1. Расчет повышенной и пониженной температуры рельсовых плетей, допустимых по условиям прочности и устойчивости.

Допускаемое повышение температуры рельсовых плетей  устанавливается на основании исследований устойчивости пути.

Допускаемое понижение температуры рельсовых плетей   определяется расчетом прочности рельсов, основанным на условии, что сумма растягивающих напряжений, возникающих от воздействия подвижного состава и от изменений температуры, не должна превышать допускаемого напряжения материала рельсов.

гдекоэффициент запаса прочности (1,3-для рельсов первого срока службы);

напряжение в кромках подошвы рельса под нагрузкой от колес подвижного состава, МПа (86,8 МПа);

 напряжение в поперечном сечении рельса от действия растягивающих температурных сил, возникающих при понижении температуры рельса по сравнению с его температурой при закреплении, МПа;

 допускаемое напряжение (для новых термоупрочненных рельсов – 400 МПа).

Напряжение в подошве рельса определяется по правилам расчета верхнего строения пути на прочность.

Температурное напряжение, возникающее в рельсе в связи с несостоявшимся изменением его длины при изменении температуры:

,

где коэффициент линейного расширения (=0,0000118 1/град);

модуль упругости рельсовой стали (210 ГПа=2,1⁵МПа);

 разность между температурой, при которой определяется напряжения, и температурой закрепления плети,

МПа

2.2. Расчет интервалов закрепления плетей.

Расчетный интервал закрепления плетей

Границы интервала закрепления, т.е. самую низкую  и наибольшую  температуры закрепления определяют по формулам:

При укладке плетей длиной более 800 м нижняя граница интервала закрепления должна быть не менее чем на 8 выше нижней границы, установленной для плетей обычной длины.

2.3. Расчет данных для принудительного ввода плетей в оптимальную температуру закрепления.

В случаях необходимости укладки рельсовых плетей при температуре рельсов ниже оптимальной, следует прибегнуть к способу принудительного ввода их в оптимальную температуру закрепления. Такой способ применяется и перед сваркой эксплуатируемых плетей, ранее уложенных и закрепленных при температуре ниже оптимальной.

Если укладка плетей производилась при температуре выше оптимальной, то с наступлением оптимальной температуры производится разрядка температурных напряжений.

Принудительный ввод плетей в оптимальную температуру выполняется с использованием гидравлических натяжных устройств или нагревательных установок и обязательным вывешиванием их на роликовые опоры или пластины.

Перед началом работ с использованием натяжных устройств должны быть выполнены расчеты по определению изменения длины плети  и прилагаемого усилия N, необходимого для удлинения плети.

Удлинение плети, мм, определяется по формуле:

,

где длина плети;

перепад между температурой первоначального закрепления или температурой рельсовых плетей при укладке и планируемой температурой закрепления.

При длинах плетей до 1250 м производится растяжение сразу всей плети. При больших длинах плетей или при наличии в пределах участка работ кривых, тем более S – образных, принудительный ввод их в оптимальную температуру производится полуплетями.

Необходимые усилия для создания расчетных удлинений в плетях  определяются из условия:

,

площадь поперечного сечения рельса, см² (для рельса Р-65 – 82,65)

 кН

Для обеспечения подвижности уравнительных стыков с обеих сторон от удлиняемой плети должны находиться анкерные участки. Рельсовые стыки, расположенные в пределах анкерных участков и прилегающие к ним, должны обеспечивать нормативное стыковое сопротивление продольному перемещению рельсов R_н=400 кН (для рельсов типа Р-65), что достигается затяжкой гаек стыковых болтов с крутящим моментом, равным 600 Н, а гайки клеммных болтов должны быть затянуты с крутящим моментом 150-200 Н

Длина анкерного участка, м, определяется по формуле:

где погонное сопротивление рельсов (при незамерзшем балласте  продольному перемещению в пределах анкерного участка.

