Проектирование и расчёты верхнего строения пути
Курсовой проект
«Железнодорожный путь»
ТЕМА
«Проектирование и расчёты верхнего строения пути»
ВВЕДЕНИЕ
Определение класса железнодорожного пути, конструкции, типа и характеристик его верхнего строения.
Исходные данные.
грузонапряженность млн. ткм/км брутто в год 65
максимальная скорость движения поездов, км/час
пассажирских 100
грузовых 70
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛАССА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИСовременная система ведения путевого хозяйства основана на классификации пути в зависимости от грузонапряжённости и скоростей движения поездов.
Железнодорожный путь классифицируется в зависимости от сочетаний грузонапряженности и максимальных допускаемых скоростей движения пассажирских и грузовых поездов.
По грузонапряженности пути разделяют на 5 групп, обозначаемых буквами (Б, В, Г, Д, Е) по допускаемым скоростям - на 7 категорий, обозначаемых цифрами (1…7). Классы пути обозначают цифрами.
Принадлежность пути соответствующему классу. группе и категории обозначается сочетанием буквы и цифр. Например, 2Б3 обозначает, что путь принадлежит 2 классу, входит в группу Б и категорию 3.
При определении класса пути необходимо учитывать:
На железнодорожных линиях федерального (общесетевого) значения пути должны быть не ниже 3 класса.
Непрерывная длина пути соответствующего класса, как правило, не должна быть менее длины участка движения с одинаковыми на всем 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.
В зависимости от количества пассажирских и пригородных графиковых поездов путь должен быть не ниже:
класса — более 100 поездов в сутки;
класса — 31-100 поездов в сутки;
класса — 6-30 поездов в сутки.
При скорости 80 км/ч класс пути понижается на одну ступень.
На двухпутных и многопутных участках классы путей устанавливаются одинаковыми с классом пути, имеющим большую грузонапряженность, при условии, если разница в грузонапряженности не превышает 30%. При большей разнице класс каждого из путей устанавливается по фактическому сочетанию грузонапряженности и установленной скорости.
Пути, предназначенные для движения подвижного состава с опасными грузами, не должны быть ниже 4 класса.
Приемо-отправочные и другие станционные пути, предназначенные для сквозного пропуска поездов со скоростями 40 км/ч и более, подъездные пути со скоростями более 40 км/ч, а также горочные пути относятся к 3 классу. Станционные пути, не предназначенные для сквозного пропуска поездов, при установленных скоростях 40 км/ч, а также специальные пути, предназначенные для обращения подвижного состава с опасными грузами, сортировочные и подъездные пути со скоростями движения 40 км/ч относятся к 4 классу. Остальные станционные и подъездные пути относятся к 5 классу.
Сортировочные и горочные пути на сортировочных станциях относятся к 4 классу.
Главные пути, где установлены скорости движения пассажирских поездов более 140 км/ч, относятся к внеклассным путям.
В зависимости от класса пути устанавливаются технические условия и нормативы на укладку и ремонт пути.
1.1 Конструкция, тип и характеристики верхнего строения пути
Предусмотрены три конструкции верхнего строения пути:
бесстыковой путь на железобетонных шпалах;
звеньевой путь на железобетонных шпалах;
звеньевой путь на деревянных шпалах;
При этом в регионах, где позволяют климатические условия, на путях 1-4 классов рекомендуется преимущественно применять бесстыковой путь, а на путях пятого класса — звеньевой путь на железобетонных шпалах.
На путях 1 и 2 классов укладываются рельсы Р65 (новые, термоупрочненные, категории В, Т, и Т2, новые скрепления, шпалы новые железобетонные 1 сорта).
Эпюра шпал: в прямых и кривых радиусами более 1200 м — 1840 шт/км, в кривых радиусами 1200 м и менее — 2000 шт/км.
Балласт щебеночный или асбестовый с толщиной слоя под деревянными шпалами 40 см.
На путях 3 класса укладываются рельсы Р65 новые или старогодные. Скрепления и шпалы новые и старогодные, отремонтированные в соответствии с Техническими условиями на применение старогодных материалов верхнего строения. Эпюра и группа шпал такие же, как на путях 1 и 2 классов.
