От чего зависит стыковое сопротивление плети
Обновлено: 19.04.2024
При проходе подвижного состава в плетях бесстыкового пути возникают значительные продольные силы, особенно на тормозных участках. Если не принять меры по предотвращению их отрицательного воздействия, то, суммируясь с температурными, они могут нарушить устойчивость пути. Следовательно, конструкция прикрепителей рельсовой плети к основанию должна не допустить разрушительного действия этих продольных сил угона.
К особенности бесстыкового пути следует отнести и специальные методы его восстановления. В процессе эксплуатации в рельсах возникают дефекты, недопустимые для безопасной эксплуатации пути, удаление которых связано с поэтапным выполнением ряда более сложных операций по сравнению со звеньевым путем.
Таким образом, бесстыковой путь, имеющий ряд бесспорных достоинств по сравнению со звеньевой конструкцией (комфортабельность пассажиров, меньшее сопротивлению движению, сокращение расходов на ремонты и содержание пути и подвижного состава и др.) имеет ряд особенностей в работе и определенные сложности при его содержании и восстановлении целостности лопнувших плетей. Поэтому конструкция бесстыкового пути должна быть повышенной надежности и долговечности для того, чтобы обеспечивать высокий уровень безопасности движения поездов.
Кроме общих требований к скреплениям, для бесстыкового пути особое значение имеет способность скреплений длительное время препятствовать продольным перемещениям плетей при движении поезда и температурных воздействиях. В большинстве стран применяется раздельное скрепление с жесткими и упругими клеммами. В Канаде, США, Австралии и некоторых других странах применяют костыльное скрепление с установкой пружинных противоугонов «в замок», как правило, по 4 шт. на каждой шпале. Такое решение в определенной мере обеспечивает совместный поворот шпалы и рельса при изгибе последнего во время прохода колес подвижного состава, что либо исключает местное проскальзывание подошвы рельса по подкладкам, либо резко его исключает. Для бесстыкового пути пригодны все виды подре6льсовых оснований: деревянные и железобетонные шпалы, рамы, плиты. При костыльном скреплении применяются только деревянные шпалы.
Температурные перемещения и силы
Построим объемлющую эпюру температурных сил в районе Гомеля. Рельсы Р65, R=20 т, rл=6,5, rз=25, Т=93˚.
Перепад температуры на преодоление стыкового сопротивления
Для оптимального интервала закрепления рельсовых плетей, равного для условий Беларуси от +25 до 35˚С, определим величину участка дыхания конца рельсовой плети для летних и зимних условий по формулам
Для нижней границы оптимального интервала закрепления
ty=25˚C; =64,62м; =51,46м;
Для верхней границы - ty=35˚C; =63,08м; =59,66м.
Изменение длины одного конца плети при повышении температуры после закрепления бесстыкового пути определяется по формуле:
Изменение длины плети при понижении температуры
Суммарные годовые перемещения конца рельсовой плети в первый год эксплуатации составят λг=λ1+λ2. При обратном ходе температур суммарные годовые температурные перемещения будут меньше указанных значений, т.к. при этом должно преодолеваться двойное стыковое сопротивление.
Проще пользоваться графо-аналитическим способом определения перемещения рельсовых плетей. Температурная работа рельсов, возникающая при изменениях температуры, проявляется или в виде температурных напряжений, или в виде температурных перемещений. При этом проявившиеся перемещения соответствуют непроявившимся напряжениям, а проявившиеся напряжения – непроявившимся перемещениям. В дальнейшем проявившиеся напряжения будем представлять в виде вертикально заштрихованной площади, а непроявившиеся напряжения, по которым можно определить перемещения рельса или конца рельсовой плети – в виде незаштрихованной площади, причем суммарная температурная работа (перемещения и напряжения, или только перемещения или только напряжения) всегда выражаются прямоугольником. На основании закона Гука получаем, что удлинение
Величина = представляет собой площадь эпюры состоявшихся температурных деформаций рельсов, т.е. прямоугольник высотой 25t и длиной 1. Площадь эпюры состоявшихся температурных деформаций рельсов (незаштрихованную часть эпюры напряжений) обозначим через Sλ, тогда λ= Sλ/E.
Указанная формула действительна не только для прямоугольной эпюры проявившихся перемещений, но и для любого очертания эпюры. Это в значительной степени облегчает определение фактических изменений длины лежащих в пути рельсов и плетей в любой интересующий нас момент, т.к. определение площади эпюры проявившихся перемещений рельсов графическим способом не представляет особого труда. Определить перемещения можно и по площади эпюры несостоявшихся температурных сил, которую в этом случае надо дополнительно разделить на площадь поперечного сечения рельса.
4.7 Влияние стыкового сопротивления
Влияние стыкового сопротивления на температурную работу (напряжения и перемещения) рельсовых плетей бесстыкового пути хорошо видно из объемлющей эпюры температурных сил. С увеличением стыкового сопротивления уменьшается площадь проявившихся температурных перемещения, что естественно приводит к уменьшению температурных деформаций и участков дыхания конца рельсовой плети. При этом облегчается температурная работа уравнительного пролета, а меньшие величины стыковых зазоров снижают уровень взаимодействия пути и подвижного состава и продлят срок их службы. Кроме восьмидырных накладок, хорошо зарекомендовавших себя в процессе эксплуатации, на ряде железных дорог пытались применять в уравнительном пролете 12-дырные накладки. Для согласованной работы стыков уравнительного пролета в первом стыке от плети устанавливают восьмидырные, а во втором – шестидырные накладки. При одинаковом стыковом сопротивлении в основном работает первый стык от плети.
Длина участка «дыхания» конца рельсовой плети в момент наступления максимальной расчетной температуры определяется по формуле
Стыковое сварное соединение является наиболее простым и надежным. В стыковых швах при всех видах сварки плавлением концентрация напряжений имеет минимальные значения.
При действии на соединение статической нагрузки первоначальная концентрация напряжений в стыковом сварном шве не оказывает влияние на его прочность, так как из-за развития пластических деформаций происходит релаксация напряжений в точках концентрации. Поэтому расчет стыковых сварных соединений выполняют в предположении, что распределение напряжений в поперечном сечении сварного шва равномерно.
Расчет сварных стыковых соединений на центральное растяжение или
сжатие производится по формуле
где N – внешнее усилие, приложенное к соединению;
t – расчетная толщина шва, равная толщине наиболее тонкого из соединяемых элементов (местное утолщение в виде валика сварного шва в расчет не принимается); в том случае, если невозможно обеспечить полный провар по толщине свариваемых элементов путем подварки корня шва, например, при односторонней сварке или использовании остающейся стальной подкладки, в формуле вместо t следует принимать 0,7t;
lw – расчетная длина шва, равная полной ширине соединяемых элементов за вычетом 2t, учитывающих низкое качество шва в зонах зажигания (непровар) и прерывания (кратер) сварочной дуги. При условии выполнения шва с применением выводных технологических планок, позволяющих вывести начало и конец шва за пределы рабочего сечения шва, расчетная длина принимается равной полной его длине (после сварки технологические планки срезаются, а торцы шва зачищаются наждачным кругом);
Rwy – расчетное сопротивление сварного стыкового соединения, принимаемое по табл. 2.6;
γс – коэффициент условий работы, принимаемый по табл. 1.3.
Расчетное сопротивление сварного стыкового шва зависит от способов контроля качества сварного шва. Расчетное сопротивление сварного стыкового шва Rwy равно расчетному сопротивлению основного металла Ry при сжатии, а также при растяжении, если применяются физические методы контроля качества сварных швов (об этом обязательно должна быть сделана запись в рабочих чертежах КМ). Если физические методы контроля качества шва, работающего на растяжение, не используются, то следует принимать Rwy = 0,85 Ry.
Так как расчетное сопротивление стали зависит от толщины проката, то в расчетах следует принимать Ry наиболее толстого из свариваемых элементов.