Рисунок 2.1. Диаграмма температурного режима плетей

2.4. Расчет данных для ликвидации дефектных мест на плетях и сварки плетей между собой.

В зависимости от температуры, при которой производятся работы по ликвидации дефектных мест на плети, или сварки плетей между собой, используются различные технологии производства работ. 

При температурах больших, чем температура закрепления плети используется технология с предварительным изгибом плети, при температурах меньших, чем температура закрепления плети используется технология с использованием натяжных устройств с достаточным подтягивающим усилием.

Восстановление дефектной плети электроконтактной сваркой при температурах рельсов ниже температуры закрепления или сварки плетей между собой можно выполнять  без натяжного устройства, но с использованием ПРСМ с подтягивающими усилиями до 120 тс, из которых на растяжение плети для восстановления ее температуры закрепления на участке производства работ используется не более 70 Тс.

Для выполнения работ, включающих восстановление плети сваркой и восстановление температуры ее закрепления на участке производства работ необходимо определить длину участка производства работ по сварке, на котором необходимо восстановить температуру закрепления плети.

Поскольку изменение длины дышащего участка при изменении температуры равно половине изменения длины такого же участка в средней части плети, расчетная длина участка равна

l=

l=

Длину рельсовой вставки удобно принять из условия:

где  - расстояние между обрезанными концами плетей;

 - запас рельсового металла на сварку одного стыка (40 мм при электроконтактной технологии).

12,46

Длина дышащего участка в зависимости от разницы температуры закрепления плети и температуры, при которой производятся сварочные работы равна:

где  – температурная сила, возникающая в плети при перепаде температур относительнотемпературы её закрепления;

 – перепад температуры рельсовой плети при производстве работ относительно её температуры закрепления;

r – погонное сопротивление продольному сдвигу пути по одной рельсовой нити, принимаемое для стабилизированного балласта равным 12 кН/м, для нестабилизированного – 7кН/м.

При перепадах температуры сварки относительно температуры закрепления плети на величины t = 10; 15; 20 и 25соответственно равны 29,2; 43,8; 58,4 и 70,0.

Для того чтобы на участке производства сварочных работ l ввести плеть в температуру ее закрепления, участок необходимо удлинить на величину:

 =

Затем раскрепляем конец плети, примыкающий к месту сварки второго стыка в точке С на длине  равной 

где ,

После раскрепления плети на участке lр, укладываем рельсовую вставку и свариваем ее с концом плети в точке В.

Определяем общее удлинение раскрепленного конца плети, необходимое для восстановления температуры закрепления на участке производства сварочных работ и на участке раскрепления плети.

 =  + ,

где  =

По результатам контрольной сварки получено, что при сварке одного стыка укорочение свариваемых рельсов за счет оплавления металла составляют около =40мм. Эту величину необходимо вычесть из –)и производим сварку. После завершения сварки выдерживаем стык в течении 6 минут в сжатом состоянии. Затем сварочная головка убирается, сваренный стык обрабатывается. Плеть на всем протяжении АЕ раскрепляется, простукивается, а затем снова закрепляется с нормативной затяжкой болтов (шурупов). По завершении указанных работ сваренные стыки проверяются дефектоскопом и размечаются на расстоянии не менее 25,0 см от места сварки каждого стыка записываются их порядковые номера.

    Дата сварки, температура рельса при сварке, длина участка раскрепления и величина удлинения плети для восстановления температуры закрепления её на участке производства работ записываются  в журнал Учета службы и температурного режима рельсовых плетей.

    При восстановлении плети за счет замены дефектного участка рельсов длины вставок могут быть различными длиной до 10 м и более, в зависимости от вида, характера дефекта и местных условий. Если плети предназначены для сварки между собой (при устройстве бесстыкового пути длинной блок-участок или перегон), то они укладываются с небольшими вставками, как правило, длинной порядка 6,25м.

Рассмотрим сварку двух плетей при температуре на  =15ниже температуры закрепления плети с помощью вставки длинной  = 10 м.

