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.

1. грузонапряженность млн. ткм/км брутто в год 65

2. максимальная скорость движения поездов, км/час

· пассажирских 100

· грузовых 70

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛАССА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Современная 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

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ УКЛАДКИ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ

Исходные 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 Т_А.

Если по расчету Т_А? [Т], то бесстыковой путь можно укладывать.

Значение Т_А определяется как алгебраическая разность наивысшей t_{max max} и наинизшей t_{min min} температур рельса, наблюдавшихся в данной местности (при этом учитывается, что наибольшая температура рельса на открытых участках превышает на 20 °С наибольшую температуру воздуха):

Т_А= t_{max max} - t_{min min}; Т_А = 62- (-34)= 96°С

Амплитуда допускаемых изменений температур рельсов

[Т]= [Д t_у]+ [Д t_р]+ [Д t_з],

где: [Дt_з],-- минимальный интервал температур, в котором окончательно закрепляются рельсовые плети, [Д t_з] = 10°С;

[Дt_р] -- допускаемое повышение температуры рельсов по сравнению с температурой их закрепления, определяемое устойчивостью против выброса пути при действии сжимающих продольных сил;

[Дt_у]-- 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 [Дt_у] 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 [Дt_у] определяется на основании данных таблицы №4 методуказаний.

[Дt_у] = 40°С;

K_n у_k + у_t ? [у]

где: K_n -- коэффициент запаса прочности (K_n = 1,3 для рельсов первого срока службы; K_n = 1,4 для рельсов, пропустивших нормативный тоннаж);

у_k -- напряжение в кромках подошвы рельса под нагрузкой от колес подвижного состава, МПа;

у_t -- напряжение в поперечном сечении рельса от действия растягивающих температурных сил, возникающих мри понижении температуры рельса по сравнению с его температурой при закреплении, МПа;

[у] -- допускаемое напряжение (для новых незакаленных рельсов [у] = 350 МПа, для новых термоупрочнённых -- 400 МПа).

Напряжение в подошве рельса у_k определяется по правилам расчета верхнего строения пути на прочность.

Температурное напряжение, возникающее в рельсе в связи с несостоявшимся изменением его длины при изменении температуры,

у_t = бEДt = 2,5 Дt,

где б -- коэффициент линейного расширения (а = 0,0000118 1/град);

Е -- модуль упругости рельсовой стали (Е = 210 ГПа = 2,1-10⁵ МПа);

Дt--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:

[Дt_р] = [у] - K_n у_k = [у] - K_n у_k

бE 2,5

В данном случае понижение [Дt_р] 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: [Дt_р] = 82°С; Для рельсов термоупроченных:

[Дt_р] = 82 + 20 = 102°С;

Тогда [Т] будет равно:

[Т]= [Д t_у]+ [Д t_р]+ [Д t_з] = 40+82-10=112°С;

Условие Т_А? [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

Д t_з =[Д t_у]+ [Д t_р] - [ Т_А] ;

Д t_з = 40+82-96 = 26 °С;

Границы интерна на закрепления, т.е. самую низкую min t_з наибольшую max t_з, температуры закрепления, определяют по формулам:

min t_з = t_{max max} - [Д t_у] = 62-40=22°С ;

max t_з = t_{min min} +[Д t_р]=-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

3. РАСЧЁТЫ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ

a. Определение возвышения наружного рельса в кривой.

b. Расчёт основных элементов для разбивки переходных кривых.

c. Определение ширины колеи в кривой.

· радиус кривой 1100м;

· максимальная скорость движения поезда по кривой:

o грузового 73км/ч;

o пассажирского 90км/ч;

· приведенная скорость поездпотока 50км/ч;

· угол поворота линии в 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:

h_{р пас} =12,5 VІmax пас/ R-115; (1)

для грузового поезда:

h_{р гр} =12,5 VІmax гр/ R- 50; (2)

для потока поезда:

h_{р 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 б_нп = 0,7 м/с²; ш = 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 = б_нп 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

Расстояние m от тангенсного столбика сдвинутой кривой до начала переходной кривой

Значение абсциссы x₀ и ординаты у₀ для конца переходной кривой

Подсчёт для промежуточных ординат для: х= 10м; х= 20м; х= 30м

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 S_min.

Оптимальная ширина рельсовой колеи S_опт на кривой радиусом R из условия вписывания тележки с трехосной жесткой базой L_o определится следующим образом (см. рис. 3).

Обозначим ширину колесной колеи:

Расчетные схемы вписывания трехосной жесткой базы

Обозначения на рис. 3:

О -- центр вращения экипажа; л -- расстояние от центра вращения экипажа до геометрической оси первого колеса (в данном случае л = L_o); b₁ -- расстояние от геометрической оси первой колесной пары до точки касания гребня колеса с рельсом; f_n -- стрела изгиба наружного рельса (при хорде АВ); ?з -- сумма поперечных разбегов соответствующих колесных пар заданного экипажа.

При ?з= О S=К + f_n;

При ?з? О S=К + f_n -?з.

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 К_mах, а допуск на сужение равен 4 мм, то

S_опт=К_mах + f_n + ?з +4 ;

f_n=(л + b₁ ) ²/2R;

b₁=л* r/ R* tg ф

где: r -- радиус качения колеса, м;

ф -- угол наклона образующей гребня колеса к горизонту (для вагонного колеса 60°, для локомотивного 70°)

При определении минимально допустимой ширины S_min (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 д_min -- минимальный зазор между боковой рабочей гранью рельса и гребнем рельса на прямом участке пути:

S_min=К_mах + f_n - ?з + д_min ;

f_n=(л + b₁ ) ²/2R; b₁=л* r/ R* tg ф; л = L₀ /2;

Из таблицы №7 методуказаний и таблицы №8:

К_mах =1509мм; ?з= 6мм; л = L₀=4400мм; r=600мм;

f_n=(л + b₁ ) ²/2R; b₁=л* r/ R* tg ф

b₁=4400* 600 / 1100000* tg 70°= 4400*600/1100000*2,747=7мм;

f=(4400 + 7 ) ²/2*1100000=9мм;

S_опт=1509+9-6+4=1516мм;

S_min=К_mах + f_n - ?з + д_min ; из таблицы №7 д_min =7мм

b₁=л* r/ R* tg ф=2200*600/1100000*2,747=3мм;

л = L₀ /2= 4400/2 =2200мм;

f_n=(2200+ 3 ) ²/2*1100000=2мм;

S_min=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).