Расчет сварных стыковых соединений растянутых элементов конструкций из стали с соотношением Ru / γu > Ry, эксплуатация которых возможна и после достижения металлом предела текучести, производится по формуле
где Ru – расчетное сопротивление проката по временному сопротивлению, (см. табл. 2.3);
γu – дополнительный коэффициент надежности, учитывающий повышенную опасность при расчете конструкций с использованием расчетного сопротивления Ru и принимаемый для стали равным γu = 1,3;
Rwu – расчетное сопротивление сварного соединения по временному
сопротивлению (см. табл. 2.6).
Расчет сварных стыковых соединений выполнять не требуется при применении сварочных материалов (см. табл. 2.5), полном проваре соединяемых элементов и физическом контроле качества растянутых швов.
Пример 10.1.Рассчитать и законструировать стыковое соединение листов шириной 500 мм, толщиной t1 = 10 мм и t2 = 14 мм при действии расчетного растягивающего усилия N = 1200 кН (рис. 10.26, а). Материал листов – сталь класса С245. Шов выполнен с полным проваром без применения физических методов контроля качества шва, концы шва не выведены на специальные технологические планки.
Стык выполняется ручной сваркой электродами Э42 (см. табл. 2.5).
В более толстом листе делаем скос с уклоном 1: 5, т.к. разность толщин соединяемых элементов t2 – t1 = 14 – 10 = 4 мм > 2мм (см. табл. 10.9).
При минимальной толщине соединяемых листов t1 = 10 мм разделка кромок не требуется.
Листовой прокат из стали С245 толщиной tmax = t2= 14 мм имеет расчетное сопротивление Ry = 240 МПа = 24 кН/см 2 (см. табл. 2.3).
Расчетное сопротивление сварного стыкового соединения принимаем:
Rwy = 0,85Ry = 0,85 · 240 = 204 МПа.
Рис. 10.26.К расчету стыковых швов:
а – прямой шов; б – косой шов, выполненный с применением
Расчетная длина шва lw = b – 2t1= 50 – 2 · 1 = 48 см.
Проверяем прочность сварного стыкового шва:
σw = N / (t1 lw) = 1200 / (1 · 48) = 25 кН/см 2 = 250 МПа > Rwy = 204 МПа.
Условие не выполняется, необходимо устройство косого шва.
Пример 10.2.Рассчитать и запроектировать сварное соединение косым швом встык с полным проваром и выводом начала и конца шва на технологические планки (рис. 10.26, б). Остальные условия см. пример. 10.1.
На практике косой стык устраивается с заложением 2:1, что соответствует углу α ≈ 63,5 о .
Расчет прочности шва по нормальным напряжениям:
σw = N sin α / (t lw') = 1200 ∙ 0,895 / (1 · 55,87) = 19,22 кН/см 2 = 192,2 МПа
где sin α = sin 63,5 о = 0,895;
lw ′ = lw / sin α = 50 / 0,895 = 55,87 см – расчетная длина косого шва.
Расчет прочности шва по касательным напряжениям:
τw = N cos α / (t lw′ ) = 1200 ∙ 0, 446 / (1 ∙ 55,87) = 9,58 кН/см 2 = 95,8 МПа
где cos α= cos 63,5 o = 0,446;
Rws = 0,58 Rwy = 0,58 · 204 = 118,3 МПа.
Прочность косого стыкового шва обеспечена как по нормальным, так и по касательным напряжениям.
При действии на соединение статической нагрузки проверка по приведенным напряжениям, как правило, не производится.
Сварные стыковые соединения, выполненные без физических способов контроля качества шва, при одновременном действии в одном и том же сечении нормальных и касательных напряжений при действии на соединение динамической нагрузки проверяются по формуле
Прочность сварного шва при скосе с заложением 2:1 не обеспечена. Уменьшаем угол наклона среза и принимаем его α=45º (скос с заложением 1:1).
Производим повторную проверку.
Нормальные напряжения в шве
σw = N sin 45 о / (t lw′) = 1200 · 0,7 / (1 · 71,43) = 11,76 кН/см 2 ,
где lw′ = lw / sin 45 о = 50 / 0,7 = 71,43 см.
Касательные напряжения в шве
τw = N cos 45 o / (t lw′) = 1200 · 0,7 / (1 · 71,43) = 11,76 кН/см 2 .
