Розрахунок верхньої будови колії
Вступ
Рейки, укладені на підрейкову основу паралельно одна одній на строго визначеній відстані між ними створюють рейкову колію. Рейкова колія призначена для направлення коліс рухомого складу при їх русі. Рейкова колія характеризується своєю шириною, положенням рейкових ниток по рівню і підуклонкою рейок.
В сучасних умовах роботи залізничного транспорту працівники колійного господарства використовують нові ресурсозберігаючі технології при ремонтах колії, проводять реконструкцію колійного розвитку станцій з укладанням стрілочних переводів на залізобетонних брусах, готують колію для підвищення швидкостей руху поїздів на напрямках міжнародних залізничних транспортних коридорів, ефективно ведуть машинізоване поточне утримання безстикової колії, в тому числі з довгими рейковими плітями, підвищують терміни служби елементів верхньої будови колії. Зниження обсягів перевізної роботи і вантажонапруженості, наступне збільшення міжремонтних термінів і періодичності ремонтів колії викликає необхідність зміни підходів до організації утримання і ремонтів колії та підвищення її надійності.
1. Розрахунок елементів ВБК на міцність колії
1.1 Визначення вертикальних динамічних сил
Для цього встановимо усі технічні характеристики та задані умови, а саме:
Локомотив ТЭП-10
конструктивна швидкість – />
статичне навантаження -/>
жорсткість ресорного підвішання -/>
діаметр колеса по кругу кочення -/>
послідовні відстані між осями колісних пар у вогонній тележці-/>
Тип рейок-Р65
Приведений знос – 9 мм
Шпали – дерев′яні
Тип скріплення – ДО
Товщина баластного шару – 40 см.
Визначимо максимальний прогин ресор:
/>
За розрахункове динамічне навантаження приймається максимальне імовірне значення від сукупності впливу постійної статичної і змінних динамічних сил:
/>
де:/>середнє значення динамічної сили;
/>нормуючий множник (рівний – 2,5) для заданого рівня імовірності
Ф=0,994.
/>
де:/>статичний тиск колеса на рейку;
/>середнє значення сили інерції, що викликається коливанням надресорної будови: />
/>
/>
Для всіх інших сил інерції середні значення рівні нулю:
/>
Сумарне середньоквадратичне відхилення визначається з формули:
/>,
Середньоквадратичне відхилення додаткової вертикальної сили від коливання надресорної будови приймається рівним:
/>
Середньоквадратичне відхилення сили інерції, в (кН), що виникає під час руху колеса по ізольованій нерівності на колії, визначається з формули:
/>
/>
де:
/> – швидкість руху.
/> – модуль пружності підрейкової основи.
/>відстань між осями шпал, при епюрі 1680 шп. на км.
/>коефіцієнт, що враховує вплив типу баласту, в нашому випадку це
щебінь.
/>коефіцієнт, що враховує вплив типу рейок, в нашому випадку це
Р65.
/>коефіцієнти, що враховують вплив типу шпал на
утворення нерівностей, в нашому випадку це залізобетон.
/>момент інерції рейки відносно горизонтальної осі.
/>модуль пружності рейкової сталі, кг/см. кв.
/>вага нересорної частини.
Середньоквадратичне відхилення сили інерції, в(кН), що виникає від колеса з ізольованої нерівності на поверхні кочення, визначається з формули:
/>
де:
/>— коефіцієнти, що враховує вплив маси колії на взаємодію, в
нашому випадку для колії на дереві.
/>безрозмірний прогин.
/>розрахункова глибина ізольованої нерівності (для локомотива на підшипниках кочення).
Середньоквадратичне відхилення сили інерції, в (кН), під час руху по шляху колеса з безперервною нерівністю, визначається з емпіричної формули:
/>
Сумарне середньоквадратичне відхилення визначимо так:--PAGE_BREAK--
/>
Отже, />
1.2 Вибір розрахункової осі екіпажу
/>
Для того щоб визначити величини /> потрібно визначити значення />.
/>, а відповідно />, />.
/>, а відповідно />, />.
Визначимо максимум завантаження лінії впливу моментів />, та максимум завантаження лінії впливу поперечних сил />.Отже,
/>
/>
Визначимо максимальне еквівалентне навантаження для розрахунків
напружень в рейках від дії згинаючого моменту за формулою:
/>
/>
/>
Для того щоб визначити величини />потрібно визначити значення />.
/>, а відповідно />, />.
/>, а відповідно />, />.
Визначимо максимум завантаження лінії впливу моментів />, та максимум завантаження лінії впливу поперечних сил />.Отже,
/>
/>
Визначимо максимальне еквівалентне навантаження для розрахунків
напружень в рейках від дії згинаючого моменту за формулою:
/>
/>
Отже приймаємо:
/>
/>
/>
/>
Визначимо згинальний момент />та силу тиску рейки на опору
/>за такими формулами:
/>
/>
Визначимо ординату лінії впливу прогинів />, за формулою:
/>
/>
/>
1.3 Розрахунок напружень у рейках, шпалах, баласті
Визначимо напруження в рейках по осі головки та підошви від дії
згинаючого моменту за наступними формулами:
/>
/>
Визначимо напруження в кромках підошви рейки та головки від вигину
та кручення за наступними формулами:
/>
/>
Де />– коефіцієнт, що
враховує перехід від осьових напружень в головці (в кривій ділянці колії). продолжение
--PAGE_BREAK--
Визначимо напруження зминання в шпалах під підкладкою та
напруження стиску в баласті під шпалою за наступними формулами:
/>
де />площа підкладки в см. кв.
/>
Порівняємо отримані розрахункові напруження в елементах ВБК із
допустимим напруженнями:
/>так 180,456 МПа265МПа;
/>так 186,498МПа265МПа;
/>так 1,001МПа 1,6МПа;
/>так 0,18 МПа 0,42МПа;
Таким чином отримано, що розрахункові напруження в усіх елементах ВБК не перевищують допустимих значень. По міцності прийнятий тип ВБК ланкової колії задовольняє заданим умовам.
2. Розрахунок напружень на основній площадці земляного полотна
Напруження на основній площадці земляного полотна для точки, що знаходиться під віссю розрахункової шпали визначаються за формулою:
/>
Де />напруження від впливу розрахункової шпали під віссю на глибині hвід нижньої постелі
/>напруження в тій самій точці від впливу однієї сусідньої шпали;
/>те саме від впливу іншої сусідньої шпали.
Кожне з цих напружень є функція від напружень в баласті, відповідно:
Під розрахунковою шпалою, розташованою ліворуч і під шалою,
розташованою праворуч від розрахункової.
/>
Визначимо силу тиску рейки на опору в розрахунковому перерізі:
/>
/>
Отже сила тиску рейки на опору по сусідній шпалі становитиме:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Визначимо напруження у баласті:
/>
/>
/>
Визначимо напруження на глибині баластного шару:
/> продолжение
--PAGE_BREAK--
/>
/>
/>
Напруження на основній площадці земляного полотна для точки, що знаходиться під віссю розрахункової шпали визначаються за формулою:
/>
Порівняємо отримані розрахункові напруження стискання грунту на основній площадці земляного полотна з допустимими напруженням:
/>так 0,0636 МПа ;
Таким чином, розрахункові напруження на основній площадці земляного полотна не перевищують допустимих значень, тобто прийнятий тип ВБК відповідає заданим експлуатаційним умовам.
3. Розрахунок ВБК на міцність з використанням ПК
Всі розрахунки розділів 1 та 2 для різних швидкостей руху було проведено на ПК для прямої і кривої ділянки колії для літніх та зимових умов експлуатації.
Результати цих розрахунків наводяться далі.
4. Аналіз отриманих напружень в елементах ВБК та побудова графіків залежності напружень від швидкості руху.
Для встановлення відповідності заданої конструкції колії умовам експлуатації потрібно порівняти отримані напруження в елементах ВБК з допустимими напруженнями в цих елементах.
Напруження в елементах ВБК
Умови експлуатації
Напруження
Літо,
крива
Літо,
пряма
Зима,
крива
Зима,
пряма
Допустимі
напруження, МПа
Напруження в кромках підошви рейки/>
180,88
135,36
179,58
134,39
265
Напруження в кромках головки рейки/>
186,87
164,11
185,53
162,93
265
Напруження в шпалах />
1,011
1,011
1,101
1,101
1,6
Напруження в баласті />
0,1801
0,1801
0,1960
0,1960
0,42
Напруження на основній площадці/>
0,06405
0,06405
0,06890
0,06890
0,1
Порівнявши отримані напруження в елементах ВБК з допустимими напруженнями в цих елементах робимо висновок, що задана конструкція колії відповідає заданим умовам експлуатації. На основі отриманих даних будуємо графіки залежності напружень всіх елементів ВБК від швидкості для різних умов експлуатації.
