1.1.3 Ширина рельсовой колеи в кривых

Ширина рельсовой колеи определяется из условия вписывания тележек подвижного состава (жесткой базы) в кривые соответствующего радиуса.

Длиной жесткой базы L называется расстояние между крайними осями тележки или безтележечного экипажа, остающимися при движе­нии взаимно параллельными.

Вписыванием подвижного состава в кривую называется уста­новившееся при движении в кривой положение колесных пар жесткой базы относительно рабочих граней рельсовых нитей, обращаемые в результате взаимодействия между рельсовым путем и ходовыми частями экипажа. В зависимости от длины жесткой базы, ра­диуса кривой и ширины колеи вписывание может быть свободным, принудительным и заклиненным.

При свободном вписывании наблюдается минимальное силовое взаимодействие ходовых частей подвижного состава и колеи, а следовательно, имеют место наименьшие износы рельсов и колес и затраты энергии на движение. (По этой причине стремятся обеспечить свободное вписывание).

При заклиненном вписывании колесные пары жесткой базы тележек не имеют никакой поперечной свободы, вследствие чего создаются особо неблагоприятные условия взаимодействия подвижного состава и рельсовой колеи в кривой. В нормальных условиях эксплуатации заклинен­ное вписывание не допускается.

Промежуточное положение жесткой базы тележки между заклиненным и свободным вписыванием характеризует принудительное вписывание, допускаемое в основном для локомотивов.

Для облегчения вписывания трехосных тележек экипажей в кривые их колесные пары имеют, как правило, поперечные разбеги (смещения) относительно жесткой рамы.

1.1.4 Определение оптимальной ширины колеи

При определении оптимальной ширины колеи за исходную принимают схему свободного вписывания. На рисунке 1.2 представлена схема такого вписывания для трехосной тележки с учетом разбегов крайних осей.

Рисунок 1.2 - Схема свободного вписывания трехосной тележки в кривую

Для двухосной тележки принципиальная схема сохраняется такой же (без средней оси). Точкой О обозначен центр вращения тележки. При свободном вписывании он находится на задней оси и внутреннее колесо этой оси своим гребнем касается внутренней ниш кривой, не взаимодействуя с ней. Оптимальная ширина колеи, 5_опт мм определяется по формуле (1.2):

1.2 Расчет возвышения наружного рельса

Перемещение экипажа в кривой складывается из двух движений: поступательного и вращательного вокруг точки, расположенной на продольной оси экипажа, называемой центром поворота.

Непрерывное вращение экипажа относительно центра поворота происходит под действием сил, возникающих в точках соприкосновения гребней колес направляющих осей с боковой гранью головки рельсов. Это направляющие силы.

Так как любой железнодорожный экипаж имеет больше одной оси, а в пределах жесткой базы все они параллельны между собой и поворачиваться относительно продольной оси этой базы не могут, то движение, связанное с поворотом экипажа, возможно лишь при скольжении колес по рельсам, что вызывает их повышенный износ.

При непрерывном повороте экипажа кривой возникает поперечное ускорение:

Центробежная сила J, равная произведению массы экипажа т на величину ускорения а и направленная в сторону от центра кривой (рисунок 1.3), определяется по формуле:

Рисунок 1.3 - Расчетная схема для определения возвышения наружного рельса в кривых

Эта сила прижимает экипаж к наружной нити, затрудняет его поворот и тем самым увеличивает направляющую силу и, как следствие, боковой износ наружного рельса.

Центробежная сила как инерционная сила вызывает не только смещение в сторону наружной рельсовой нити, но и крен кузова на рессорах. Вследствие этого смещается центр тяжести подрессорного и надрессорного строений. Поэтому может возникать перегрузка наружной рельсовой нити как от непосредственного действия центробежной силы, создающей опрокидывающий момент, так и за счет веса экипажа, линия действия которого отклоняется от оси колеи.

При торможении возникают продольные силы, поперечные составляющие которых также увеличивают направляющие силы.

Для уменьшения центробежной силы и указанных выше неблагоприятных последствий, которые она вызывает, в кривых участках пути устраивают возвышение наружного рельса.

При возвышении наружного рельса центробежная сила уменьшается на величину горизонтальной составляющей веса экипажа, определяемой по формуле:

Разность между силами J и T составит:

А выражение в скобках носит название непогашенного поперечного ускорения:

Минимум поперечного воздействия на путь в кривой от многих эки­пажей будет при:

К этому условию, назовем его первым, приводится выполнение требования о равенстве суммы вертикальных давлений колес на наружную и внутреннюю рельсовые нити, если не учитывать сдвиги центра тяжести экипажей относительно оси колеи за счет определенной установки его при вписывании. Суммировать воздействие следует за год, пользуясь графиками движения поездов, с учетом ближайшей перспективы.

Требование (1.8) выполняется при а_н = 0, что позволяет опреде­лять возвышение наружного рельса по формуле:

В настоящее время имеет, как правило, место существенный разрыв в скоростях движения грузовых и пассажирских поездов. Поэтому приходится разрешать непогашенное центробежное ускорение а_н = 0,7 м/с². Это приводит ко второму условию:

что позволяет получить вторую формулу для определения возвышения наружного рельса при а_нп = 0,7 м/с²:

Для грузовых поездов непогашенное ускорение иногда ограничивают величиной а = ±0,3 м/с². В случае а = 0,3 м/с² величина возвышения наружного рельса определяется по формуле:

В зависимости от конкретных условий работы пути в кривой (интенсивности износа рельсов по одной и другой нитям), полученная расчетом величина возвышения, при необходимости может корректироваться в пределах нормативов непогашенных ускорений.

Независимо от радиуса кривой возвышение наружного рельса с уче­том допусков не должно превышать 150 мм.

В кривых, расположенных на участках рекуперативного торможения, рекомендуется для компенсации действия продольных сжимающих сил увеличивать полученное расчетом возвышение на величину до 20 %, а на кривых, расположенных на руководящих подъемах и близких к ним, для компенсации продольных растягивающих сил уменьшать полученное расчетом возвышение на величину до 15 %. При этом должны соблюдаться нормативы по предельным непогашенным ускорениям.

В целях сокращения расходов на содержание пути при проведении ремонтных работ величину возвышения наружного рельса в кривых рекомендуется устанавливать исходя из непогашенного ускорения а_нп = ±0,3 м/с² для грузовых поездов.

Согласно ПТЭ [1] на отечественных железных дорогах максимальное возвышение принято ограничивать величиной h =150 мм. Если по расчету окажется, что h > h_max =150 мм, следует на вновь строящих­ся линиях увеличить радиус кривой, а на эксплуатируемых линиях ограничивают скорость движения пассажирских поездов из условия а_нп = 0,7 м/с² при h = 150 мм по формуле: