Устройство рельсовой колеи тесно связано с конструкцией и размерами колесных пар подвижного состава. Колесная пара состоит из стальной оси, на которую наглухо насажены колеса, имеющие для предотвращения схода с рельсов направляющие гребни. Поверхность катания колес подвижного состава в средней части имеет коничность 1/20, которая обеспечивает более равномерный износ, большее сопротивление горизонтальным силам, направленным поперек пути, меньшую чувствительность к неисправностям его и препятствует появлению желоба на поверхности катания, затрудняющего прохождение колесных пар по стрелочным переводам. В соответствии с этим и рельсы устанавливаются также с подуклонкой 1/20, что при деревянных шпалах достигается за счет клинчатых подкладок, а при железобетонных - соответствующим наклоном поверхности шпал в зоне опирания рельсов. Расстояние между внутренними гранями головок рельсов называется шириной колеи . Эта ширина складывается из расстояния между колесами (1440 + 3 мм), двух толщин гребней (от 25 до 33 мм) и зазоров между колесами и рельсами, необходимых для свободного прохождения колесных пар. Ширина нормальной (широкой) колеи в прямых и кривых участках пути с радиусом более 349 м принята в СССР 1520 мм с допусками в сторону уширения б мм и в сторону сужения 4 мм. До 1972 г. нормальной на наших дорогах считалась ширина колеи 1524 мм; сужение ее до 1520 мм принято для уменьшения зазора между колесами и рельсами, что при возросших скоростях движения способствует уменьшению расстройств пути.
В соответствии с ПТЭ верх головок рельсов обеих нитей пути на прямых участках должен быть в одном уровне Разрешается на прямых участках пути на всей протяженности каждого из них содержать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой.
При сооружении пути стыки на обеих рельсовых нитях располагают точно один против другого по па-угольнику, что по сравнению с расположением стыков вразбежку уменьшает число ударов колесных пар о рельсы, а также позволяет заготавливать и менять рельсошпальную решетку целыми звеньями с помощью путеукладчиков.
Для того чтобы каждая колесная пара не могла поворачиваться вокруг вертикальной оси, колесные пары вагона или локомотива соединяют по две и более жесткой рамой. Расстояние между крайними осями, соединенными рамой, называется жесткой базой, а между крайними осями вагона или локомотива - полной колесной базой. Жесткое соединение колесных пар обеспечивает устойчивое положение их на рельсах, но в то же время затрудняет прохождение в кривых малого радиуса, где возможно их заклинивание. Для облегчения вписывания в кривые современный подвижной состав выпускают на отдельных тележках с небольшими жесткими базами.

:
а - электровоза ВЛ8, б - одной секции тепловоза ТЭЗ, в - паровоза серии ФД,
г - четырехосного полувагона

Особенности устройства пути в кривых

В кривых участках устройство пути имеет ряд особенностей, основными из которых являются: возвышение наружного рельса над внутренним, наличие переходных кривых, уширение колеи при малых радиусах, укладка укороченных рельсов на внутренней рельсовой нити, усиление пути, увеличение расстояния между осями путей на двух- и многопутных линиях.
Возвышение наружного рельса предусматривается при радиусе кривой 4000 м и менее для того, чтобы нагрузка на каждую рельсовую нить была примерно одинаковой с учетом действия центробежной силы, для равномерного износа наружного и внутреннего рельсов, а также погашения центробежного ускорения, отрицательно влияющего на комфортность езды пассажиров. Размер возвышения зависит от скорости движения поездов и радиуса кривой и обычно не превышает 180 мм (в России - 150 мм).
Известно, что при следовании подвижного состава по кривой радиусом R возникает центробежная сила

где m - масса единицы подвижного состава;
G- вес единицы подвижного состава;
g - ускорение силы тяжести

При возвышении наружного рельса на величину h появляется составляющая сила веса Н, направленная внутрь кривой.

Схема сил, действующих на подвижной состав в кривой при возвышении наружного рельса

Из рисунка понятно, что отношение H/G равно отношению h/s 1. Следовательно Н = Gh/s 1 .
Для одинакового давления на рельсовые нити необходимо, чтобы Н уравновешивала I, тогда равнодействующая N будет перпендикулярна наклонной плоскости пути.
Учитывая, что угол α мал и при максимальном допускаемом возвышении наружного рельса 150 мм cos α = 0,996, можно принять, что Н=I .
Тогда

Откуда

Подставляя s 1 =1,6м, g=9,81 м/с 2 и выражая скорость v в км/ч, а радиус R в метрах, получим возвышение в мм
Поскольку в реальных условиях по кривым проходят поезда разной массы Q i , и с различными скоростями V i , то для равномерного износа рельсов в приведенную формулу подставляют среднюю квадратическую скорость

При h=2,5v ср 2 /R в поездах, следующих со скоростями выше v ср, на пассажиров и грузы будет действовать непогашенное ускорение, равное разнице между центробежным ускорением v 2 /R и направленным к центру кривой ускорением gh/s 1
На дорогах бывшего СССР допускаемое непогашенное ускорение составляет 0,7 м/с 2 и лишь в исключительных случаях 0,9 м/с 2 . При движении поездов со скоростью менее v ср нагрузка на внутренний рельс будет больше, чем на наружный.
Для обеспечения плавного вписывания подвижного состава круговые кривые сопрягаются с прямыми участками с помощью переходных кривых. Между смежными кривыми на железной дороге предусматриваются прямые вставки минимальной величиной от 30 до 150 м в зависимости от категории линии и направления кривых (в одну или в разные стороны).
Устройства переходных кривых связано с необходимостью плавного сопряжения кривой с примыкающей прямой как в плане, так и в профиле. Переходная кривая в плане представляет собой кривую переменного радиуса, уменьшающегося от ∞ (бесконечно большого) до R - радиуса круговой кривой с уменьшением кривизны пропорционально изменению длины. Кривая, обладающая таким свойством, представляет собой радиоидальную спираль, уравнение которой выражается в виде ряда

где С - параметр переходной кривой (С=lR)

В связи с тем что длина переходной кривой l мала по сравнению, с С , практически достаточно ограничиться двумя первыми членами ряда приведенной формулы. В профиле переходная кривая в обычных условиях представляет собой наклонную линию с однообразным уклоном i = h/l.

. НПК - начало переходной кривой. КПК - конец переходной кривой

Уширение колеи производится для обеспечения вписывания подвижного состава в кривые. Поскольку колесные пары закреплены в раме тележки таким образом, что в пределах жесткой базы они всегда параллельны между собой, в кривой только одна колесная пара может расположиться по радиусу, а остальные будут находиться под углом Это вызывает необходимость увеличения зазора между гребнями колес и рельсами во избежание заклинивания колесных пар. Для свободного вписывания двухосной тележки в кривую необходимая ширина колеи:

S c =q max +f н +4

где f н - стрела изгиба кривой по наружной нити при хорде 2λ ;
q max - максимальное расстояние между наружными гранями гребней колес;
4 - допуск по сужению колеи, мм.

Установлены следующие нормы ширины колеи в кривых:
при R≥ 350 м - 1520 мм;
при R = 349-300 м- 1530 мм,
при R≤ 299 м -1535 мм.

Укладка укороченных рельсов во внутреннюю нить необходима для исключения разбежки стыков. Поскольку внутренняя рельсовая нить в кривой короче наружной, то укладка, в нее рельсов той же длины, что и в наружную, вызовет забегание стыков вперед на внутренней нити. Для устранения разбежки стыков при каждом радиусе кривой необходимо иметь свою величину укорочения рельса. В целях унификации применяют стандартные укорочения рельсовых звеньев длиной 25 м на 80 и 160 мм. Общее число укороченных рельсов n , требующихся для укладки в кривой,

n = e/k,

Где e - общее укорочение,
k - стандартное укорочение одного рельса
Укладку укороченных рельсов во внутренней нити чередуют с укладкой рельсов нормальной длины так, чтобы забег стыков не превышал половины укорочения, т. е. 40; 80 мм.
Усиление пути в кривых производится при R<1200 м для обеспечения необходимой равнопрочности с примыкающими прямыми. Для этого увеличивают число шпал на километр, уширяют балластную призму с наружной стороны кривой, ставят несимметричные подкладки с большим плечом в наружную сторону, отбирают наиболее твердые рельсы. В круговых кривых на двух- и многопутных линиях увеличивается расстояние между осями путей в соответствии с требованиями габарита, что достигается в пределах переходной кривой внутреннего пути за счет изменения ее параметра С.

Выписка из Правил технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации

Глава III. Сооружения и устройства путевого хозяйства. План и профиль пути
3.4. Железнодорожный путь в отношении радиусов кривых, сопряжения прямых и кривых, крутизны уклонов должен соответствовать утвержденному плану и профилю линии.
3.5. Станции, разъезды и обгонные пункты, как правило, должны располагаться на горизонтальной площадке; в отдельных случаях допускается расположение их на уклонах, не превышающих 0,0015; в трудных условиях допускается увеличение уклонов, но, как правило, не более чем до 0,0025.
В особо трудных условиях на разъездах и обгонных пунктах продольного или полупродольного типа, а с разрешения МПС и на промежуточных станциях, на которых не предусматривается маневров и отцепки локомотива или вагонов от состава, допускаются уклоны более 0,0025 в пределах станционной площадки. Допускаются также в особо трудных условиях с разрешения МПС уклоны более 0,0025 при удлинении приемо-отправочных путей на существующих станциях, при условии принятия мер против самопроизвольного ухода вагонов или составов (без локомотивов).
Для предотвращения самопроизвольного ухода вагонов или составов (без локомотива) на станциях, разъездах и обгонных пунктах вновь построенные и реконструированные приемо-отправочные пути, на которых предусматривается отцепка локомотивов от вагонов и производство маневровых операций, должны иметь, как правило, продольный профиль с противоуклонами в сторону ограничивающих стрелок и соответствовать нормативам на его проектирование.
В необходимых случаях для предупреждения самопроизвольного выхода вагонов на другие пути должно предусматриваться устройство предохранительных тупиков, охранных стрелок, сбрасывающих башмаков или стрелок.
Во всех случаях расположения станций, разъездов и обгонных пунктов на уклонах должны быть обеспечены условия трогания с места поездов установленной весовой нормы.
3.6. Станции, разъезды и обгонные пункты, а также отдельные парки и вытяжные пути должны располагаться на прямых участках. В трудных условиях допускается размещение их на кривых радиусом не менее 1500 м.
В особо трудных условиях допускается уменьшение радиуса кривой до 600 м, а в горных условиях - до 500 м.
3.7. План и профиль главных и станционных путей, а также подъездных путей, принадлежащих железной дороге, должны подвергаться периодической инструментальной проверке.
Организация работ по инструментальной проверке плана и профиля путей, изготовлению соответствующей технической документации, а также составлению масштабных и схематических планов станций возлагается на службы пути железных дорог с привлечением для выполнения этих работ проектных институтов, проектно-изыскательских и проектно-сметных групп.
Дистанции пути должны иметь:

• чертежи и описания всех имеющихся на дистанции сооружений и устройств путевого хозяйства, а также соответствующие стандарты и нормы;
• масштабные и схематические планы станций, продольные профили всех главных и станционных путей, сортировочных горок, а также подъездных путей, где обращаются локомотивы дороги.

