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:

1.На железнодорожных линиях федерального (общесетевого) значения пути должны быть не ниже 3 класса.

2.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.

3.В зависимости от количества пассажирских и пригородных графиковых поездов путь должен быть не ниже:

1класса — более 100 поездов в сутки;

2класса — 31-100 поездов в сутки;

3класса — 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 станционныеи 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 квнеклассным 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 климатическиеусловия, на путях 1-4 классов рекомендуется преимущественноприменять 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 соответствиис Техническими условиями на применение старогодныхматериалов 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
укладываютсярельсы, скрепления и шпалы — старогодные, рельсы IIIгруппы 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 3т.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 R
1200м
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 ТА
.

Если по расчету ТА
≤
[Т
], то бесстыковой путь можно укладывать.

Значение ТА
определяется как алгебраическая разностьнаивысшей tmax
max
и наинизшей tmin
min
температур рельса,
наблюдавшихся в данной местности (при этом учитывается, что наибольшая температура рельса на открытых участках превышаетна 20 °С наибольшую температуру воздуха):

ТА
=
tmax max
–tmin min
; ТА
= 62- (-34)= 96°С

Амплитуда допускаемых изменений температур рельсов

[Т
]= [Δ
t
у
]+ [Δ
t
р
]+ [Δ
t
з
],

где: [Δ
t
з
],— минимальный интервал температур, в которомокончательно закрепляются рельсовые плети, [Δ
t
з
] = 10°С;

[Δ
t
р
] — допускаемое повышение температуры рельсовпо сравнению с температурой их закрепления, определяемоеустойчивостью против выброса пути при действии сжимающих продольных сил;

[Δ
t
у
]— допускаемое понижение температуры рельсовыхплетей 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 [Δ
t
у
] устанавливается на основании исследований устойчивостипути.

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 [Δ
t
у
] определяется на основании данных таблицы №4 методуказаний.

[Δ
t
у
] = 40°С;

Kn
σk
+ σt
≤ [σ]

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

σk
— напряжение в кромках подошвы рельса под нагрузкой от колес подвижного состава, МПа;

σt
— напряжение в поперечном сечении рельса отдействия растягивающих температурных сил, возникающих мри понижении температуры рельса по сравнению с еготемпературой при закреплении, МПа;

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

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

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

σt
= αE
Δ
t
=
2,5 Δ
t
,

где α— коэффициент линейного расширения (а = 0,0000118 1/град);

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

Δ
t
—разность между температурой, при которой определяется напряжения, и температурой закрепления плети,
°С.

Наибольшее допускаемое по условию прочностирельса понижение температуры рельсовой плети по сравнениюс ее температурой при закреплении определяется по формуле:

[Δ
t
р
] = [σ] -
Kn
σ
k
= [σ] -
Kn
σ
k

αE
2,5

В данном случае понижение [Δ
t
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: [Δ
t
р
] = 82°С; Для рельсов термоупроченных:

[Δ
t
р
] = 82 + 20 = 102°С;

Тогда [Т
] будет равно:

[Т
]= [Δ
t
у
]+ [Δ
t
р
]+ [Δ
t
з
] = 40+82–10=112°С;

Условие ТА
≤
[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

Δ
t
з
=[Δ
t
у
]+ [Δ
t
р
] - [ ТА
] ;

Δ
t
з
= 40+82-96 = 26 °С;

Границы интерна на закрепления, т.е. самую низкую mint
з
наибольшую maxt
з
, температурызакрепления, определяют по формулам:

min t
з
= tmax max
– [Δ
t
у
] = 62-40=22°С ;

max t
з
= tmin min
+[Δ
t
р
]=-34+82=48°С;

При укладке плетейдлиной 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.

=26°С

=62°С

= -34°С

=48°С

=22°С

=40°С

=82°С

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 β
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 V
²
max пас/ R
-115; (1)

для грузового поезда:

r />

h
р гр
=12,5 V
²
max гр/ R
- 50; (2)

для потока поезда:

h
р пот
=12,5 V
²
пот/R
; (3)

где: V
max пас и V
max гр — максимальные скорости, км/ч соответственно пассажирского и грузового поезда, установленные в кривой по приказу начальника дороги;

V
пот— 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 данномслучае 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 V
²
пр/R
;

где: V
пот— приведенная скорость поездпотока. По заданию V
пот=45км/ч.

Возвышение наружного рельса в кривой будет равна:

h
=12,5 50²/1100 = 28мм;

3.2 Расчет основных элементов для разбивки переходной кривой

Длина переходной кривой l
0
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 αнп
= 0,7 м/с2
; ψ = 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

l
01
= h
0
/i
= 20 / 0,001=20м

· При скорости подъема колеса по наружному рельсу 28 мм/с = 1/10 км/ч h
0
/l
0
=1/(10 V
max).Отсюда:

l
02
=10h
V
max =10*0,0,02*90 =18,0м

· Из условия допустимой величины нарастания горизонтальных ускорений

l
03
= αнп
V
max/ 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 l
04
=80м

Из четырёх определённых значений длины переходной кривой принимается наибольшая, т.е принимается длина переходной кривой l
0
=80м