Проверка приведенных напряжений
Прочность сварного шва обеспечена.
Пример 10.3. Проверить прочность соединения, выполненного стыковым швом, консольного листа сечением b×t = 300×8 мм к стенке стойки из тавра
15ШТ / ТУ 14-2-685-86 (толщина стенки s = 8 мм). К консоли приложена расчетная сосредоточенная сила F = 100 кН с эксцентриситетом e = 200 мм.
Конструкция относится ко второй группе и выполнена из стали С245. Сварка ручная с полным проваром шва при визуальном способе контроля качества шва. Условия работы – нормальные (рис. 10.27).
Расчетное сопротивление листового и фасонного проката из стали С245 толщиной до 20 мм Ry = 240 МПа = 24 кН/см 2 (см. табл. 2.3).
Расчетное сопротивление сварного стыкового соединения (см. табл. 2.5):
– изгибу при визуальном способе контроля качества шва Rwy = 0,85Ry =
= 0,85 · 240 = 204 МПа = 20,4 кН/см 2 ;
– сдвигу Rws = Rs = 139,2 МПа,
где Rs = 0,58 Ry = 0,58 · 240 = 139,2 МПа – расчетное сопротивление проката сдвигу.
Рис. 10.27. Прикрепление консольного листа стыковым швом
Расчетный изгибающий момент
M = Fe = 100 · 0,2 = 20 кН·м.
Q = F = 100 кН.
Момент сопротивления стыкового шва
Ww = tlw 2 / 6 = 0,8 · 28,4 2 / 6 = 107,54 см 3 ,
где lw = b – 2 t = 30 – 2 · 0,8 = 28,4 см – расчетная длина шва с учетом непровара в начале шва и кратера в конце шва.
– нормальные напряжения в шве
σw = M / Ww = 2000 / 107,54 = 18,6 кН/см 2 ;
– касательные напряжения в шве
τw = 1,5 Q / (t lw)= 1,5 · 100 / (0,8 · 28,4) = 6,6 кН/см 2 ;
tз – температура закрепления рельсовых плетей.
Влияние стыкового сопротивления на длину участка «дыхания» при температурах закрепления плетей 25 и 35 ºС показаны в таблицах 4.1 и 4.2 соответственно.
Таблица 4.1 – Влияние стыкового сопротивления на длину участка «дыхания» при температуре закрепления плетей 25ºС
Таблица 4.2 – Влияние стыкового сопротивления на длину участка «дыхания» при температуре закрепления плетей 35ºС
Влияние стыкового сопротивления на длину "дыхания" конца рельсовой плети показано на объемлющих эпюрах на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Влияние стыкового сопротивления на длину "дыхания" конца рельсовой плети
4.8 Влияние погонного сопротивления
Погонное сопротивление продольному перемещению рельсовых плетей ввиду непостоянства затяжки клеммных и закладных болтов во времени уменьшается, вызывая на отдельных пикетах угон пути. При этом происходит перераспределение температурных сил по средней неподвижной части плети, изменяя вид эпюры, при построении которой мы полагаем, что средняя часть плети неподвижна. На самом деле перемещения отдельных участков плети имеют место при изменении температуры
Влияние погонного сопротивления на концевых участках плети хорошо видно на объемлющей эпюре температурных сил. Уменьшение погонного сопротивления продольным перемещениям рельсовых плетей бесстыкового пути приводит к резкому увеличению длины дышащих концов и величины температурных перемещений конца рельсовой плети. Оказывается, что длина дышащего конца плети обратно пропорциональна величине погонного сопротивления, а величина перемещений конца плети нелинейно зависит от погонного сопротивления.
Погонные сопротивления сдвигу путевой решетки (вместе со шпалами) вдоль пути имеют особое значение весной, летом и осенью. В эти периоды перемещения могут происходить за счет недостаточной связи шпал с балластом. После ремонта и выполнения других путевых работ балласт определенное время остается неуплотненным. Норма принимаемого для расчета погонного сопротивления сдвигу шпал щебеночного и асбестового балласта вдоль пути - 13 кг/см при 1840 и 14 кг/см при 2000 шпал/км.
