Взаимодействие подвижного состава и элементов стрелки

Взаимодействие подвижного состава и элементов стрелки существенно отличается от взаимодействия подвижного соста­ва и пути вне стрелочных переводов. Характер движения под­вижного состава по рельсовому пути определен конструктив­ными особенностями самого железнодорожного пути (профиль и удельный вес рельсов, шпальная решетка и способ крепления к ней рельсов) и подвижного состава (профиль и геометричес­кие размеры колес, конструкция колесных пар, расстояние меж­ду колесами в тележке и между тележками, способ крепления корпуса экипажа на тележках и т. д.).

Колеса железнодорожных экипажей имеют коническую фор­му поверхности катания (рис. 4).

Такая форма необходима для обеспечения плавности движения и недопущения образования седлообразного износа колеса. Если бы колеса имели цилиндри­ческую поверхность катания, то любые неровности пути вызы­вали бы резкое перемещение колесной пары вбок (т. е. толчки), а образование седловин при износе таких колес приводило бы к значительному росту динамических сил и даже возникнове­нию ударных воздействий. Коническая форма поверхности ка­тания обеспечивает плавное и устойчивое движение экипажей благодаря возможности колеса двигаться по разному кругу ка­тания, сглаживая при этом влияние неровностей железнодорож­ного пути.

Для исключения вкатывания гребней колеса на рельсы гребни сопрягаются с поверхностью катания по кривой примерно такого же радиуса, по какому сопрягаются верхняя и бо­ковая грани головки рельса. Для облегчения перекатывания колес с остряка на рамный рельс (пошерстное движение экипа­жа по стрелке) профиль колес имеет переход коничности с 1/20 к 1/7. Для обеспечения свободного перекатывания колес с од­ного элемента стрелки и крестовины на другой служит фаска 6X6 мм у края колеса.

Площадка, которой колеса опираются на головку рельса, зависит от диаметра колеса: чем он меньше, тем меньше эта площадка, и, следовательно, тем большие напряжения возни­кают в рельсах. В связи с этим , диаметр колес локомотивов (1050—1220 мм) как более тяжелых подвижных единиц несколь­ко больше диаметра вагонных колес (950—1050 мм).

Колесные пары образованы глухой насадкой колес на одну ось. Будучи закрепленными к общей раме вагона или тележки, они остаются всегда параллельными друг другу. Это затруд­няет их вписывание в кривые, особенно малого радиуса. У раз­личных подвижных единиц (локомотивов, двух-, четырех-, шести-, восьмиосных вагонов) расстояния между колесными парами в тележке (жесткая база) и расстояния между центра­ми крайних колес экипажа (колесная база) различны, следо­вательно, различны и условия вписывания экипажей в кривые.

Следующей важной особенностью, определяющей характер взаимодействия пути и подвижного состава, являются конст­рукция экипажа, его крепление на тележках.

Любой экипаж состоит из неподрессоренной части и надрес­сорного строения, т. е. подрессоренной части. Обе части при движении экипажей колеблются во всех направлениях относи­тельно пути и по отношению друг к другу. Колебания подвиж­ного состава расстраивают путь, нарушают плавность хода. Они вызываются многими причинами, главной из которых являются неровности пути. Неровности могут возникать вследствие не­точной укладки пути, неравномерного износа рельсов, неравно- упругости рельсовых опор и т. п. Нередко причиной колебаний служат неровности на колесах экипажа.

В зависимости от конструктивных особенностей экипажа и пути могут возникать следующие виды колебаний подвижного состава: поперечная (боковая) качка, подпрыгивание, продоль­ная качка (галопирование), подергивание, боковой относ, ви­ляние. Неподрессоренные части совершают также колебания в вертикальной плоскости, главным образом в местах вертикаль­ных неровностей на рельсах. Иногда возникают и горизонталь­ные колебания этих частей.

Воздействия подвижного состава на путь характеризуются вертикальными и горизонтальными силами. Составляющими вертикальных сил при движении экипажей по рельсовому пути являются собственный вес экипажа (статическая нагрузка) и ряд дополнительных сил. Дополнительные силы возникают от колебаний надрессорного строения и неподрессоренных масс, а также от нагрузок, возникающих из-за неровностей пути и неровностей на колесе (ползуны, выбоины и др.). В кривых участках пути действуют дополнительные вертикальные силы, связанные с возвышением наружного рельса и поперечным воз­действием рамы экипажа на колесную пару. Дополнительные силы увеличиваются с ростом скорости движения. Кроме того, они зависят от конструкции подшипников колесных пар. По­скольку большая глубина неровностей на колесе допускается при подшипниках качения, по сравнению с подшипниками скольжения дополнительные силы при подшипниках качения почти в 2 раза больше.

