599

относительно tз = mintз до температуры tmin min возникающие в рельсовой плети продольные силы

относительно tз = maxtз до температуры tmax max возникающие в плети продольные силы меньше предельно допустимых на величину Nc .

Таким образом, при закреплении рельсовых плетей в пределах расчетного интервала

mintз ≤ tз ≤ maxtз возникающие температурные силы не будут превышать предельно допустимых значений.

Если рельсовую плеть закрепить при tз < min tз (например при температуре t1), то продольная сила в плети будет изменяться в соответствии с прямой D1D2. При ti = tmin min , возникающая

продольная сила будет существенно ниже предельно допустимой Ntmin . Но при повышении температуры рельса продольные силы сжатия достигнут предельного значения Ntmax при ti < tmax max (точка D2) и дальнейшее повышение температуры рельса может привести к потере

устойчивости бесстыкового пути. Подобный вариант возможен при закреплении плетей поздней осенью или зимой.

Закрепление плети при tз > maxtз (например при температуре t2) приведет к тому, что наибольшие

дальнейшее понижение температуры может привести к разрыву рельсовой плети. Данное возможно при закреплении плети летом.

Очевидно, оставлять плети на круглогодичную эксплуатацию в этих режимах работы, как видно из диаграммы, недопустимо. Необходимо при укладке или в процессе эксплуатации ввести рельсовые плети в расчетный режим эксплуатации.

Ввод рельсовых плетей в расчетный режим эксплуатации представляется возможным выполнить при помощи разрядке температурных напряжений, которая осуществляется при наступлении температуры рельса, соответствующей расчетному интервалу ( mint3 ≤ ti ≤ maxt3 ).

Разрядка температурных напряжений осуществляется посредством ослабления клемм промежуточных скреплений и установке плети на ролики или специальные прокладки. После расчетного изменения длины плети производится повторное ее закрепление.

Так, если рельсовая плеть закреплена осенью или зимой при температуре рельсов t1 < mint3 , то весной, при наступлении температур рельса, соответствующих расчетному температурному интервалу, рельсовую плеть необходимо перезакрепить (точка Д на линии Д1 – Д2).

Аналогично, при закреплении рельсовой плети летом при температуре рельсов t2 > maxt3 , осенью, при наступлении температур рельса, соответствующих расчетному температурному интервалу, рельсовую плеть необходимо перезакрепить (точка Е на линии Е1 – Е2). Таким образом, рельсовая плеть приводиться к новой температуре закрепления t3.

Ввод рельсовых плетей в расчетный режим эксплуатации посредством разрядки температурных напряжений жестко регламентируется температурными условиями производства работ. Более эффективным является принудительное создание в рельсовых плетях продольных сил, соответствующих значению температуры рельса при производстве работ.

При расчетной температуре закрепления плети tз изменение продольной температурной силы в средней части плети характеризуется уравнением прямой А3В3 . Поэтому при закреплении плети при температуре t1 (осень или зима) для ввода плети в расчетный режим эксплуатации в ней необходимо создать растягивающие продольные силы, численно равные ординате t1Р на рис. 4.4. Очевидно, величина этих сил определяется выражением:

Соответственно, при закреплении плети при температуре t2 (лето) для ввода плети в расчетный режим эксплуатации в ней необходимо создать сжимающие продольные силы, численно равные ординате t2С и определяемые по формуле:

NC(t2 ) = αEF(tз − t2 ) .

Очевидным способом создания в плети расчетных продольных сил является ее растяжение продольной силой, определяемой по формуле (4.16). Расчетная величина удлинения плети, без учета сил погонного сопротивления, составит:

где L — длина рельсовой плети; EF — продольная жесткость рельса.

Создать расчетные продольные силы в рельсовой плети представляется возможным также посредством нагревания свободнолежащей плети до ее удлинения на величину, определяемую по формуле (7.6). После закрепления плети и понижения температуры рельса до его температуры

при производстве работ, в рельсовой плети возникнут продольные силы, соответствующие расчетным, определяемым выражением (4.16).