Балласт щебеночный или асбестовый с толщиной слоя под деревянными шпалами 35 см и под железобетонными шпалами 40 см.
На путях 4 класса укладываются старогодные рельсы II и III группы годности в соответствии с Техническими условиями на применение старогодных материалов верхнего строения. Скрепления и шпалы старогодные, как правило, отремонтированные. Эпюра шпал такая же, как на путях 1-3 классов. Допускается укладка новых шпал второго сорта. Допускается чередование деревянных и железобетонных шпал (по специальному согласованию с МПС).
Балласт щебеночный, асбестовый или гравийно-песчаный с толщиной слоя под деревянными шпалами 25 см и под железобетонными шпалами 30 см.
На путях 5 класса укладываются рельсы, скрепления и шпалы — старогодные, рельсы III группы годности, в т.ч. непригодные к укладке в пути 3 и 4 классов. Рельсы не легче Р50.
Допускается чередование старогодных железобетонных и деревянных шпал по схемам, устанавливаемым службой пути дороги. Эпюра шпал: в прямых и кривых радиусами более 650 м — 1440 шт/км; в кривых радиусами 650 м и менее — 1600 шт/км.
Согласно данным задания:
грузонапряженность 65 млн. ткм/км
скорость пассажирских поездов 100 км/час
скорость грузовых поездов 70 км/час
путь относится к 1-му классу, входит в группу Б и категорию 3 т.е. 1Б3
Конструкции, типы и элементы пути:
рельсы Р65, новые термоупрченные;
скрепления новые;
шпалы железобетонные новые 1-го сорта;
балласт щебёночный толщиной под шпалой – 0,40м;
эпюра шпал: на прямых и кривых R≥1200м – 1800 шт/км, на кривых R1200м и меньше – 2000 шт/км
поперечный профиль балластной призмы прилагается
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ УКЛАДКИ БЕССТЫКОВОГО ПУТИИсходные данные:
тип рельсов Р65;
род балласта асбест;
радиус кривой 600м;
локомотив ВЛ23;
скорость движения 60 км/ч;
t max; max 62°C;
t min; min -34°C;
t факт -4 °C;
длина пути 1100м
Возможность укладки бесстыкового пути в конкретных условиях устанавливается сравнением допускаемой температурной амплитуды [7] для данных условий с фактически наблюдавшейся в данной местности амплитудой колебаний температуры ТА.
Если по расчету ТА≤ [Т], то бесстыковой путь можно укладывать.
Значение ТА определяется как алгебраическая разность наивысшей tmax max и наинизшей tmin min температур рельса, наблюдавшихся в данной местности (при этом учитывается, что наибольшая температура рельса на открытых участках превышает на 20 °С наибольшую температуру воздуха):
ТА= tmax max – tmin min; ТА = 62- (-34)= 96°С
Амплитуда допускаемых изменений температур рельсов
[Т]= [Δ tу]+ [Δ tр]+ [Δ tз],
где: [Δtз],— минимальный интервал температур, в котором окончательно закрепляются рельсовые плети, [Δ tз] = 10°С;
[Δtр] — допускаемое повышение температуры рельсов по сравнению с температурой их закрепления, определяемое устойчивостью против выброса пути при действии сжимающих продольных сил;
[Δtу]— допускаемое понижение температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой закрепления, определяемое их прочностью при действии растягивающих продольных сил.
2.1 Расчет повышений и понижений темпера туры рельсовых плетей, допустимых по условиям прочности и устойчивости
Допускаемое повышение температуры рельсовых плетей [Δtу] устанавливается на основании исследований устойчивости пути.
Допускаемое понижение температуры рельсовых плетей определяется расчетом прочности рельсов, основаны на условии, что сумма растягивающих напряжений, возникающих от воздействия подвижного состава и от изменений температуры, не должна превышать допускаемого напряжения материла рельсов.
В данном случае величина [Δtу] определяется на основании данных таблицы №4 методуказаний.
[Δtу] = 40°С;
Kn σk + σt ≤ [σ]
где: Kn — коэффициент запаса прочности (Kn = 1,3 для рельсов первого срока службы; Kn = 1,4 для рельсов, пропустивших нормативный тоннаж);
σk — напряжение в кромках подошвы рельса под нагрузкой от колес подвижного состава, МПа;
σt — напряжение в поперечном сечении рельса от действия растягивающих температурных сил, возникающих мри понижении температуры рельса по сравнению с его температурой при закреплении, МПа;
[σ] — допускаемое напряжение (для новых незакаленных рельсов [σ] = 350 МПа, для новых термоупрочнённых — 400 МПа).
Напряжение в подошве рельса σk определяется по правилам расчета верхнего строения пути на прочность.
Температурное напряжение, возникающее в рельсе в связи с несостоявшимся изменением его длины при изменении температуры,
σt = αEΔt = 2,5 Δt,
где α — коэффициент линейного расширения (а = 0,0000118 1/град);
Е — модуль упругости рельсовой стали (Е = 210 ГПа = 2,1-105 МПа);
Δt—разность между температурой, при которой определяется напряжения, и температурой закрепления плети, °С.
Наибольшее допускаемое по условию прочности рельса понижение температуры рельсовой плети по сравнению с ее температурой при закреплении определяется по формуле:
[Δtр] = [σ] - Kn σk = [σ] - Kn σk
αE 2,5
В данном случае понижение [Δtр] температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой их закрепления для бесстыкового пути с неупрочненными рельсами первого срока службы на железобетонных шпалах и щебеночном или асбестовом балласте приведены в таблице №5 методуказаний: [Δtр] = 82°С; Для рельсов термоупроченных:
[Δtр] = 82 + 20 = 102°С;
Тогда [Т] будет равно:
[Т]= [Δ tу]+ [Δ tр]+ [Δ tз] = 40+82–10=112°С;
Условие ТА≤ [Т] соблюдается; 96°С< 112°С, значит при выше указанных условиях на данном участке можно укладывать бесстыковой путь.
2.2 Расчет интервалов закреплений плетей
Расчетный интервал закрепления плетей
Δ tз =[Δ tу]+ [Δ tр] - [ ТА] ;
Δ tз = 40+82-96 = 26 °С;
Границы интерна на закрепления, т.е. самую низкую min tз наибольшую max tз, температуры закрепления, определяют по формулам:
min tз = tmax max – [Δ tу] = 62-40=22°С ;
max tз = tmin min +[Δ tр]=-34+82=48°С;
При укладке плетей длиной более 800 м нижняя граница интервала закрепления должна быть не менее чем на 8°С выше нижней границы, установленной для плетей обычной длины.
Диаграмма температурного режима плетей прилагается.
Рис. 2. Диаграмма температурного режима плетей
РАСЧЁТЫ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИОпределение возвышения наружного рельса в кривой.
Расчёт основных элементов для разбивки переходных кривых.
Определение ширины колеи в кривой.
радиус кривой 1100м;
максимальная скорость движения поезда по кривой:
грузового 73км/ч;
пассажирского 90км/ч;
приведенная скорость поездпотока 50км/ч;
угол поворота линии β 32°;
единица подвижного состава ВЛ23;
зона скорости первая.
3.1 Возвышение 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 не 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:
hр пас =12,5 VІmax пас/ R-115; (1)
для грузового поезда:
hр гр =12,5 VІmax гр/ R- 50; (2)
для потока поезда:
hр пот =12,5 VІпот/R; (3)
где: Vmax пас и Vmax гр — максимальные скорости, км/ч соответственно пассажирского и грузового поезда, установленные в кривой по приказу начальника дороги;
Vпот — приведенная скорость поездопотока, км/ч;
R — радиус кривой, м.
Из полученных по формулам (1-3) величин возвышения принимается большее и округляется до значения, кратного 5 мм.
В данном случае вертикальная прямая, соответствующая кривой R=1300м пересекается с линией поездпотока. Значит расчёт возвышения наружного рельса в кривой следует вести по формуле:
Точное значение приведенной скорости поездопотока V
для расчета возвышения по формуле (3) определяется по формуле:
h =12,5 VІпр/R;
где: Vпот — приведенная скорость поездпотока. По заданию Vпот=45км/ч.
Возвышение наружного рельса в кривой будет равна:
h =12,5 50І/1100 = 28мм;
3.2 Расчет основных элементов для разбивки переходной кривой
Длина переходной кривой l0 зависит от принятого уклона отвода возвышения i, скорости движения, допустимой величины нарастания горизонтальных ускорений, допустимой скорости подъема колеса по наружному рельсу и т.д.
В данном случае принимаются следующие нормативы:
уклон отвода возвышения рельса i = 0,001;
величина нарастания ускорения αнп = 0,7 м/с2; ψ = 0,6 м/с3;
скорость подъема колеса по наружному рельсу 28 мм/с = 1/10 км/ч.
Определяется длина кривой превышающие указанных условий
Из условия непревышения допустимого уклона i отвода возвышения наружного рельса
l01 = h0 / i= 20 / 0,001=20м
При скорости подъема колеса по наружному рельсу 28 мм/с = 1/10 км/ч h0 /l0 =1/(10 Vmax). Отсюда:
l02 =10 h Vmax =10*0,0,02*90 =18,0м
Из условия допустимой величины нарастания горизонтальных ускорений
l03 = αнп Vmax / 3,64 =0,7*90/3,64 =63 / 3,64 =29,2м
Устанавливается длина переходной кривой в соответствии с СТНЦ-01-95 в зависимости от заданной величины радиуса R, категории линии и зоны скорости (таблица методуказаний). Принимается l04 =80м
Из четырёх определённых значений длины переходной кривой принимается наибольшая, т.е принимается длина переходной кривой l0 =80м
Величина уклона отвода будет:
i0 = h0 / l0 = 0,020 / 80= 0,00025м
Определяются параметр кривой
C = R l0 = 1100*80 =88000м2
Величина сдвижки круговой кривой к центру
| P= | l0 2 | (1 - | l0 2 | ) |
| 24R | 112R2 |
| P= | 80 2 | (1 - | 80 2 | ) | = | 6400 | ( | 1- | 6400 | ) | = | 0,21м |
| 24*1100 | 112*11002 | 26400 | 13552*104 |
Расстояние m от тангенсного столбика сдвинутой кривой до начала переходной кривой
| m= | l0 | (1 - | l0 2 | ) |
| 2 | 112R2 |
| m= | 80 | (1 - | 6400 | ) | = | 40 | ( | 1- | 6400 | ) | = | 39,87м |
| 2 | 112*11002 | 13552*104 |
Значение абсциссы x0 и ординаты у0 для конца переходной кривой
| x0= | l0 | (1 - | l0 4 | ) |
| 40С2 |
| x0= | 80 | (1 - | 4096*10 4 | ) | = | 80 | ( | 1 - | 0,00379 | ) | = | 79,69м |
| 88000*102 |
| у0= | l0 3 | ( | 1 | - | l0 4 | ) |
| 2С | 3 | 168С2 |
| у0= | 51200 | ( | 1 | - | 4025*10 4 | ) | = | 0,819м |
| 2*88000 | 3 | 168*88000*106 |
Подсчёт для промежуточных ординат для: х= 10м; х= 20м; х= 30м
| у10= | х 3 | ( | 1 | + | 2х 4 | ) |
| 6С | 35С2 |
| у10= | 10 3 | ( | 1 | + | 2*104 | ) | = | ||||
| 6*88000 | 35*880002 | ||||||||||
| = | 0,0016 | ( | 1 | + | 2 | ) | = | 0,0018м | |||
| 37856*103 | |||||||||||
| у20= | 20 3 | ( | 1 | + | 2*204 | ) | = | ||||||
| 6*88000 | 35*880002 | ||||||||||||
| = | 0,0128 | ( | 1 | + | 32 | ) | = | 0,0128м | |||||
| 35*880002 | |||||||||||||
| у30= | 30 3 | ( | 1 | + | 2*304 | ) | = |
| 6*880002 | 35*880002 |
| = | 0,0433 | ( | 1 | + | 162 | ) | = | 0,0433м |
| 35*88000 |
3.3 Определение ширины колеи в кривой
Согласно исходным данным необходимо определить для заданного экипажа оптимальную и минимально 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 Smin.