Продольные профили сортировочных горок, подгорочных и вытяжных путей на сортировочных, участковых и грузовых станциях проверяются не реже одного раза в три года, на остальном протяжении станционных путей профиль проверяется не реже одного раза в 10 лет. Продольный профиль главных путей на перегонах проверяется в период проведения капитального и среднего ремонта путей. По результатам проверок устанавливаются конкретные сроки производства работ по выправке профилей. Участки, на которых производится реконструкция пути и другие работы, вызывающие изменения плана и профиля, проверяются исполнителями работ после их окончания с представлением в дистанцию пути, а на станциях и начальнику станции соответствующей документации.
При возведении на территории станции новых объектов, расширении или переносе существующих любая организация, выполняющая такие работы, должна незамедлительно передавать начальнику дистанции пути и начальнику станции исполнительную документацию, определяющую привязку объекта к существующему развитию станции.

1.5.

Рельсовая колея ж/д пути

Взаимодействие пути и подвижного состава. Рельсовой колеей называют расстояние между внутренними рабочими гранями головок рельсов, изме­ ренное на 15 мм ниже поверхности катания (на уровне контакта колеса сголовкой рельса). Основным условием при устройстве рельсовой колеи яв­ ляется обеспечение безопасности движения поездов с установленными ско­ ростями. Устройство рельсовой колеи, ее размеры и величины допускаемых отклонений от норм зависят от устройства ходовых частей подвижного со­ става и, в свою очередь, влияют на их конструкцию, размеры и допуски. Особенности ходовых частей подвижного состава следующие:

- наличие у колес гребней (рис. 1.78);

- глухая насадка колес на ось;

- постоянство расстояний междувнут­
ренними гранями колес;

- параллельность осей;

- коничность поверхности катания.

Гребни необходимы для того, чтобы на­ правлять движение колес по рельсу и пре­пятствовать сходу.

Глухая насадка колеса на ось, при которой колесо вращается вместе с осью, исключает износ ступицы колеса и подступичной части оси и благодаря это­ му не допускается наклонное положение колеса, опасное для движения.

Постоянство расстояний между внутренними гранями колес всех осей необходимо для обеспечения безопасности движения подвижного состава по колее. Расстояние между рельсовыми нитями колеи постоянно и состав­ ляет 1520 мм. При такой ширине колеи расстояние между внутренними гра­нями колес составляет 1440 мм с допусками ±3 мм и называется насадкой

(см. рис. 1.78). Для подвижного состава, следующего в поездах со скоростя­ми более 140 км/ч, допуски +3, -1 мм.

Параллельность осей необходима для избежания перекоса осей и провала колес внутрь колеи. Для обеспечения параллельности оси объединяют жест­кой рамой. Расстояние между крайними осями, остающимися параллельны­ ми придвижении как в прямых, так и в кривых участках пути, называют

жесткой базой экипажа. Расстояние между крайними осями экипажа - пол­ной колесной базой (рис. 1.79).

Чем длиннее жесткая база, тем слож­ нее движение экипажа в кривых. Для об­ легчения вписывания в кривые вагоны, тепловозы и электровозы при количестве осей больше трех, располагают на тележ­ ках, объединяющих две или три оси. Жест­ кой базой экипажа будет расстояние меж­ ду крайними осями тележки (см. рис. 1.79).Коничность поверхности катания обеспечивает более равномерный износ колес и головки рельса вследствие по­ перечных перемещений колеса при ви­ лянии экипажа с коническими колеса­ ми в прямых участках пути. Колесо катится по рельсу преимущественно ча­ стью поверхности катания с наклоном 1:20, которая поэтому изнашиваетсязначительно больше, чем часть, имею­ щая наклон 1:7 (пис. 1.80). Пои одно-

Образномнаклоне поверхности в 1:20 неравномерность износа привела бык быстрому образованию местного седлообразного износа (желоб). Проход по крестовине, переход с рамного рельсана остряк и обратно при наличии желобчатого износа колес сопровождается резкими толчками и ударами. Наклон в 1:7 способствует равномерному износу поверхности катания. На рис. 1.80 показано пунктиром и препятствует желобчатому износу. Наклон 1:7 и фаска 6:6 создают также благоприятные условия для перекатыванияколеса с прижатого остряка на рамный рельс и обратно. Толщина гребня колес допускается по ПТЭ (табл. 1.6).

Таблица 1.6

Ширина колеи в прямых участках. Нормальная ширина колеи в пря­ мых участках и кривых радиусом 350 м и более между внутренними граня­ми головок рельсов должна быть 1520 мм (ПТЭ, п. 3.9). Величины откло­нений не должны превышать по сужению -4 мм, по уширению +8 мм, на участках со скоростями 50 км/ч и менее допуски -4 мм, +10 мм. Следова­тельно, ширина колеи колеблется от 1530 мм до 1516 мм. Для того, чтобыисключить заклинивание колес подвижного состава в колее, при котором

77

Из таблицы видно, что максимальный зазор для локомотивов 39 мм, а минимальный 7 мм. Для вагонов соответственно 29 и 5 мм.Чем больше за­зор, тем больше виляние подвижного состава в прямых и тем сильнее боко­ вые удары гребней при набегании на рельсы. При меньших зазорах движе­ ние происходитболее плавно . Именно это определило нормальную ширину колеи 1520 мм (уменьшение на 4 мм по сравнениюс ранее существующей).

Верх головок рельсов обеих рельсовых нитей пути на прямых участках должен быть в одном уровне. Разрешается на прямых участках пути содер­ жать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой на всем протяжении прямо­го участка. При возвышении одной рельсовой нити на 6 мм, экипаж немно­го наклоняется и от этого наклона появится боковая сила, которая будет слегка прижимать колеса к пониженной нити и затруднять их виляние и дви­жение подвижного состава будетболее плавным .