Однако не представляется возможным создать в рельсовых плетях расчетные сжимающие силы. Приложение к концам плетей сжимающих сил не обеспечит создание расчетных продольных сил вследствие небольшой продольной жесткости рельса. Технологически и экономически не представляется возможным также получить расчетные продольные сжимающие силы посредством их охлаждения до получения необходимого укорочения.

4.3. Оптимизация температур закрепления рельсовых плетей

Как следует из рассмотренной диаграммы продольных сил, в средней части рельсовой клети при закреплении плетей при температуре, близкой к нижней границе расчетного интервала — mintз (в пределах t3 ), при эксплуатации бесстыкового пути зимой имеется существенный запас прочности рельсов на растяжение. Естественно, уменьшается вероятность разрыва плетей. Но при этом эксплуатация бесстыкового пути летом, при высоких температурах рельса, связана с минимальным запасом по устойчивости пути.

При закреплении рельсовых плетей при температуре, близкой к верхней границе расчетного интервала — maxtз (также в пределах t3 ), максимальные температурные силы возникают зимой, а летом запас по устойчивости возрастает.

Учитывая, что отказ бесстыкового пути, характеризующийся выбросом пути, является более «тяжелым» по последствиям и требует значительных затрат труда на устранение его последствий, традиционно на практике стремились закреплять рельсовые плети при температурах, близких к верхней границе расчетного интервала — maxtз (естественно, в пределах t3 ).

Другим не менее важным фактором, определяющим целесообразность закрепления рельсовой плети при высоких температурах, является то, что в противном случае затрудняется выполнение летних путевых работ, снижающих устойчивость бесстыкового пути (очистка щебня, выправка и рихтовка пути).

В предыдущей редакции ТУ–2001 имелась рекомендация о закреплении рельсовой плети в верхней половине расчетного интервала закрепления. В действующих ТУ–2001 введено понятие «оптимальная» температура закрепления и приведены рекомендуемые значения для железных дорог сети.

Пример

Для Западно-Сибирской железной дороги tопт = 30 ± 5 °С (±5 °С — интервал), в кривых R

≤ 500 м, расположенных в районах с tminmin ≤ −50 °С, tопт = 29±3 °С.

Для Красноярской железной дороги tопт = 25±5 °С, в кривых R ≤ 500 м, расположенных в районах с tminmin ≤ −50 °С, tопт = = 28±3 °С.

Закрепление рельсовой плети в расчетном интервале при температурах, близких к maxtз (tопт ) , в отдельных случаях можно привести при низких температурах к

образованию большого зазора при сквозном изломе плети или к разрыву болтов в стыках уравнительных пролетов с большим расхождением концов рельсов.

Возникновение большого зазора при сквозном изломе плети может привести к нарушению безопасности прохождения колес подвижного состава через образовавшийся зазор. Поэтому величина этого зазора, как указывалось в третьем разделе, для российских железных дорог не должна превышать 50 мм. В третьем разделе получено, что при [δизлома ] = 50 мм допускаемые понижения температуры рельсов относительно температуры закрепления плети равны:

Используя формулу (4.13) для определения верхней границы температурного интервала закрепления

maxtз = tminmin +[ tp ] ,

получим условие непревышения нормативной величины зазора при изломе рельсовой плети

maxtз ≤ tmin +[ tp ]изл .

При необеспечении нормативных значений погонного сопротивления допускаемые понижения температуры рельсов будут существенно меньше, приведенных в выражении (4.18), что приведет к значительным ограничениям условий закрепления плетей.

В третьем разделе показана необходимость ограничения понижения температуры

рельса относительно температуры закрепления рельсовой плети по условию предельно допустимого стыкового зазора в стыках.

Допустимое понижение температуры рельса относительно температуры закрепления рельсовой плети по условию предельно допустимого стыкового зазора определяется выражением (5.17):

где δ0 — величина зазора в стыках при укладке; δр — допустимая величина стыкового

зазора.

Тогда условие непревышения допустимой величины стыкового зазора имеет вид:

maxtз ≤ tmin +[ tz ].

ВТУ–2001 приведены наивысшие допускаемые температуры закрепления плетей из условия недопущения разрыва болтов в стыках уравнительных пролетов. Так, для рельсов типа Р65 они имеют значения, приведенные в таблице. В знаменателе приведены значения tз при применении высокопрочных стыковых болтов.

4.4.Устойчивость бесстыкового пути

Втретьем разделе показано, что повышении температуры рельсовых плетей (ti) относительно температуры их закрепления (tз) в средней части плети могут возникать

температурных сил в рельсовой плети, закрепленной при температуре tз = +10 °С. При повышении температуры рельса до ti = +50 °С в средней части плети возникнет сжимающая температурная сила:

Nti ≈ 20,5 ti = 20,5 (10 °C – (–) 50 °C) = –1230 кН.

Врасчетах устойчивости бесстыкового пути необходимо учитывать силы, возникающие в обеих рельсовых плетях, так как боковым перемещениям пути препятствуют все элементы рельсошпальной решетки, в том числе балласт в ящиках и за концами шпал. Соответственно, продольная температурная сила, воздействующая на

Приведенные в ТУ–2001 допускаемые повышения температуры рельсов относительно температуры закрепления плетей получены на основе проведенных экспериментальных исследований во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта.

В результате экспериментов были определены силы, при которых начинаются заметные поперечные подвижки рельсошпальной решетки, следом за которыми происходит резкое изменение кривизны колеи — выброс пути. Выброс пути является быстрым процессом искривления рельсов в горизонтальной плоскости с несколькими волнами (до 0,5 м на длине до 40 м).

Для исследования устойчивости рельсо-шпальной решетки бесстыкового пути на специальном стенде и трех железных дорогах было проведено более 320 опытов. Была исследована устойчивость бесстыкового пути на прямых участках и в кривых радиусами от 800 до 250 м с рельсами Р50, 65, 75 на железо-бетонных и деревянных шпалах, щебеночном, асбестовом и гравийном балласте КБ и ЖБ, Д2, Д4 и костыльных. Стенд представлял собой 100-метровый участок пути между двумя бетонными упорами. Позднее был сооружен 300-метровый криволинейный участок для испытания устойчивости пути при различных радиусах кривых. Нагрев рельсовых плетей осуществлялся электрическим током.

На основании проведенных экспериментов установлена следующая схема работы бесстыкового пути от воздействия сжимающих продольных сил.

Если повышение температуры идет непрерывно, то после некоторого значения повышения ti до tкр продольная сила достигает значения, при котором поперечных сдвижек путевой решетки δ еще не происходит (рис. 4.5, а).

Изменение температуры tкр соответствует критической температурной силе Nкр.

При дальнейшем повышении температуры начинается поперечное перемещение рельсошпальной решетки. Зависимость этих перемещений от температурной силы Nti или от

изменения температуры ti — нелинейная. При достижении температурной силы величины,

равной сумме всех сопротивлений, поперечные деформации путевой решетки продолжаются при постоянной температурной силе (и температуре).

Значение этой постоянной температурной силы принято называть закритической силой. На рис. 4.5, а: tзакр — изменение температуры рельса, соответствующее закритической силе Nзакр.

Если повышение температуры прекращается в интервале температур от tкр до tзакр, а дальше происходит понижение температуры, то путь, как правило, не возвращается в исходное положение, сохраняя некоторые остаточные деформации.

Возвращению упруго-изогнутых рельсов в исходное положение препятствуют силы трения шпал по балласту и в узлах рельсошпальной решетки. При последующем новом повышении температуры процесс искривления начнется при уже частично деформированной путевой решетке с уменьшенным запасом устойчивости (рис. 4.5, б). Подобное циклическое изменение температуры в летний период происходит регулярно.

Рис. 4.5. Поперечные деформации рельсошпальной решетки бесстыкового пути от воздействия сжимающих продольных сил

Появление таких остаточных деформаций и особенно их накопление при повторных воздействиях температур нельзя допускать, так как усложняет текущее содержание пути, и что особенно опасно, закритическое состояние — выброс пути может наступить при меньшей температуре, чем при первом повышении температуры.

Исходя из вышесказанного, расчетным значением критической продольной силы принята ее величина, при которой возможно появление незначительных поперечных деформаций. При этом при небольших поперечных деформациях, при понижении температуры путь возвращается в исходное состояние.

Величина допустимых поперечных сдвигов пути принята равной:

— 0,2 мм — на прямых участках, 0,4 мм — в кривых.

Проведенными экспериментами также установлено, что зависимость допустимых повышений температуры рельсов по условию устойчивости пути против выброса по сравнению с температурой закрепления от кривизны пути является линейной. На рис. 4.6 изображена зависимость допустимого повышения температуры рельсов от кривизны пути для рельсов Р65 и щебеночного балласта. На рис. 4.6 вверху приведена шкала, отражающая связь радиуса с кривизной.

Рис. 4.6. Зависимость допустимого повышения температуры рельсов от кривизны пути для рельсов Р65 и щебеночного балласта

Сопротивляемость пути поперечным деформациям от воздействие подвижного состава увеличивается за счет вертикальной нагрузки и уменьшается за счет вибрационного воздействия от подвижного состава. Проведенные эксперименты, в которых средние части плетей длиной по 100 м нагревались перед пропуском подвижного состава, показали, что устойчивость бесстыкового пути, нагретого до максимального разрешения температур, при пропуске по нему грузовых поездов не снижается.

Исследованию устойчивости бесстыкового пути посвящено ряд теоретических исследований. Так, изучалось влияние неровностей бесстыкового пути на его устойчивость. Важность этого обусловлена тем, что реально план железнодорожного пути отличается от проектного положения бесконечным сочетанием неровностей различной амплитуды. Наличие неровностей пути влияет на устойчивость бесстыкового пути. На рис. 4.7 приведена зависимость критической температурной силы Nкр от амплитуды бытовой неровности Сб.

Рис. 4.7. Зависимость критической температурной силы Nкр

от амплитуды бытовой неровности Cб

Данная зависимость показывает существенное влияние на устойчивость бесстыкового пути «бытовых» неровностей пути и важность устранения неровностей пути в плане при текущем его содержании.

4.5.Суммирование температурных и угоняющих сил

врельсовых плетях

Из рассмотрения закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния следует, что при надежной связи рельса с основанием обеспечивается неподвижность средней части плети. На протяжении этой неподвижной части плети изменение температуры вызывает в рельсах продольные силы, изменяющиеся линейно в зависимости от изменения температуры

рельса относительно температуры закрепления рельсовой плети. Обеспечение нормативного сопротивления продольному перемещению рельсовой плети наряду с созданием неподвижной средней части плети исключает появление продольных перемещений концов рельсовых плетей, нарушающих удовлетворительную работу уравнительных пролетов.

Однако при движении подвижного состава возникают силы угона, достигающие максимума при его торможении и суммирующие с продольными температурными силами.

При надежном закреплении концевых участков рельсовая плеть в целом не имеет перемещений. Однако на протяжении средней части плети могут иметься участки с незакрепленными клеммами, например участок l2 на рис. 4.8, а, где отсутствует погонное сопротивление.

На концевых участках длиной l и на участках l1 и l3 обеспечивается нормативное значение погонного сопротивления r = rнорм .

В средней части плети на участке l2 при проходе поездов реализуются продольные угоняющие силы ругона (рис. 4.8, б). За счет местных подвижек от сил угона на участке l2 возникают дополнительные сжимающие и растягивающие силы. Возникающие продольные

границу участков l2 – l3. (сечение D1C на рис. 4.8, в).

Растягивающие силы уравновешиваются силами погонного сопротивления r = rнорм на участке

А-А1, а сжимающие — силами погонного сопротивления r = rнорм на участке D1-D.