Оптимальная ширина рельсовой колеи Sопт на кривой радиусом R из условия вписывания тележки с трехосной жесткой базой Lo определится следующим образом (см. рис. 3).
Обозначим ширину колесной колеи:
Расчетные схемы вписывания трехосной жесткой базы
Обозначения на рис. 3:
О — центр вращения экипажа; λ — расстояние от центра вращения экипажа до геометрической оси первого колеса (в данном случае λ = Lo); b1 — расстояние от геометрической оси первой колесной пары до точки касания гребня колеса с рельсом; fn — стрела изгиба наружного рельса (при хорде АВ); ∑η — сумма поперечных разбегов соответствующих колесных пар заданного экипажа.
При ∑η= О S=К + fn;
При ∑η≠ О S=К + fn -∑η.
К = (Т + 2q + 2µ),
где Т — насадка колес, мм;
q — толщина гребня колеса, мм;
µ— утолщение гребня выше расчетной плоскости, ранное для вагонных колес 1 мм, для локомотивных колес 0.
Поскольку экипажем, требующим наибольшей ширины колеи, будет тот, который имеет Кmах, а допуск на сужение равен 4 мм, то
Sопт=Кmах + fn + ∑η +4 ;
fn=(λ + b1 ) 2/2R;
b1=λ* r/ R* tg τ
где: r — радиус качения колеса, м;
τ — угол наклона образующей гребня колеса к горизонту (для вагонного колеса 60°, для локомотивного 70°)
При определении минимально допустимой ширины Smin (см. рис. 3 справа), за расчетную принимается схема заклиненного вписывания экипажа, при которой наружные колеса крайних осей жесткой базы ребордами упирается в наружный рельс кривой, а внутренние колеса средней оси — в рельс внутренней нити.
К полученной на основании такой расчетной схемы ширине колеи прибавляется δmin — минимальный зазор между боковой рабочей гранью рельса и гребнем рельса на прямом участке пути:
Smin=Кmах + fn - ∑η + δmin ;
fn=(λ + b1 ) 2/2R; b1=λ* r/ R* tg τ; λ = L0 /2;
Из таблицы №7 методуказаний и таблицы №8:
Кmах =1509мм; ∑η= 6мм; λ = L0=4400мм; r=600мм;
fn=(λ + b1 ) 2/2R; b1=λ* r/ R* tg τ
b1=4400* 600 / 1100000* tg 70°= 4400*600/1100000*2,747=7мм;
f=(4400 + 7 ) 2/2*1100000=9мм;
Sопт=1509+9-6+4=1516мм;
Smin=Кmах + fn - ∑η + δmin ; из таблицы №7 δmin =7мм
b1=λ* r/ R* tg τ=2200*600/1100000*2,747=3мм;
λ = L0 /2= 4400/2 =2200мм;
fn=(2200+ 3 ) 2/2*1100000=2мм;
Smin=1509+3-6+4+7=1517мм;
Согласно ПТЭ в кривой радиуса R=1100м ширина колеи 1520мм
Используемая литература
Строительные нормы и правила Российской Федерации. Железные дороги колеи 1520 мм. СНиП 32-01-95. Минстрой России, 1995.
Приказ Министра путей сообщения Российской Федерации № 14 Ц от 25 сентября 1995 г. «О строительно-технических нормах «Железные дороги колеи 1520 мм» — М., 1995.
Железные дороги колеи 1520 мм. СТН Ц-01-95. — М.: Министерство путей сообщения Российской Федерации, 1995.
Положение о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской Федерации. — М.: МПС РФ, 2002.
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.
Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути. — М.: Транспорт, 2000.
Технические условия на работу по ремонту и планово-предупредительной выправке пути. Утв. МПС 28 июня 1997 г. — М.: Транспорт, 1998. — 188 с.
Железнодорожный путь/ Под ред. Т.Г. Яковлевой. — М.:Транспорт, 2001.
Чернышев М.А., Крейнис З.Л. Железнодорожный путь. — М.: Транспорт, 1985. — 302 с.
10. Крейнис З.Л. Современные конструкции верхнего строения железнодорожного пути: Уч. пос. — М.: РГОТУПС. 1997. — 78 с. (Часть I). — М.: РГОТУПС, 1998. (Часть И).