/>
/>
/>
/>
/>
5. Розрахунок безстикової колії на стійкість в горизонтальній поперечній площині
Особливістю розрахунку безстикової колії є необхідність врахування температурних напружень в рейкових плітях.
При виникненні в рейковій пліті великих температурних сил, відповідно і великих напружень, можливі два види критичного стану безстикової колії: втрата міцності, або втрата стійкості.
Умова міцності забезпечується, якщо найбільші напруження від впливу рухомого складу, разом з температурними не перевищують допустимих значень:
/>
де />кромочні напруження в рейках від дії колісного навантаження;
/>температурні напруження в рейках;
/>допустимі напруження в рейках безстикової колії, рівні – 325та265 МПа; продолжение
--PAGE_BREAK--
/>коефіцієнт неврахованих факторів, що дорівнює 1,4.
/>
де />коефіцієнт лінійного розширення рейкової сталі, рівний 0,0000118 1/град;
/>модуль пружності рейкової сталі, що дорівнює />
/>інтервал зміни температури рейки відносно температури закріплення, що визначається наступним чином:
/>
Тоді температурні напруження в рейках будуть рівні:
/>
Перевіримо умову міцності:
– від кромочних напружень в головці рейки:
/>325МПа;
– від кромочних напружень в підошві рейки:
/>265МПа;
Таким чином отримано, що розрахункові напруження в рейках не перевищують допустимих, отже умова міцності забезпечується, тобто за міцністю колія відповідає заданим експлуатаційним умовам.
Допустима з умов міцності зміна температури рейкової пліті відносно температури закріплення визначається за формулою:
Для умов літа (по міцності головки рейки):
/>
Для умов зими (по міцності підошви рейки):
/>
Перевірку безстикової колії за умов стійкості виконаємо так:
Допустиме значення критичної сили визначається за формулою:
/>
де />величина критичної сили, при якій відбувається втрата стійкості;
/>коефіцієнт запасу на стійкість, приймається рівним 1,5 (згідно ЦП0117);
Тоді />визначається наступним чином:
/>
де А,/>величини, що залежать від типу рейок та плану лінії і приймаються з таблиці 26 – ЦП0117;
/>коефіцієнт, що залежить від опору шпал зсуву поперек колії: при опорі 4,5кН – 1,0
/>коефіцієнт, що залежить від епюри шпал: при епюрі 1680 шп/км – 0,91
/>коефіцієнт, що залежить від затяжки клемних болтів: при затягуванні клемних болтів скріплень моментом 200 Нм (при />‰) – 1,0
/>
Допустиме з умов стійкості підвищення температури рейкової пліті відносно температури закріплення визначається за формулою:
/>
6. Визначення температурного інтервалу закріплення безстикової колії для заданого району його укладки
Остаточне встановлення меж допустимого підвищення і пониження температури рейкової пліті відносно температури її закріплення виконується комплексно з урахуванням умов міцності і стійкості:
/>
Тоді, />
Можливість укладки безстикової колії і спосіб її експлуатації визначаються в залежності від розрахункового інтервалу закріплення рейкової пліті, що визначається за формулою:
/> продолжение
--PAGE_BREAK--
де />максимальна мінімальна температури рейок для заданої місцевості, а саме для міста Рівне.
При закріпленні рейкових плітей в розрахунковому інтервалі />напруження та зусилля в рейках не перевищують допустимих значень при найбільших />і найменшій />температурах рейок, при цьому виконуюються умови міцності і стійкості безстикової коліїї влітку і умови міцності взимку.
Межі інтервалу закріплення />, тобто найнижчу і найвищу розрахункові температури закріплення рейкової пліті визначають за формулами:
/>
/>
Виразимо підрахунки у вигляді температурної діаграми:
/>
Допустимий інтервал закріплення рейкових плітей за технологічними умовами згідно технічних вказівок з укладання і утримання колії, а також
ЦП 0117 встановлений не менше />
Так як у проекті отримано, що розрахунковий інтервал закріплення />то експлуатація безстикової колії можлива з обмеженням швидкості взимку при температурі близької до температури />, або необхідно підсилювати ВБК.
Список використаної літератури
1. Правила розрахунків залізничної колії на міцність і стійкість.ЦП 0117,
К., 2006 р.-167 с.
2. Технічні вказівки по улаштуванню, укладанню, ремонту і утриманню безстикової колії на залізницях України. К.: Транспорт України, 2002. – 106 с.
3. Конспект лекцій.