Устройство рельсовой колеи в кривых участках. Для того, чтобы облег­ чить вписывание подвижного состава в кривые и прохождение по ним, рель­ совая колея в кривых имеет следующие особенности:

- уширение колеи при радиусах менее 350 м:

- возвышение наружного рельса над внутренним рельсом;

- переходных кривых в местах сопряжения прямых участков с кривыми;

- укороченные рельсы на внутренних рельсовых нитях;

Увеличенные расстояния между путями при наличии двух и более путей.
Ширина колеи в кривых. Уширение рельсовой колеи в кривых делают

Для того, чтобы подвижной состав с длинной жесткой базой мог проходить по кривым без заклинивания колесных пар. Правила технической эксплуа­ тации (ПТЭ, п. 3.9) устанавливают ширину колеи в кривых участках путипри радиусе

От 349 до 300 м...............................................................................1530 мм

От 299 м и менее.............................................................................1535 мм

На участках железнодорожных линий, где комплексная заменарельсош-пальной решетки не производилась, допускается на прямых и кривых учас­ тках пути радиусом более 650 м номинальный размер колеи - 1524 мм. Приэтом на более крутых кривых ширина колеи принимается:

При радиусе

От 650 до 450 м...............................................................................1530 мм

От 499 до 350 м...............................................................................1535 мм

От 349 м и менее.............................................................................1540 мм

Допуски на кривых участках так же, как на прямых, не должны превы­ шать по сужению -4 мм, по уширению +8 мм. Ширина колеи менее 1512 мм и более 1548 мм не допускается. Переход от уширенной колеи к нормальной делается в пределах переходной кривой с отводом 1 мм/м.

Вписывание подвижного состава в кривую может быть свободное, зак­ линенное и принудительное. Наиболее благоприятно для взаимодействия подвижного состава и путисвободное вписывание в кривую жесткой базы локомотива или вагона (рис. 1.82). При свободном вписывании гребень од­ного колеса передней оси прижат к наружной рельсовой нити и направляет движение экипажа, а гребень задней оси касается внутренней рельсовой нити, при этом задняя ось располагается по радиусу кривой. В этом случае жест­ кая база располагается в рельсовой колее совершенно свободно.

Наиболее неблагоприятным являетсязаклиненное вписывание (рис. 1.83),при котором наружные колеса упираются гребнями в наружную рельсовую нить, а внутренние колеса упираются во внутреннюю рельсовую нить. Закли­ненное вписывание не допускают, так как оно сопровождается значительнымувеличением сопротивления движению поездов, чрезмерным износом греб-

Рельсовая колея - это расстояние между внутренними боковыми гранями головок рельсов, измеряемое на уровне 13 мм ниже поверхности катания, в нашей стране еще в начале строительства железных дорог была принята равной 5 футам, то есть 1524 мм. В большинстве других стран нормальная ширина колеи 1435 мм. В Индии, Пакистане, Цейлоне, Испании, Португалии, Аргентине и Чили принята ширина колеи 1676 мм, в Бразилии, Северной Ирландии - 1600 мм, в Японии и ряде африканских стран - 1067 мм.

Во многих странах имеются узкоколейные дороги с шириной колеи 750, 600, 500 мм и других размеров.

Для улучшения взаимодействия пути с подвижным составом Правилами технической эксплуатации железных дорог, утвержденными МПС в 1970 г., ширина колеи уменьшена с 1524 до 1520 мм.

Нормальная ширина колеи относится к прямым участкам и к кривым радиусом 350 м и более. Для кривых радиусом от 349 до 300 м она равна 1530 мм, а при радиусах кривых менее 300 м - 1535 мм. Уширение колеи в кривых малых радиусов устраивают для облегчения прохождения по ним подвижного состава. В кривых радиусом от 650 до 300 м ширина колеи может иметь дополнительное уширение на величину фактического бокового износа головки рельсов, но не более чем до 1530 мм в кривых радиусом 650-450 м, 1535 мм - в кривых радиусом 449-350 м и 1540 мм - в кривых радиусом 349 м и менее.

Из-за невозможности обеспечить абсолютно точную величину ширины колеи при сборке рельсошпальной решетки и неизменяемость ее в эксплуатации установлены допуски в содержании колеи, равные +8 и -4 мм. Это значит, что при норме 1520 мм ширина колеи может колебаться в пределах от 1528 до 1516 мм. Для кривых участков применяют те же допуски, но с одним ограничением - ширина колеи более 1548 мм ни в каких случаях не допускается, так как такое увеличение создает опасность возможного распора ее частью колеса с увеличенной коничностью поверхности.

Если на участке установлены допускаемые скорости движения поездов 50 км/ч и менее, допускается уширение колеи до 10 мм, а сужение 4 мм.

На существующих линиях впредь до их перевода на колею 1520 мм допускается ширина колеи: на прямых участках и в кривых радиусом 350 м и более - 1524 мм; в кривых радиусом от 349 до 300 м - 1530 мм, а радиусом 299 м и менее - 1540 мм.

Имеются отдельные участки с колеей 1524 мм, где сохранились еще кривые со следующими величинами ширины колеи: при радиусах от 650 до 450 м - 1530 мм; при радиусах 449 до 350 м - 1535 мм; при радиусах 349 м и менее - 1540 мм.

До перехода на колею 1520 мм разрешено содержать путь по этим нормам.

В тяжелых условиях (горные линии, внутризаводские пути и т. д.), когда применяют очень крутые кривые и ширина колеи 1548 мм оказывается недостаточна, может быть допущено дополнительное уширение, но при условии укладки контррельсов и других устройств, исключающих возможность провала колес внутрь колеи.

Наиболее благоприятным является свободное вписывание в кривую жесткой базы локомотива или вагона (рис. 1), когда передняя ось прижата гребнем одного колеса к наружной рельсовой нити, а задняя касается гребнем внутренней рельсовой нити; при этом задняя ось оказывается расположенной по направлению радиуса кривой. В этом случае жесткая база единицы подвижного состава устанавливается внутри колеи совершенно свободно.

Самым неблагоприятным видом вписывания является заклиненное вписывание (рис. 2), при котором оба крайних колеса в жесткой базе оказываются прижатыми гребнями к рельсу. Такое вписывание вызывает очень большое сопротивление движению поезда и небезопасное давление колес на рельсы. Вписывание, по своему характеру занимающее промежуточное положение между свободным и заклиненным, называют принудительным .

На наших железных дорогах в настоящее время почти всюду находятся в обращении тележечные локомотивы (электровозы и тепловозы) и тележечные грузовые и пассажирские вагоны, имеющие жесткую базу от 1,8 м у четырехосного полувагона до 4,4 м у электровоза.

Переход на короткобазный подвижной состав позволил унифицировать ширину, колеи на прямых и кривых участках (радиусом 350 м и более), за исключением относительно небольшого протяжения путей в горных районах, подъездных, соединительных, внутризаводских и станционных, имеющих радиусы кривых менее 350 м.

При прохождении поездов по кривым участкам путь испытывает значительные дополнительные воздействия от колес подвижного состава. Чтобы избежать резких ударов гребней колес о рельсы при входе поезда в кривые, значительных перегрузок наружных рельсовых нитей из-за появления центробежных сил, облегчить вписывание подвижного состава в кривые и прохождение по ним:

• увеличивают ширину колеи;
• предотвращают искажения проектной кривизны пути;
• наружные рельсовые нити располагают выше внутренних;
• в местах сопряжений прямых участков пути с кривыми устраивают переходные кривые;
• уменьшают расстояния между шпалами;
• смазывают боковые поверхности соприкосновения гребней колес с рельсами.

Большое значение для взаимодействия подвижного состава и пути в кривых имеет размер жесткой базы локомотивов и вагонов. На дорогах РФ находятся в обращении в основном тележечные локомотивы (электровозы и тепловозы) и грузовые и пассажирские вагоны с жесткой базой от 1,8 м у четырехосного полувагона до 4,4 м у электровоза. У короткобазного подвижного состава значительно лучше условия прохождения по кривым, и это позволило унифицировать ширину колеи на прямых и кривых участках (радиусом 350 м и более). Только на относительно небольшом протяжении путей в горных районах, на подъездных, соединительных, внутризаводских и станционных путях, где радиусы кривых остались менее 350 м, производится уширение колеи.

Устройство рельсовой колеи тесно связано с конструкцией и размерами колесных пар подвижного состава. Колесная пара состоит из стальной оси, на которую наглухо насажены колеса, имеющие для предотвращения схода с рельсов направляющие гребни (рис. 2.12). Поверхность катания колес подвижного состава в средней части имеет коничность 1/20, которая обеспечивает более равномерный износ, большее сопротивление горизонтальным силам, направленным поперек пути, меньшую чувствительность к неисправностям его и препятствует появлению желоба на поверхности катания, затрудняющего прохождение. колесных пар по стрелочным переводам. В соответствии с этим и рельсы устанавливаются также с подуклонкой 1/20, что при деревянных шпалах достигается за счет клинчатых подкладок, а при железобетонных - соответствующим наклоном поверхности шпал в зоне опирания рельсов.

Расстояние между внутренними гранями головок рельсов называется шириной колеи . Эта ширина складывается из расстояния между колесами (1440±3 мм), двух толщин гребней (от 25 до 33 мм) и зазоров между колесами и рельсами, необходимых для свободного прохождения колесных пар. Ширина нормальной (широкой) колеи в прямых и кривых участках пути с радиусом более 349 м принята 1520 мм с допусками в сторону уширения 8 мм и в сторону сужения 4 мм. До 1972 г. нормальной на наших дорогах считалась ширина колеи 1524 мм.

В соответствии с ПТЭ верх головок рельсов обеих нитей пути на прямых участках должен быть в одном уровне. Разрешается на прямых участках пути на всей протяженности каждого из них содержать одну рельсовую нить на 5 мм выше другой.

При сооружении пути стыки на обеих рельсовых нитях располагают точно один против другого по наугольнику, что по сравнению с расположением стыков вразбежку уменьшает число ударов колесных пар о рельсы, а также позволяет заготавливать и менять рельсошпальную решетку целыми звеньями " с помощью путеукладчиков.

Для того чтобы каждая колесная пара не могла поворачиваться вокруг вертикальной оси, колесные пары вагона или локомотива соединяют по две и более жесткой рамой.

Расстояние между крайними осями, соединенными рамой, называется жесткой базой, а между крайними осями вагона или локомотива - полной колесной базой. Жесткое соединение колесных пар обеспечивает устойчивое положение их на рельсах, но в то же время затрудняет прохождение в кривых малого радиуса, где возможно их заклинивание. Для облегчения вписывания в кривые современный подвижной состав выпускают на отдельных тележках с небольшими, жесткими базами.

В кривых участках устройство пути имеет ряд особенностей, основными из которых являются: возвышение наружного рельса над внутренним, наличие переходных кривых, уширение колеи при малых радиусах, укладка укороченных рельсов на внутренней рельсовой нити, усиление пути, увеличение расстояния между осями путей на двух- и многопутных линиях.