Влияние погонного сопротивления на длину участка «дыхания» при температуре закрепления плетей 25 ºС отображено в таблице 4.3, при температуре закрепления плетей 35 ºС – в таблице 4.4.
Таблица 4.3 – Влияние погонного сопротивления на длину участка «дыхания» при температуре закрепления плетей 25ºС
Таблица 4.4 – Влияние погонного сопротивления на длину участка «дыхания» при температуре закрепления плетей 35ºС
Влияние погонного сопротивления на длину "дыхания" конца рельсовой плети показано на объемлющих эпюрах на рисунке 4.2.
Рисунок 4.2 – Влияние погонного сопротивления на длину "дыхания" конца рельсовой плети
4.9 Температурные воздействия на путь
Лежащие в пути рельсы под воздействием температуры вынуждены преодолевать стыковые и погонные сопротивления, в результате чего в них возникают температурные силы. При повышении температуры уменьшаются стыковые зазоры и могут достичь своего минимального, или нулевого, зазора в момент наступления максимальной расчетной температуры. В том случае, если нулевой зазор образовался при температуре, не достигшей своего максимального значения, дальнейшее повышение температуры приводит к появлению и увеличению сил торцевого давления, максимальное значение которого будет в момент наступления максимальной расчетной температуры рельсов.
При понижении температуры рельсов происходит раскрытие стыкового зазора до своего конструктивного значения, а дальнейшее понижение температуры приводит к изгибу и срезу болтов, а также к разрыву стыков при минимальных или близких к ним температурах.
Величина погонного сопротивления продольному смещению путевой решетки зависит от эпюры шпал, степени уплотнения балласта и скрепления.
В случае слабого скрепления рельса к подрельсовому основанию, что имеет место при костыльном скреплении, величина погонного сопротивления незначительна. Это происходит в результате того, что надернутые костыли не обеспечивают необходимого прижатия рельса к опорам, а балласт в работе почти не участвует. При костыльном скреплении погонное сопротивление лимитируется перемещением рельса относительно шпалы, поэтому зимой и летом погонное сопротивление принимается одинаковым. Для нового костыльного скрепления величина погонного сопротивления продольному перемещению по одной рельсовой нити не превышает 3 кгс/см, а в процессе эксплуатации снижается до 1 кгс/см и менее. При сотрясениях рельсов под воздействием проходящей подвижной нагрузки погонное сопротивление уменьшается вдвое.
Сопротивление подъему путевой решетки (выдергиванию шпал из балласта) влияет на устойчивость бесстыкового пути против вертикального выброса и зависит от рода и эпюры шпал, рода и степени уплотнения балласта.
Сопротивление повороту шал в горизонтальной плоскости проявляется как реактивный крутящий момент, который возникает в узлах прикрепления рельсовых плетей к шпалам при искривлении путевой решетки в плане. Сопротивление повороту возрастает с усилением затяжки гаек, . закладных и клеммных болтов.
Сопротивление стыков перемещениям концов рельсовых плетей оказывает существенное влияние на работоспособность бесстыкового пути.. Шестиболтовой стык, скрепленный полным количеством болтов из стали повышенной прочности, создает стыковое сопротивление 30 т при рельсах типа Р65 и 20 т при рельсах типа Р50. Хорошо себя зарекомендовали восьмидырные накладки, которые в условиях Сибири при обычных болтах обеспечивали стыковое сопротивление около 40 т. Погонные и стыковые сопротивления оказывают большое влияние на температурные перемещения концов рельсовых плетей.
Длина участка «дыхания» конца рельсовой плети в общем случае определяется по формуле
где - расчетные значения продольных (сжимающих или растягивающих) температурных сил в заданном районе;
- коэффициент линейного расширения, равный 0,0000118;
Е - модуль упругости рельсовой стали, E=;
F - площадь поперечного сечения рельса, см 2 ;
- перепад температуры от момента закрепления рельсовой плети
до наступления экстремальных температур;
R- стыковое сопротивление, кгс;
r- величина зимнего или летнего погонного сопротивления, кг/см.