После прохода поезда на участке AD происходит перераспределение напряжений, в результате которого на участке А-А1 остаются растягивающие продольные силы, описываемые эпюрой АB1А1, а на участке D1-D — сжимающие силы, описываемые эпюрой D1С1D (рис. 4.8, в). На рис. 4.8, в. Nур

— максимальная остаточная растягивающая сила после прохода поезда, Nус — максимальная остаточная сжимающая сила после прохода поезда. Очевидно, что величина остаточных сил угона равна половине максимальных сил угона под поездом. Появление остаточных сил от угона вызвано тем, что на участках l1 и l3 рельсы имеют надежное соединение с основанием. Погонные силы сопротивления на участках «компенсации» сил угона (А-А1, D1-D) не позволяют сечениям плети на участке l2 полностью вернуться в исходное положение. Длина участков А-А1, D1-D зависит от величины максимальных сил угона и значения погонного сопротивления r.

При этом после прохода поезда направление сил погонного сопротивления меняется на противоположное на половине участка А-А1 и на половине участка D1-D, примыкающих к участку l2. Это связано с тем, что при проходе поезда все сечения на участке AD смещаются по направлению движения поезда, а после прохода поезда стремятся вернуться в исходное положение. При отсутствии остаточных продольных сил угона эпюра продольных растягивающих температурных сил зимой имеет вид, приведенный на рис. 4.8, д.

При проходе подвижного состава на эпюру продольных температурных сил накладываются продольные силы угона. Сумма продольных растягивающих температурных сил и остаточных сил угона после прохода поезда имеет вид, представленный на рис. 4.8, е. Продольные растягивающие силы увеличиваются на величину Nур. По аналогии, летом сжимающие температурные силы увеличиваются на величину остаточных сжимающих сил угона Nус. В наибольшей степени фактор суммирования температурных сил и сил угона проявляется при проходе длинносоставных поездов и при торможении, когда существенно возрастают силы угона.

В таблице приведены значения остаточных сил при погонном сопротивлении на участке l2 – 0,5 кН/м и проходе поезда из четырехосных вагонов. Величина дополнительных остаточных сил угона плети достигает 350 кН. Если общая длина плети L окажется меньше значения, приведенного в таблице, то произойдет общая подвижка плети в сторону движения поезда, то есть начнется угон плети в целом.

Рис. 4.8. Суммирование температурных сил и сил угона

Раздел 5. ТЕХНОЛОГИЯ УКЛАДКИ РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ

5.1. Технология укладки и изготовления рельсовых плетей бесстыкового пути

Погрузка, перевозка, выгрузка плетей

Перевозку рельсовых плетей к месту укладки осуществляют на специальном составе (см. рис. 5.1), который состоит из 59 четырехосных платформ и одного пассажирского вагона для обслуживающего персонала. Платформы оборудованы роликовыми опорами и устройством на головной платформе для закрепления рельсовых плетей. Наибольшая длина плети, перевозимой на

поезде, составляет 800 м. Одновременно может быть погружено 12 плетей. Обслуживают состав 5 человек. Общая длина 871 м.

Рис. 5.1. Схема специального состава для перевозки рельсовых плетей: 1 — локомотив; 2 — головная платформа; 3 — промежуточные платформы;

4 — хвостовые платформы; 5 — плети при погрузке на состав со сварочной технологической линии РСП; 6 — направляющие лотки для выгрузки

рельсовых плетей на путь и погрузки плетей с пути

На спецсоставе перевозят и рельсовые плети, имеющие длину меньше 800 м. В этом случае короткие плети последовательно располагают на одном и том же рольганте и соединяют типовыми накладками (четырехболтовыми). Скорость движения поездов на прямых и кривых участках радиусом более 800 м допускается до 80 км/ч. Для подтягивания погружаемых рельсовых плетей к устройству для закрепления их концов спецсостав имеет электростанцию и электролебедку длиной не менее 800 м.

Погрузку и выгрузку рельсовых плетей обеспечивает специальное оборудование, установленное в хвостовой части спецсостава. Погрузка рельсовых плетей с продольной надвижкой их на ролики платформ выполняется непосредственно с поточной линии РСП либо со склада готовой продукции на подъездном пути, являющимся продолжением поточной линии. Для закрепления на спецсоставе и стаскивания с него плетей по их концам должны быть просверлены отверстия диаметром 30 мм на расстоянии 100 мм от торца плети или типовые отверстия под стыковые болты. Последняя платформа оборудована противокантовочным устройствами, а также имеет два наклонных металлических лотка, верхние концы которых надежно прикреплены к платформе. При загрузке плетей на состав на переднем конце надвигаемой плети закрепляют специальный «башмак», который направляет ее по роликовому каналу. Для предохранения плетей, свободно лежащих на рольгантах, от возможных поднятий из роликов, на каждой платформе поверх плетей укладывается по одной поперечной ограничительной планке.

Рельсовые плети выгружаются парами для правой и левой рельсовых нитей. Очередность выгрузки определяется проектом. Концы выгрузочных тросов специальными захватами прикрепляются к правой и левой рельсовым плетям пути, а другие концы этих же тросов, пропущенных через наклонные лотки и противокантовочные устройства, прикрепляют к правой и левой рельсовым плетям, подлежащим выгрузке. Одновременно концы этой пары плетей освобождают от закреплений на головной платформе. Места установки рельсовых захватов определяются исходя из точной длины выгрузочных тросов и проектного положения начала выгрузочных плетей. Концы выгружаемых плетей следует размещать точно в створе по отношению к концам ранее уложенных плетей или уравнительных рельсов с целью минимизации продольных передвижек плетей. При последующей сварке плетей с предварительным изгибом плети выгружаются с забегом. На рис. 5.2 показана выгрузка пары рельсовых плетей.

Рис. 5.2. Выгрузка рельсовых плетей

После закрепления тросов состав плавно трогается с места и продолжает движение со скоростью 3 км/ч до тех пор, пока концевые части плетей не пройдут противокантовочные устройства и наклонные лотки и не опустятся на шпаты в середине колеи.

Для предупреждения значительного искривления или выброса выгруженных плетей при повышении температуры рельсов плети необходимо закреплять на деревянных шпалах или полушпалах, временно укладываемых в шпальные ящики, двумя костылями через каждые 15 м в кривых радиусом 800 м и менее и через 25 м в остальных случаях. При этом костыли не должны зажимать подошву рельса.

Концы выгруженных плетей следует защищать башмаками от возможного зацепления за них свисающих с подвижного состава частей. Башмаки не должны препятствовать температурному перемещению рельсовых плетей. После закрепления концевых участков плетей на шпалах (полушпалах) рельсовые плети выгружают при движении поезда со скоростью до 15 км/ч.

Для плавного пропуска вторых концов плетей через противокантовочные устройства и наклонные лотки перед завершением выгрузки скорость движения поезда вновь уменьшают до 3 км/ч.

Укладка и замена плетей

Укладку плетей вместо инвентарных рельсов осуществляют до пропуска 1 млн т груза брутто. Данное ограничение вызвано тем, что длительная эксплуатация инвентарных рельсов на железобетонных шпалах вызывает интенсивное расстройство пути в зоне стыков.

Замена инвентарных рельсов на сварные плети или смена плети производится в «окно». При подготовительных работах до «окна» допускается частичное снятие клемм на инвентарных рельсах (или сменяемых плетях). Рельсы (или плети) оставляют закрепленными на всех предстыковых шпалах и на каждой третьей шпале при пропуске поездов со скоростью от 26 до 60 км/ч, на каждой шестой — до 25 км/ч.

Надвигать плеть на подкладки следует начиная с одного конца плети, совместно со сболченным с ней уравнительными рельсами и с вваренными изолирующими стыками. Целесообразно последовательно надвигать несколько плетей.

Замену инвентарных рельсов плетями (либо старогодных плетей на новые) осуществляют навесным или прицепным устройствами. Навесное устройство (рис. 5.3) состоит из двух роликовых захватов, соединенных поперечиной, с помощью которых обе рельсовые плети поднимаются, разводятся и укладываются на рельсовые колодки. Роликовый захват состоит из двух вертикальных и двух горизонтальных роликов, охватывающих рельс.

Устройство подвешивают к передней части стрелы укладочного крана и соединяют тросом с автосцепкой. Грузовые тележки укладочного крана используются для погрузки