Возвышение наружного рельса предусматривается при радиусе кривой 4000 м и менее для того, чтобы нагрузка на каждую рельсовую нить была примерно одинаковой с учетом действия центробежной силы.

Максимальное допускаемое возвышение наружного рельса 150 мм.

Установлены следующие нормы ширины колеи в кривых.

Схемы вписывания экипажа в кривых. Движение тележки экипажа с постоянной скоростью по круговой кривой вызывает поворот ее (вращение) относительно центра этой кривой, т.е. такое движение можно рассматривать состоящим из поступательного, совершаемого по направлению продольной оси жесткой базы экипажа, и поворота ее относительно некоторой точки 0, называемой центром (полюсом) поворота, за который принимают точку на пересечении продольной оси жесткой базы тележки с радиусом, к ней перпендикулярным (или радиусом-перпендикуляром).

В зависимости от соотношения размеров рельсовой колеи и колесной пары, сил, приложенных к экипажу, радиуса кривой и скорости движения могут быть различные схемы вписывания (установки) экипажа в кривых. Можно выделить заклиненную и незаклиненную. Незаклиненное вписывание в свою очередь делится на принудительное и свободное.

Заклиненная схема имеет место при минимальной теоретически возможной ширине колеи для данного экипажа, когда при выбранных разбегах осей экипаж не имеет возможности перемещаться в поперечном направлении в рельсовой колее (рис. 7.8, а). У двухосных и трехосных тележек при заклиненном вписывании возникают силы между колесом и рельсом для крайних осей тележки по наружным рельсовым нитям. Третья сила возникает по внутренней нити для задней оси тележки при двухосной конструкции и для средней оси при трехосной. При заклиненном вписывании в силу такой установки колес по наружной нити полюс вращения 0 находится посередине жесткой базы 1 жб.

Незаклиненная схема вписывания возникает, когда жесткая база экипажа имеет возможность перемещаться в поперечном направлении за счет свободных зазоров или разбега колесных пар. Центр поворота О при этом смещен к задней оси.

При возникновении поперечных сил в первой оси по наружной нити и в задней оси по внутренней наблюдается принудительное вписывание (рис. 7.8, б); если же последняя сила равна нулю, то такое вписывание называется свободным (рис. 7.8, в).

Рис. 7.8. Схемы вписывания жестких баз экипажей в кривые: а - заклиненное; б - принудительное; в - свободное («$=- точка контакта гребня колеса и рельса); стрелкой показаны направляющие усилия

Заклиненное вписывание в эксплуатации не допускается, так как приводит к очень большому сопротивлению движению (большое трение гребней колес по боковым граням головки рельсов), боковому износу рельсов и гребней колес.

При движении многоосных экипажей с большой жесткой базой, для обеспечения незакли- ненного прохода колес требуется производить уширение рельсовой колеи.

Ширина колеи в кривых. За расчетную схему определения ширины колеи в кривых принимают схему заклиненного вписывания железнодорожного экипажа, при которой наружные колеса крайних осей жесткой базы своими ребордами упираются в наружный рельс кривой, а внутренние колеса средних осей упираются во внутренний рельс. Центр поворота экипажа, как рассмотрено выше, находится посередине жесткой базы (двухосные жесткие базы, многоосные жесткие базы с симметричным расположением осей и их разбегов). К полученной на основании такой расчетной схемы ширине колеи (приводящей к заклиненному вписыванию) следует добавить некоторую величину, в качестве которой принимают величину минимального зазора 5 min между боковыми рабочими гранями рельсов и гребнями колес на прямом участке. Тем самым удается избежать заклиненного вписывания.

Рассмотрим случай определения минимально необходимой ширины рельсовой колеи S из условия вписывания трехосной тележки с жесткой базой Т жб в кривую радиусом R (рис. 7.9). Эта схема выбрана потому, что в настоящее время на дорогах РФ наиболее длинную базу имеет тележка трехосного локомотива.

Рис. 7.9.

Введем обозначения:

О - центр поворота жесткой базы экипажа; при симметричной тележке центр поворота лежит на оси средней колесной пары; q - ширина колесной пары;

/ - расстояние от центра поворота до точки гребня первого колеса, упирающегося во внешний рельс;

/-стрела изгиба наружного рельса, отсчитываемая от хорды, проходящей через точку контакта колеса и рельса; / = -;

• ?у- сумма поперечных разбегов осей.

Запишем выражение для ширины колеи при заклиненном впи- сывании 5 закл:

Но из рассмотрения схемы для прямого участка пути (7.2) следует

Величина стрелы z определится с учетом (см. рис. 7.9), что приближенно /» 0,5/, жб:

Если величина 8 по расчету больше нуля, то необходимо провести уширение колеи.

Из двух последних выражений видно, что принципиально ширина колеи в кривых должна быть больше, чем в прямых. Следует также, что чем больше жесткая база и меньше радиус кривой, тем большее уширение требуется устраивать, чем больше разбеги колесных пар, тем меньше потребное уширение.

Из выражения для величины уширения (7.16) можно определить тот радиус кривой, при котором возникает заклиненное вписывание.

Приняв 8 = 0, получим

Например, при /, жб = 4,6 м, 5 = 7 мм, ?у =0 величина R = 378 м.

Уширение при современном подвижном составе начинают с радиуса круче 350 м по следующим нормативам: при радиусе от 349 м до 300 м - на 10 мм, а при радиусе менее 299 м - 15 мм.

В случае незаклиненной схемы положение центра поворота не может быть определено однозначно только геометрически, как в случае заклиненного вписывания. В связи с этим необходимо определение поперечных сил и центра поворота при вписывании жесткой базы экипажа в кривую.

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 Г(рис. 7.10).

В контактах колес с рельсами возникают силы трения, равные произведению сил, перпендикулярных плоскости касания колес и рельсов на коэффициент трения скольжения/Р { . На рис. 7.10 вместо этих сил показаны равные им по значению и обратные по знаку реакции рельсов. Поперечные составляющие сил трения обозначены Н/, а продольные - V f .

Алгебраическую сумму нажатия гребня Y и силы трения Н одного и того же колеса называют боковой силой:

При расположении колесной пары впереди центра поворота жесткой базы для наружного колеса в формуле (7.18) следует брать разность и для внутреннего - сумму сил; при обратном расположении - колесная пара находится сзади центра поворота, знаки тоже берутся обратными.

Направляющие силы (см. рис. 7.10) принято считать положительными, если они направлены наружу колеи, а соответствующие им реакции рельсовых нитей - внутрь колеи. Боковые силы принято считать положительными, если они действуют в сторону направляющих сил, а соответствующие им реакции рельсовых нитей - в обратном направлении.

Вписывание свободное, если при вписывании экипажа появляются направляющие силы на наружной нити в контакте с первым по ходу движения колесом Y H и отсутствуют на внутренней нити У в.

Поперечная сила, передаваемая рамой экипажа через колесную пару на рельсы называется рамной силой У р. Эта сила считается приложенной к геометрической оси колесной пары и положительной, если она направлена наружу кривой, равна разности боковых сил, передаваемых одной и той же осью на наружную и внутреннюю рельсовые нити:

Для первой направляющей оси

Рис. 7.10.

Подставляя эти значения в формулу (7.19), получим

При Щ_ н = #!_ в =fP найдем Г=У,-2fP.

Боковые силы Г б, возникающие при движении экипажей, достигают больших значений (иногда 100 кН и более). Влияние боковых сил на работу пути очень велико. Этим объясняется ряд мер, направленных на улучшение вписывания экипажей в кривые и снижающих поперечные силы.

При известных положениях центра (полюса) поворота О экипажа (см. рис. 7.10), ширине колеи (измеренной между осями головок рельсов) и расстояниях /, от центра О до любой /- й колесной пары становится известным направление перемещения каждого колеса. Это направление перпендикулярно радиусу - вектор d t , проведенному от центра О к середине площадки контакта колеса с рельсом, приблизительно к точке пересечения оси головки рельса с геометрической осью колесной пары.

Сила трения каждого колеса (наружного, внутреннего) любой /-й оси направлена в сторону, обратную перемещению колеса. Поперечные и продольные V f составляющие этой силы определяются из следующих выражений:

Все поперечные силы: трения Щ Т, направляющие V i считаются приложенными не радиально, а перпендикулярно продольной оси экипажа.

Сила Т, приложенная на расстоянии от первой оси тележки, представляет собой равнодействующую центробежной составляющей веса экипажа (приходящегося на одну тележку), образующейся в связи с возвышением наружного рельса, и нормальной составляющей силы тяги, приходящейся на одну тележку:

где а н - непогашенное поперечное ускорение;

к т - количество тележек в экипаже;

L u - длина поезда;

L x - длина хвостовой части поезда, считая от середины экипажа, вписывание которого рассматривается;

L c - длина рассматриваемого экипажа между осями сцепления автосцепок;

F K - сила тяги, развиваемая локомотивом на кривой (при толкании или локомотивном торможении F K берется со знаком минус; при толкании Ь х - длина головной части).

В свою очередь

где v - скорость движения поезда;

И - возвышение наружного рельса.

Демпфирующий момент М, образованный силами трения в шкворне и скользунах, зависит от загрузки вагона и положения груза относительно продольной оси вагона. Он оказывает сопротивление в кривой повороту первой тележки (см. рис. 7.10) относительно кузова, который, поворачиваясь, увлекает за собой вторую тележку, способствуя ее повороту. Следовательно, знаки М д демпфирующего момента у первой и второй тележек будут разные.

Для определения демпфирующего момента А/ д обозначим: коэффициенты трения скольжения в шкворне - через ц шк, в скользунах - через ц ск (значения этих коэффициентов находятся в границах 0,1-0,2); давления на шкворень и скользуны каждой тележки - через Q lUK и Q CK ; расчетный радиус поворота тележки относительно кузова на шкворне - через г ШК, на скользунах - через г СК. Тогда:

Нормальным положением кузова на шкворневых тележках является его опирание на шкворни, на каждый из которых приходится половина веса кузова: Q CK = 0 и (2 ШК = 0,5(2 куз. При большом крене часть нагрузки может передаваться на скользуны, например,

Вертикальное давление на тележки КВЗ-ЦНИИ передается только через скользуны. В этом случае?) шк = 0; Q CK = 0,5 Q Ky3 -

Для нахождения направляющих сил Fj_ H и F 3 _ B составим два уравнения моментов: одно относительно середины С j первой оси и второе - относительно середины С 3 задней оси. Выполнив необходимые промежуточные преобразования, получим:

Если средняя ось имеет достаточные поперечные разбеги, чтобы переместиться на нужную величину, то следует в выражениях для А и В члены с множителем (/ 2 /^/ 2) считать равными нулю, так как отсутствуют поперечные составляющие # 2 _ н и # 2 _ в сил т Р ения - Вместо члена /d 2 следует написать 2/5] в связи с тем, что в этом случае V 2 =fP. Верхние знаки при А/ д относятся к передней тележке, нижние - к задней. В случае двухосной тележки в формулах (7.22) выпадают члены, содержащие / 2 и d 2 . Формулы верны при любом расположении полюса поворота.

От полюсного расстояния /| зависят лишь функции А и В. При заданной ширине колеи величина /, зависит от сил взаимодействия экипажа и колеи и не может рассматриваться независимой до тех пор, пока внутреннее колесо задней оси не дойдет своим гребнем до внутренней нити. Как только это колесо коснется и начнет прижиматься гребнем к этой нити (при заданной ширине колеи), значение /, становится неизменным и не зависящим от силовых взаимодействий экипажа и колеи.

Если известен зазор в колее 5, полюсное расстояние /j определяется зависимостью

Здесь 5 определяется с учетом разбегов по первой и последней осям экипажа.

В случае если ширина колеи подлежит определению (как в данном случае), то ее всегда можно задать такой, чтобы при любых значениях действующих сил колесо задней оси, катящееся по внутренней нити, касалось или прижималось своим гребнем к этой нити, т.е. чтобы выполнялись условия (7.22).

При заданных Р, Т и Л/ д значения У\_ п и Т 3 _ в являются функциями А и В, а последние - функциями /,. При этом функция А имеет максимум при = Lq, функция В и (А + Б) - при /, = 0,5L Q . Как видно из формулы (7.23), /] не может быть менее 0,5 Lq.

Важно иметь такие значения А и В, при которых Y X _ H и Т 3 _ в были бы минимальны. Особенно большое значение имеет обеспечение минимума суммы У[_ н + Т 3 _ в, характеризующей сопротивление движению тележек в зависимости от уровня направляющих сил. Обычно L n = 0,5L 0 . В этом случае член с Тв сумме Tj_ H + Т 3 _ в равен нулю. Отсюда следует важный вывод о том, что указанная сумма зависит от значений непогашенной части центробежной силы и нормальных составляющих сил тяги. Так как функция А при Lq > I , меньше своего максимума, то, следовательно, и А при шах /, Ф Lq не будет максимальным, поэтому наилучшее силовое взаимодействие тележки и колеи будет при шах/|. Однако /| не может быть сколь угодно большим по следующим соображениям. Направляющая сила Т 3 _ в физически не может быть отрицательной, являясь давлением гребня колеса на рельсовую нить, поэтому /, физически не может быть более значения, при котором У 3 _ в = 0. Таким образом, в пределах принятых ранее допущений наилучшая ширина колеи найдется из условия У 3 _ в = 0, т. е. из условия свободного вписывания. Ширина колеи больше той, при которой У 3 _ в = 0, не целесообразна, так как не изменяет размер

Определению поперечных сил, действующих на путь при движении экипажа по кривым, посвящено много работ. Плодотворным при этом оказалось создание графиков-паспортов вписывания экипажей в кривые. Определение основных характеристик такого паспорта производится в зависимости от непогашенного ускорения а н. При этом направляющие, боковые, рамные силы и полюсные расстояния часто аппроксимируются линейными зависимостями:

где а, Ь, с, d - эмпирические коэффициенты.

В качестве примера на рис. 7.11 приведен график-паспорт бокового воздействия на путь грузового вагона на тележках ЦНИИ-ХЗ с жесткой базой L Q = 1,85 м и нагрузкой от колесной пары на рельсы 220 кН. Коэффициент трения колес о рельсы/ = 0,25.

Нормы и допуски по ширине колеи в кривых. Ширина колеи в кривых должна устанавливаться такой, чтобы обеспечивалось свободное вписывание наиболее массовых экипажей (грузовых вагонов). Ширина колеи должна также обеспечивать техническую возможность вписывания в кривые наиболее неблагоприятных по воздействию на путь экипажей без заклинивания. Это условие определяет минимально допустимую ширину колеи. Максимально допустимая

Рис. 7.11. График-паспорт бокового воздействия на путь в кривой вагона на тележках ЦНИИ-ХЗ (18-100) ширина колеи определяется из условия надежного предотвращения провала колес подвижного состава внутрь колеи.

В настоящее время на дорогах РФ установлена ширина колеи на прямых участках пути и на кривых радиусом 350 м и более - 1520 мм. Ширина колеи на более крутых кривых должна быть при радиусе от 349 до 300 м - 1530 мм; при радиусе 299 м и менее - 1535 мм.

При этом требуется, чтобы крутизна отводов ширины колеи составляла не более:

• 1 мм на 1 м длины пути на участках со скоростями до 140 км/ч;
• 1 мм на 1,5 м при скоростях 141-160 км/ч;
• 1 мм на 2 м при скоростях 161-200 км/ч.

Отвод уширения колеи в кривых делают на протяжении переходных кривых.

Устройство пути в кривых малых радиусов. В случае если радиус кривой настолько мал, что максимальная нормативная ширина колеи 1535 мм оказывается меньше минимально необходимой, определенной по схеме заклиненного вписывания с добавлением минимального зазора 8 min , в таких кривых резко возрастает боковой износ рельсов и расстройство рельсовой колеи.

Для облегчения работы наружной нити в таких кривых укладывают контррельсы внутри колеи вдоль внутренней нити. В этом случае направляющая колесная пара колесом, идущим по внутренней нити, упирается в контррельс, не распирая наружную нить (рис. 7.12). В очень крутых кривых приходится иногда укладывать контррельсы у обеих нитей внутри колеи. Контррельсы увеличивают сопротивле-

Рис. 7.12. Положение колесных пар в кривой при наличии контррельса ние движению, поэтому практически укладку их применяют лишь в кривых радиусом примерно 160 м и менее. Желоб между контррельсом и рельсом внутренней нити кривой должен иметь ширину 60- 85 мм. Контррельсы должны быть надежно соединены с ходовыми рельсами посредством вкладышей и болтов.

Все новые локомотивы рассчитывают на вписывание в кривые радиусом не менее 150 м при ширине колеи 1535 мм.