 =  = 0,0000118*65160*15 = 13.8мм.

 =  = ,

 = 70 тс

Отсюда длина раскрепленного конца плети

 =

 Общее удлинение раскрепленного конца плети

  = 0,0000118* 125.16 *18 = 27 мм.

 = 13.8+27 = 40.8 мм.

С учетом укорочения рельсов при сварке на 40 мм разница между необходимым удлинением плети и укорочением при сварке составляет -27 мм, поэтому плеть не растягиваем и  производим сварку.

Часть 3. Расчеты рельсовой колеи.

Исходные данные:

Радиус кривой R, м– 1100

Максимальная скорость движения поездов, по кривой, км/ч:

Грузовых – 73км/ч

Пассажирских – 90 км/ч

Приведенная скорость поездопотока, км/ч – 50 км/ч

Угол поворота линии , град – 32

Единица подвижного состава –ВЛ23

Зона скорости - первая

3.1. Определение возвышения наружного рельса в кривой.

Возвышение устраивается в кривых участках пути радиусом 4000 м и менее. Максимальная величина возвышения не должна превышать 150 мм. Перерасчету подлежат возвышения в кривых, в которых наблюдается повышенный износ рельсов по одной из ниток, интенсивные расстройства по ширине колеи и направлению в плане, допускаемые скорости по возвышению и его отводу соответствуют друг другу, начало и конец отводов по кривизне и возвышению не совпадают более чем на 10 м, реализуемые скорости на 10-15% отличаются от максимальных, установленных дорожным приказом, или от ранее принятых при расчете возвышения, в том числе и из-за введения длительных ограничений скорости, а также в кривых на участках запланированных капитальных работ. Величина возвышения в круговой кривой определяется  начальником дистанции пути и утверждается начальником железной дороги.

Величина возвышения в кривой, мм, определяется по следующим формулам:

Для пассажирского поезда

для грузового поезда:

для потока поезда:

где  и  – максимальные скорости, км/ч соответственно пассажирского и грузового поезда, установленные в кривой по приказу начальника дороги;

 – приведенная скорость поездопотока, км/ч;

R – радиус кривой, м.

Из полученных величин возвышения принимается большее и округляется до значения, кратного 5 мм.

=30

Из полученных величин возвышение принимается большее и округляется до значения, кратного 5 мм.

3.2. Расчет основных элементов для разбивки переходной кривой.

Длина переходной кривой  зависит от принятого уклона отвода возвышения i, скорости движения, допустимой величины нарастания горизонтальных ускорений, допустимой скорости подъема колеса по наружному рельсу и т.д.

Допускаемое  в различных эксплуатационных условиях значения отвода возвышения i, скорости подъема колеса по наружному рельсу, величины нарастания непогашенных поперечных ускорений ψ, величины непогашенных ускорений приводятся в нормативных документах.

В данном случае принимаются следующие нормативы:

- уклон отвода возвышения рельса i = 0,001;

- величина нарастания ускорения _нп = 0,7 м/с²;= 0,4 м/с³;

- скорость подъема колеса по наружному рельсу 28 мм/с = 1/10 км/ч.

Из условия непревышения допустимого уклона i отвода возвышения наружного рельса

l₀₁ = h_p / i= 0,030 / 0,001=30 м

При скорости подъема колеса по наружному рельсу 28 мм/с = 1/10 км/чh₀ /l₀ =1/(10 Vmax).Отсюда:

l₀₂ =10* h₀*V_max =10*0,030*95 =27м

При = 0,4 м/с³:

l₀₃ = _нп*Vmax/ 3,6 =0,7*90/3,6*0,4=43,75 м

Наибольшая из l_01, l_02,  l₀₃ длина переходной кривой сравнивается со значением длины переходной кривой  l_0,  устанавливаемой СТНЦ-01-95 в зависимости от заданной величины радиуса R, категории линии и зоны скорости. Принимается l₀ =100м

Из четырёх определённых значений длины переходной кривой принимается наибольшая, то принимается длина переходной кривой l₀ =100м

Наибольшая из длин l₀₁, l₀₂, l₀₃ и l′₀ принимается за окончательное значение длины переходной кривой l0. Затем устанавливается новое значение крутизны отвода возвышения наружного рельса

i₀=h₀/l₀=0,03

Определяется параметр кривой

После установления длины переходной кривой определяются необходимые величины для разбивки переходной кривой (приложение 3, рисунок 3.1.).