Суммарное значение вертикальных сил, действующих на путь от подвижного состава, не является равнодействующей всех вертикальных сил из-за неодновременности и случайного характера их возникновения. Постоянна во времени только си­ла статического воздействия (осевая нагрузка). При определе­нии наибольшего вероятного значения действующих сил учи­тывается среднее значение этих сил и 2,5 среднего квадратич­ного отклонения. Полученное таким образом значение на прак­тике может оказаться превышенным всего в 0,6% случаях.

При больших скоростях дополнительные силы могут дости­гать значений, близких к статической нагрузке на ось (для электровоза ВЛ 10 она составляет 225 кН).

Горизонтальные силы, возникающие под движущимися по­ездами, могут быть поперечными и продольными. На прямых участках пути поперечные силы связаны с вилянием подвиж­ного состава и проявляются в виде сил трения.

Боковое воздействие колеса на рельс складывается из силы нажатия гребня на головку рельса и поперечной составляю­щей силы трения. При движении состава со скоростью 100— 200 км/ч боковые силы в среднем равны 40—50 кН, но могут достигать 100—120 кН [15].

Горизонтальные продольные силы возникают как от воздей­ствия колес подвижного состава, так и от температуры окру­жающей среды. Воздействие колес зависит от режима движе­ния поезда (режим тяги, движение по инерции, торможение). Во 7 всех случаях эти силы не превышают’ сил трения скольжения между колесом и рельсом. Например; при рекуперативном тор­можении могут возникать силы от 50 до 60 кН. Смещение рель­сов, вызываемое этими силами, называют угоном пути. Угон пути усугубляется температурными силами: Напряжения в рель­сах при повышении температуры могут порождать значитель­ные силы сопротивления перемещению рельсов по накладкам вдоль пути: от 5 до 300 Н на 1 см рельсовой нити.

Своеобразие конструкции стрелок изменяет* характер их взаимодействия с подвижным составом по сравнению с бесстрелочным путем. На коротком протяжении стрелочного перевода характеристики пути существенно меняются: изменяются шири­на колеи, жесткость рельсовых нитей и основания под ними. В пределах стрелочного перевода имеются такие неровности, которые присущи только им и связаны со спецификой их кон­струкции.

При движении экипажей по стрелке силовые нерав­номерности и геометрические неровности порождают дополни­тельные динамические силы, которые могут иметь ударный ха­рактер. Эти силы ведут к более быстрому износу металличес­ких частей перевода по сравнению с бесстрелочным путем и накоплению в них остаточных деформаций.

Геометрические неровности на стрелочном переводе имеются в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Острие остряка понижено относительно рамного рельса. По­этому при перекатывании с рамного рельса на остряк колесо, отжимаясь остряком от рамного рельса, катится по рельсу меньшим кругом катания и понижается (рис. 5).

Затем колесо полностью переходит на остряк в зоне его выравнивания с рамным рельсом и снова поднимается.

Эта неровность сле­дования колеса, по глубине достигающая 2 мм, возникает при любом направлении движения экипажа по стрелочному пере­воду.

Вертикальные неровности при перекатывании колес воз­никают также из-за интенсивного изменения ширины колеи в пределах стрелки (при этом колеса катятся по разному кругу катания), а также из-за неравномерности износа остряков и рамных рельсов. Глубина этих неровностей колеблется в пре­делах 1,5—3,5 мм.

Вертикальная неровность при перекатывании колес по крес­товине вызывает большие динамические силы, быстро изнаши­вающие сердечник и усовики крестовины.

Горизонтальные неровности возникают вследствие измене­ния ширины колеи вдоль стрелочного перевода, которое необ­ходимо по условиям вписывания подвижного состава. При ши­рине колеи основного пути 1524 мм ширина колеи у острия остряков и в переводной кривой по боковому пути 1536 мм. Поскольку основные типы стрелочных переводов перепроекти­рованы под ширину колеи 1520 мм, ширина колеи у острия остряков 1524 мм для стрелочных переводов типов Р65, Р75 и 1528 мм — для типа Р50 (в зависимости от марки крестовины в переводной кривой ширина колеи колеблется от 1520 до 1524 мм). Необходимость уширения колеи у острия остряков вызвана тем, что при движении на боковой путь направление движения у остряка изменяется под стрелочным углом. Чем больше стрелочный угол, тем должно быть большее уширение колеи в вершине этого угла, чтобы подвижной состав мог лег­ко проследовать это сечение перевода. Кроме того, на стрелке рамные рельсы должны расходиться друг от друга. Поскольку они уложены от переднего стыка стрелочного перевода, то у острия остряков ширина колеи больше, чем в переднем стыке.

При движении экипажа на боковой путь колеса ударяют в остряк с некоторой силой, зависящей от угла, под которым колесо набегает на остряк (угла удара), скорости движения, нагрузки на колесо и массы остряка. Эта сила возрастает по квадратичной зависимости с увеличением скорости и угла уда­ра. Кроме значительного износа и расстройства стрелки, эти силы могут вызвать всползание колес на остряк с последую­щим сходом с пути. Для обеспечения безопасного движения на боковой путь используют стрелочные переводы пологих ма­рок и увеличивают радиус кривизны остряка. Скорость движе­ния по боковому пути на обычных стрелочных переводах сни­жена и для переводов типа Р65 с маркой крестовины 1/11 не превышает 50 км/ч. Реальная скорость на боковой путь не пре­вышает 40 км/ч. Поскольку у криволинейных остряков угол удара колеса в остряк тем больше, чем больше зазор между гребнем колеса и рамным рельсом в момент накатывания ко­леса на остряк, то переход на колею 1520 мм несколько улуч­шил условия перекатывания колеса на остряк, уменьшив виля­ние состава в поперечном направлении и тем самым уменьшив вероятность накатывания гребня колеса на остряк при боль­ших зазорах между гребнем колеса и рамным рельсом.

В пределах стрелочного перевода есть особо жесткие узлы. К ним относятся корень остряка и крестовина. При переходе подвижного состава на узлы с резко отличающейся жесткостью возникают значительные дополнительные силы.

2—433                                                                                                                   9

Оценка вертикальных и горизонтальных сил, действующих от подвижного состава на путь в пределах стрелочного перево­да, необходима для: проверки прочности отдельных частей и узлов стрелочного перевода; определения упругих прогибов и боковых отжатий рельсовых нитей; определения условий без­опасности прохода экипажа без всползания колес на рельсы и распора рельсов; определения допустимых скоростей, движения по стрелочному переводу.

Нет общепризнанного метода расчета сил, возникающих в пределах стрелочного перевода, а расчет этих сил по методи­ке, существующей для пути вне переводов, не может быть ис­пользован полностью ввиду отмеченных особенностей конструк­ции стрелочных переводов. Однако экспериментальные иссле­дования во ВНИИЖТе, ДИИТе и ЛИИЖТе позволили полу­чить представление о величине вертикальных и горизонтальных сил, возникающих при проходе состава по стрелочному перево­ду. На основе этих исследований разработаны направления по повышению износостойкости элементов стрелки (в частности, крестовины), предложены принципиально новые конструкции крестовин с подвижным сердечником, существенно увеличива­ющие срок службы крестовин, обоснована возможность эксплу­атации стрелочных переводов на железобетонном основании (брусья, плиты), разработаны эффективные меры защиты от угона пути в пределах стрелочных переводов и многое другое.

В частности, в ДИИТе установлено, что вертикальные ди­намические силы воздействия подвижного состава на остряки и рамные рельсы могут превышать статическое давление эки­пажа в 1,1—2,3 раза. Конкретные значения коэффициента пре­вышения зависят от типа экипажа и скорости его движения и приведены в [15].

В ЛИИЖТе определено влияние углов удара и скорости движения

экипажа на горизонтальные силы. Эти силы колеб­лются от 50 до 260 кН. Для наиболее вероятных условий дви­жения на боковой путь они равны 120—130 кН.

При наличии вертикальной нагрузки боковая жесткость в различных сечениях перевода меняется от 10 до 80 кН/мм. Этим пределам изменения боковой жесткости соответствует измене­ние сил бокового давления от 50 до 200 кН. Вертикальные и горизонтальные силы воздействия подвижного состава вызы­вают деформации частей стрелочных переводов и напряжения в них.

В пределах стрелки наибольшие напряжения возникают в остряке, ведущем на боковой путь. Напряжение в наружной кромке подошвы остряка больше, чем во внутренней. Наиболь­шие напряжения наблюдаются в зоне остряка, близкой к се­чению, где ширина головки остряка 30 мм.

Вертикальные и горизонтальные силы воздействия подвиж­ного состава вызывают упругие смещения элементов стрелки: вертикальные прогибы рамных рельсов и остряков и их отжа­тие. Эти смещения зависят от типа стрелочного перевода (жест­кости рельсов), конструкции скреплений и упорных башмаков в зоне стрелки, скорости движения и от ряда других причин. Вертикальные и боковые прогибы (отжатия) рамных рельсов, как правило, составляют 3—7 мм. Во ВНИИЖТе при испыта­ниях зафиксированы отжатия рамного рельса, равные 9 мм (стрелочный перевод типа Р65 с маркой крестовины 1/11, ско­рость пошерстного движения с бокового пути 60 км/ч).