- неравномерным износом головок рельсов по длине пути, а колес - по кругу катания;
- неравномерностью пути по длине, являющейся следствием различных факторов: загрязненностью балластного слоя и состояния шпал, расстояния между шпалами, качество подбивки и изношенности пути, различного состояния земляного полотна, их несущей способности (болото, скальный грунт, различная степень обводнения);
- недостатками текущего содержания, несвоевременностью производства капитальных ремонтов и низкого их качества и др.;
- конструктивными особенностями пути и подвижного состава (наличие кривых и прямых участков, возвышение наружного рельса в кривых, механических стыков, стрелок, крестовин, коничности колес и др.).
Неровности пути практически являются основной причиной колебаний подвижного состава и реализуемых динамических сил взаимодействия. При практических расчетах пути на прочность задачу упрощают, принимая, в частности, в качестве расчетных осредненные параметры пути.
1.3.4 Нагрузки на рельсы
Вертикальные динамические нагрузки колес Рдин экипажей тележечного типа (вагонов, локомотивов) на рельсы складываются из:
- статической нагрузки экипажа, отнесенной к одному колесу (пассажирский вагон - 7,1-8,1 тс, груженый четырехосный вагон - 10-12 тс. Была попытка увеличить эту нагрузку до 12,85 тс, однако…
- инерционных составляющих, возникающих при отклонении центра тяжести неподрессоренной массы от прямолинейной траектории за счет наличия изолированной неровности на пути Рнп, изолированной и непрерывной неровности на колесе, соответственно обозначаемых Ринк и Рннк;
- составляющей, обусловленной колебаниями кузова на рессорах Pp.
Вертикальная динамическая нагрузка колеса на рельс в промежуточной зоне звена находится в пределах от 10 т (гладкий рельс, пассажирский, и порожний грузовой вагон) до 25 т (рельс с волнообразным износом, груженый вагон, локомотив.); в зоне механического стыка на деревянных шпалах - от 15 до 30 тс, на железобетонных - значительно выше; на жесткой крестовине в пределах нормативного износа - от 20 до 40 тс.
Боковая нагрузка колеса на рельс Нбок формируется за счет нажатия гребня колеса на рабочую грань Y (передача через раму экипажа силы, действующей на кузов) и сил трения Pifi, возникающих при поперечном проскальзывании колес по рельсам, Нбок=Y±Рifi. В кривой, помимо рамного усилия, вызванного влиянием подвижного состава, возникают направляющие усилия и центробежные силы. Направляющее усилие действует, как правило, от первой оси тележки. Колесо, вступая в кривую, стремится продолжить прямолинейное движение, а рельс упорной нити кривой заставляет его повернуться.
Центробежные (центростремительные) ускорения и соответствующие им силы реализуются при движении по кривой, на которой возвышение наружного рельса не соответствует фактической скорости движения поезда, неровности в плане также вызывают рост Нбок.
На кривых, расположенных на спусках, где используется рекуперативное торможение, боковые силы, действующие на рельсы, заметно возрастают. Так; боковая нагрузка колеса на рельс на прямой находится в пределах 2-4, а в кривых - 5-10 тс.
Горизонтальная продольная сила Нпрод формируется главным образом за счет продольных сил угона пути и температурных сил. Особенно увеличивается угон при движении тяжеловесных и длинносоставных поездов, а также на участках рекуперативного торможения.
При торможении современного локомотива продольная сила составляет 8-12 тс на звено, а при рекуперативном торможении может достигать 60-70 тс. Температурная сжимающая и растягивающая продольная силы в пути при этом могут достигать соответственно 220 и 260 тс.
1.3.5 Схема передачи нагрузок
На рисунке приведена схема передачи нагрузки от колеса на элементы верхнего строения пути и земляное полотно. Динамическая нагрузка колеса передается на головку рельса по небольшой площадке контакта. Площадь эллипса упругого контакта 1,2-2,2 см2.
Металл головки рельса, находясь в объемном сжатии, может выдержать без разрушения большие давления при расположении площадки контакта в средней части поверхности катания и значительно меньшие - у края головки. Опасными являются скалывающие напряжения, возникающие на некоторой глубине. Эквивалентные напряжения в современных условиях эксплуатации при Рдин=25 тс превосходят предел контактной выносливости стали и являются причиной появления и развития трещин в головке рельса, особенно при неметаллических включениях и других несовершенствах структуры металла головки.
Прочность верхнего строения пути в первую очередь определяется контактно-усталостной сопротивляемостью металла головки рельсов: чем больше наработка и чем больше нагрузка от колес, тем быстрее «устает» металл от реализуемых напряжений. Так например paбoтa разрушения рельса после пропуска 200, 400 и 600 млн. т. брутто составляет соответственно от нового 80, 60 и 45%.
1.3.6 Воздействия природных факторов
Взаимодействие пути и экипажа происходит в сложной обстановке. Наряду с постоянными факторами (геологическая обстановка), велико влияние переменных факторов (атмосферные условия, воздушные потоки, осадки, температурно-влажностные факторы и т.п.), которые существенно изменяют характер и силы взаимодействия пути и подвижного состава. Состояние контактирующих поверхностей рельсов и колес (сухие, влажные, обледенелые, покрытые пылью, песком, мазутом и т. п.) меняет контактные касательные напряжения между ними, а также износ рельсов, колес и т.п.
Изменение влажности грунта земляного полотна и балластного слоя влияет на их несущую способность. Накопление остаточных деформаций в балластном слое возрастает с повышением его загрязненности и влажности.
При увлажнении древесины шпал существенно снижается их сопротивление смятию. В мерзлом состоянии грунты, балласт и деревянные шпалы резко увеличивают свою несущую способность. Отрицательные температуры увеличивают хрупкость рельсов. Если при промерзании грунтов земляного полотна происходит их неравномерное пучение, в результате которого изгибаются рельсы, то при этом появляются дополнительные напряжения как в земляном полотне и балластном слое, так и в шпалах и рельсах.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.