Величина сдвижки р круговой кривой к центру:

м

Расстояние m от тангенсного столбика сдвинутой круговой кривой до начала переходной кривой по формуле:

Значение абсциссы X₀ и ординаты Y₀для конца переходной кривой по формулам:

Подсчет промежуточных ординат для X=10 м и 20 м производится по формуле:

Полная длина кривой определяется следующим образом:

где

3.3. Определение ширины колеи в кривой.

Необходимо определить для заданного экипажа оптимальную и минимальную допустимую ширину колеи в кривой радиуса R.

Ширина колеи на кривой определяется расчетом по вписыванию экипажа в заданную кривую, исходя из следующих условий:

- ширина колеи должна быть оптимальной, т.е. обеспечивать наименьшее сопротивление движению колес, наименьшие износы колес и рельсов;

- ширина колеи должна быть больше минимально допустимой S_min.

Оптимальная ширина рельсовой колеи S_опт на кривой радиусом R из условия вписывания тележки с трехосной жесткой базой L₀ определится следующим образом.

Обозначим ширину колесной колеи:

где Т- насадка колес, мм;

 толщина гребня колес, мм;

утолщение гребня выше расчетной плоскости, равное для вагонных колес 1 мм, для локомотивных колес 0.

Поскольку экипажем, требующим наибольшей ширины колеи, будет тот, который имеет , а допуск на сужение равен 4 мм, то

где 

угол наклона образующей гребня колеса к горизонту (для вагонного колеса 60º, для локомотивного 70º).

При определении минимально допустимой ширины S_minза расчетную принимается схема заклиненного вписывания экипажа, при которой наружные колеса крайних осей жесткой базы ребордами упираются в наружный рельс кривой, а внутренние колеса средней оси – в рельс внутренней нити.

К полученной на основании такой расчетной схемы ширине колеи прибавляется - минимальный зазор между боковой рабочей гранью колеса и гребнем рельса на прямом участке пути:

Определить Sопт и  Smin  при вписывании ВЛ23 в кривую R = 1100 м. Скорости на участке установлены до 90 км/ч. Кмах = 1509 мм, , ,

Согласно ПТЭ в кривой R=1050 м устанавливается ширина колеи 1520 мм.

Литература

1. Строительные нормы и правила Российской Федерации. Железные дороги колеи 1520 мм. СНиП 32-01-95. Минстрой России 1995 г.

2.  Железные дороги колеи 1520 мм. СТН Ц-01-95. М.: Министерство путей сообщения Российской Федерации, 1995.

3. Положение о системе ведения путевого хозяйства ОАО "Российские железные дороги". Утверждено распоряжением ОАО "РЖД" 02.05.2012 г. № 857р.

4. Приказ № 41 от 12.11.01 «Нормы допускаемых скоростей движения подвижного состава по железнодорожным путям колеи 1520 (1524) мм федерального железнодорожного транспорта. М.: Транспорт. 2001.

5. Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути, распоряжение №2788р от 29.12.2012года.

6. Положение о проведении реконструкции (модернизации) железнодорожного пути. Утверждено распоряжением ОАО "РЖД" 22.05.2009 г.  

7. Железнодорожный путь: Учебник / Е.С.Ашпиз, А.И.Гасанов, Б.Э.Глюзберг и. др.; Под ред. Е.С.Ашпиза - М.: ФГБОУ "Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте", 2013. - 544 с. 

8. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути, распоряжение №2288р от 14.11.2016года.