Величина уклона отвода будет:

i
0
=h
0
/l
0
= 0,020 / 80= 0,00025м

Определяются параметр кривой

C
= R
l
0
= 1100*80 =88000м2

Величина сдвижки круговой кривой к центру

P=	l 0 2	(1 -		l 0 2		)
	24R			112R 2
P=	802		(1 -		802		)	=	6400	(	1-	6400	)	=	0,21м
	24*1100				112*11002				26400			13552*104

Расстояние m
от тангенсного столбика сдвинутой кривой до начала переходной кривой

m=	l 0	(1 -		l 0 2		)
	2			112R 2
m=	80		(1 -		6400		)	=	40	(	1-	6400	)	=	39,87м
	2				112*11002							13552*104

Значение абсциссы x
0
и ординаты у
0
для конца переходной кривой

x 0 =	l 0	(1 -				l 0 4				)
						40С 2
x 0 =	80			(1 -				4096*104				)		=	80		(		1 -		0,00379		)	=	79,69м
								88000*102
у 0 =	l 0 3		(		1		-		l 0 4		)
	2С				3				168С 2
у 0 =	51200					(		1	-	4025*104						)		=		0,819м
	2*88000							3		168*88000*106

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

у 10 =	х 3			(			1						+								2х 4				)
	6С																				35С 2
у 10 =		103																			(				1		+				2*104	)		=
		6*88000																													35* 880002
=	0,0016									(							1				+				2						)	=	0,0018м
																									37856*103
у 20 =	203										(					1			+				2*204				)				=
	6*88000																						35*880002
=	0,0128				(				1					+				32							)		=			0,0128м
																		35*880002
у 30 =	303							(				1					+			2*304					)		=
	6*880002																			35*880002
=	0,0433		(			1				+					162							)		=		0,0433м
															35*88000

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 Lo
определится следующим образом (см. рис. 3).

Обозначим ширину колесной колеи:

Расчетные схемы вписывания трехосной жесткой базы

Обозначения на рис. 3:

О — центр вращения экипажа; λ
— расстояние от центра вращения экипажа до геометрической оси первого колеса (в данном случае λ
=
Lo
); b
1
— расстояние от геометрической оси первой колесной пары до точки касания гребня колеса с рельсом; fn
— стрела изгиба наружного рельса (при хорде АВ); ∑η — сумма поперечных разбегов соответствующих колесных пар заданного экипажа.

При ∑η= О S
=К +
fn
;

При ∑η≠ О S
=К +
fn
-
∑η.

К = (Т
+ 2
q
+
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
m
ах
, а допуск на сужение равен 4 мм, то

S
опт
=
К
m
ах
+ fn
+∑η +4 ;

fn
=(λ +
b
1
)
2
/2R
;

b
1
=λ*
r
/
R
*
tg
τ

где: r
— радиус качения колеса, м;

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

При определении минимально допустимой ширины Smin
(см. рис. 3 справа), за расчетную принимается схемазаклиненного вписывания экипажа, при которой наружные колеса крайних осей жесткой базы ребордами упираетсяв наружный рельс кривой, а внутренние колеса средней оси — в рельс внутренней нити.

К полученной на основании такой расчетной схемы ширине колеи прибавляется δ
min
— минимальный зазор между боковой рабочей гранью рельса и гребнем рельса на прямом участке пути:

Smin
=
К
m
ах
+ fn
-∑η + δ
min
;

fn
=(λ +
b
1
)
2
/2R
;
b
1
=λ*
r
/
R
*
tg
τ; λ =
L
0
/2;

Из таблицы №7 методуказаний и таблицы №8:

К
m
ах
=
1509мм; ∑η= 6мм; λ =
L
0
=
4400мм; r
=
600мм;

fn
=(λ +
b
1
)
2
/2R
;
b
1
=λ*
r
/
R
*
tg
τ

b
1
=
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;

Smin
=
К
m
ах
+ fn
-∑η + δ
min
; из таблицы №7 δ
min
=7мм

b
1
=λ*
r
/
R
*
tg
τ
=2200*600/1100000*2,747=3мм;

λ =
L
0
/2= 4400/2 =2200мм;

fn
=(
2200+ 3)2
/2*1100000=2мм;

Smin
=
1509+3-6+4+7=1517мм;

Согласно ПТЭ в кривой радиуса R=1100м ширина колеи 1520мм

Используемая литература

1.Строительные нормы и правила Российской Федерации. Железные дороги колеи 1520 мм. СНиП 32-01-95. Минстрой России, 1995.

2.Приказ Министра путей сообщения Российской Федерации № 14 Ц от 25 сентября 1995 г. «О строительно-технических нормах «Железные дороги колеи 1520 мм» — М., 1995.

3.Железные дороги колеи 1520 мм. СТН Ц-01-95. — М.: Министерство путей сообщения Российской Федерации, 1995.

4.Положение о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской Федерации. — М.: МПС РФ, 2002.

5.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.

6.Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути. — М.: Транспорт, 2000.

7.Технические условия на работу по ремонту и планово-предупредительной выправке пути. Утв. МПС 28 июня 1997 г. — М.: Транспорт, 1998. — 188 с.

8. Железнодорожный путь/ Под ред. Т.Г. Яковлевой. — М.:Транспорт, 2001.

9. 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).