В момент наступления максимальной расчетной температуры величина длины участка «дыхания»
соответственно в момент наступления минимальной расчетной температуры
где - температура закрепления рельсовых плетей, принимаем равной 30 0 С.
При F=80,40 см 2 ; =30 0 С; 57 0 С; -36 0 С; согласно формул (3.18) и (3.19):
Аналогичные расчеты выполняются при и неизменных остальных исходных данных
По результатам расчетов на листе построена эпюра влияния погонного сопротивления на температурную работу бесстыкового пути.
Кроме того такие же расчеты выполняются при для F=80,40 см 2 , =30 0 С; 57 0 С; -36 0 С; .
По данным расчета построена эпюра влияния стыкового сопротивления на температурную работу бесстыкового пути, приведена на листе
На листе величина определяется по формуле
Аналогично, при величина составляет соответственно 15 0 С и 20 0 С.
Из эпюры влияния погонного сопротивления видно, что в одном и том же месте при постоянном стыковом сопротивлении в момент наступления максимальной расчетной температуры уменьшение погонного сопротивления с 6,5 до 4 кгс/см вызывает увеличение участка «дыхания» конца рельсовой плети с 53 до 86 м. Аналогичная картина наблюдается и зимой, когда уменьшение вдвое погонного сопротивления, увеличивает в два раза участок «дыхания». В это же время и возрастают и температурные деформации рельсовых плетей.
Из эпюры влияния стыкового сопротивления видно, что с увеличением стыкового сопротивления уменьшается длина «дыхания» конца рельсовой плети. Увеличение стыкового сопротивления с 20 тс до 40 тс уменьшает участок «дыхания» с 53 м до 22 м летом и с 45 м до 37 м зимой. Перемещение конца рельсовой плети при этом так же уменьшается.
При плохом закреплении клеммных болтов каждые 100 м плети при изменении температуры на 1 0 С укорачивается или удлиняется на 1,2 мм. При значительных колебаниях температуры это недопустимо, так как может произойти излом плети или срез стыковых болтов зимой; в жаркую погоду при плохом закреплении путь может быть выброшен. Вот почему постоянное поддержание высоких погонных и стыковых сопротивлений, поддержание в исправном состоянии поперечного профиля балластной призмы – основная гарантия нормальной работы бесстыкового пути и обеспечения безопасного движения поездов.
3.4 Разрядка температурных напряжений в рельсовых плетях
3.4.1 Основные требования
Разрядка внутренних температурных напряжений в рельсовых плетях производится:
- при вводе в расчётный интервал тем рельсовых плетей, уложенных (или сваренных) вне расчётного интервала;
- накануне выполнения путевых работ, уменьшающих боковую устойчивость бесстыкового пути в летнее время года пример, при сплошной очистке щебёночного балласта щебнеочистительной машиной, сплошной выправке пути с подъёмке производимых при температуре рельсов, превышающей допустимую;
-при обнаружении признаков, способных привести к потере устойчивости бесстыкового пути в процессе эксплуатации, например, при внезапном появлении угла в плане в жаркую летнюю погоду.
Температурная работа рельсов в значительной степени определяется величиной сопротивления перемещению рельсов в стыках, т.е величиной стыкового сопротивления. Величина стыкового сопротивления может быть легко вычислена. Расчетная схема показана на рис. 3.2.
Рисунок 3.2 - Расчетная схема для определения стыкового сопротивления продольному сдвигу рельсов
Величина стыкового сопротивления Рн определяется си
лами трения Т между рельсом и рельсовыми накладками. На рис. 3.2 эти силы перпендикулярны плоскости чертежа и обозначены «х». Очевидно, что сопротивление стыка сдвигу рельсов в накладках будет определяться как
где число болтов на одном конце стыка (для 4-хдырных накладок ).
Сила трения от одного болта определяется нормальной составляющей силы натяжения болта и коэффициентом трения между рельсом и накладками f.
где - коэффициент металла по металлу ( .
Нормальная составляющая силы натяжения болта
где крутящий момент, прикладываемый к гайкам стыковых болтов, Нм;
коэффициент пропорциональности, м -1 .
Читайте также: