Конспект лекций по ПТЭ
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с требованиями ПТЭ все элементы железнодорожного пути должны обеспечивать безопасное и плавное движение поездов с наибольшими скоростями, установленными для данного участка.
В современных условиях работы ОАО «Российские железные дороги» перед работниками транспорта поставлены задачи по освоению возрастающих перевозок грузов и пассажиров: повышать веса поездов, увеличивать скорости движения, повсеместно усиливать мощности железнодорожного пути – укладывать бесстыковую конструкцию на железобетонном основании.
Изменения условий эксплуатации железнодорожного пути требуют корректировки параметров рельсовой колеи: возвышения; переходных кривых; в некоторых случаях уположения круговых кривых.
Переустройство рельсовой колеи связано со сдвижками оси пути в поперечном направлении, при этом необходимо не только определить величины сдвижек пути, но и найти оптимальные решения, которые позволят использовать существующую ширину основной площадки земляного полотна без устройства боковых присыпок.
Учитывая, что размеры и конструктивное оформление рельсовой колеи находятся в зависимости от размеров и конструктивных особенностей ходовых частей экипажей, в данной работе приведены основные сведения о них и об особенностях ходовых частей вагонов, обусловливающих повышенное боковое воздействие гребней колес на головку рельсов.
В конспекте лекций показана последовательность решения задач проектирования и расчетов рельсовой колеи в прямых и кривых участках пути, приведены требования к ее элементам, расчетные схемы, формулы и примеры расчетов.
При этом основное внимание обращается на формулирование цели расчетов и проектирования, обоснование принимаемых решений, анализ полученных результатов, сравнение вариантов и аргументированные выводы и предложения.
Конспект лекций издан в дополнение к разделу «Рельсовая колея» учебника «Железнодорожный путь» . Содержание и последовательность изложения материала соответствуют сложившейся практике решения задач в курсовом и дипломном проектировании.
Конспект рассчитан на студентов, разрабатывающих курсовые и дипломные проекты по разделу «Проектирование рельсовой колеи».
План лекции:
1.2. Устройство ходовых частей подвижного состава.
1.1. Что такое рельсовая колея?
«Рельсовой колеей называются две геометрические линии, проходящие вдоль пути по внутренним граням головок рельсов на уровне их контакта с гребнями колес. Условно считают, что эти линии проходят по внутренним (рабочим) граням головок рельсов на уровне, находящемся на 13 мм ниже их поверхности катания». Это определение принадлежит профессору В.М. Панскому.
Очертания рельсовых нитей под поездной нагрузкой представляют собой один из основных результатов деятельности путевого хозяйства, относятся к числу факторов, включающих железнодорожный путь в перевозочный процесс.
Очертания рельсовых нитей во многом регламентированы нормативами на устройство и содержание рельсовой колеи.
Основным требованием при проектировании и устройстве рельсовой колеи является обеспечение безопасности движения поездов с установленными скоростями при минимуме сил взаимодействия рельсового пути и подвижного состава.
Согласно Правилам технической эксплуатации железных дорог РФ (ЦРБ 756) сооружение и устройство железных дорог должно соответствовать требованиям, обеспечивающим пропуск поездов с наибольшими установленными скоростями: пассажирских – 140 км/ч, рефрижераторных – 120 км/ч, грузовых – 90 км/ч, а по конкретным участкам железных дорог на основании приказа начальника дороги устанавливаются дифференцированные скорости.
Рельсовая колея на прямых участках пути характеризуется: шириной колеи, положением рельсовых нитей по уровню и подуклонкой. На рис. 1 показана колесная пара, находящаяся на рельсовой колее в прямом участке пути.
Размеры ширины колеи S, насадки колес Т и толщины гребней h (рис. 1) с учетом допусков и износа колес установлены ПТЭ .
Шириной колесной колеи q (колесной пары) называют расстояние между рабочими гранями гребней (реборд) колес в расчетной плоскости. Последняя расположена на 10 мм ниже средних кругов катания колес (для неизношенных колес и рельсов).
Рис. 1. Положение колесной пары в рельсовой колее на прямом участке пути:
а – ширина колеса; δ 1 , δ 2 – зазоры между гребнями колес и рабочими гранями головок рельса; h 1 , h 2 – толщина гребней колес; μ – утолщение гребней колес выше расчетной плоскости; Т – насадка колес; q – ширина колесной пары; S – ширина колеи
В кривых участках железнодорожного пути рельсовая колея устраивается с учетом следующих особенностей.
1 . При движении железнодорожного экипажа по кривой появляется сила инерции, которую обычно называют центробежной силой. Эта сила создает дополнительное давление на наружную рельсовую нить и вызывает крен кузова на рессорах, в связи с этим рельсы быстрее изнашиваются, возникают отбои рельсовых нитей, увеличиваются напряжения в элементах верхнего строения пути, пассажиры испытывают неприятные ощущения. С целью нейтрализации вредного влияния центробежной силы в кривых приподнимают наружную рельсовую нить над внутренней, т. е. устраивают возвышение наружной рельсовой нити .
2 . При переходе экипажа из прямой непосредственно в круговую кривую внезапно появляется центробежная сила. Для исключения динамического эффекта – внезапного воздействия экипажа на путь, вызывающего боковой толчок при входе экипажа в кривую и выходе их нее, между круговой кривой и прямой устраивают особую кривую – переходную .
3 . Для облегчения вписывания (прохода) тележек экипажей в кривые участки пути (R < 350 м) устраивают уширение рельсовой колеи .
4 . Для соблюдения требований габарита приближения строений (С) в кривых двухпутных линий увеличивают междупутные расстояния .
5 . С целью обеспечения расположения рельсовых стыков в одном створе (по «наугольнику») укладывают по внутренней нити укороченные рельсы .
Параметры рельсовой колеи как в прямых, так и в кривых участках пути должны обеспечивать безопасное движение экипажей и минимизировать их силовое воздействие на путь. Поэтому размеры и конструктивное оформление рельсовой колеи определяются во взаимосвязи ее с ходовыми частями подвижного состава, т. е. размерами и конструктивными особенностями ходовых частей экипажей, в частности, колесных пар .
1.2. Устройство ходовых частей подвижного состава
Любой экипаж (локомотив, вагон) состоит из неподрессоренной части и надрессорного строения. К неподрессоренной относятся ходовые части подвижного состава, т.е. тележки.
Они предназначены для обеспечения безопасного движения экипажей по рельсовому пути с заданной скоростью, плавного хода и наименьшего сопротивления движению. На рис. 2 показана двухосная тележка грузового вагона модели 18-100, рассчитанная на конструкционную скорость движения 120 км/ч типа ЦНИИ-ХЗ-0.
Рис. 2. Двухосная тележка грузового вагона с литыми боковыми рамами типа ЦНИИ-ХЗ-0:
1 – литая боковая рама; 2 – надрессорная балка; 3 – комплект центрального подвешивания с фрикционными гасителями колебаний; 4 – буксовый узел; 5 – колесная пара; 6 – тормозная рычажная передача
Тележка ЦНИИ-ХЗ-0 состоит из двух колесных пар 5 , с четырьмя буксовыми узлами 4 , двух литых боковых рам 1 , надрессорной балки 2 , двух комплектов центрального подвешивания с фрикционными гасителями колебаний 3 и тормозной рычажной передачи 6 .
Боковая рама имеет объединенные пояса и колонки, образующие в средней части проем для размещения комплекта центрального рессорного подвешивания, а по концам – буксовые проемы.
Надрессорная балка (рис. 3) имеет полую конструкцию замкнутого поперечного сечения и форму, близкую к брусу равного сопротивления изгибу. Она отлита вместе с подпятником, служащим опорой кузова вагона, опорами для размещения скользунов и выемками для размещения фрикционных клиньев. На каждой из двух опор скользунов размещаются перевернутые коробки 8 с регулировочными прокладками 9 .
Рис. 3. Надрессорная балка тележки типа ЦНИИ-ХЗ-0:
1 – подпятник; 2 – кронштейн мертвой точки рычажной передачи тормоза; 3 – опора для скользуна; 4 и 5 – бурты, ограничивающие смещения наружных и внутренних пружин рессорного комплекта при движении тележки; 6 – выемка, служащая для размещения фрикционных клиньев; 7 – полка крепления кронштейна мёртвой точки; 8 – колпак (коробка) скользуна; 9 – прокладки для регулировки зазоров между скользунами вагона и тележки; 10 – болт, предохраняющий колпак скользуна от падения; 11 – поддон для опоры шкворня; 12– колонка, усиливающая опору на подпятник пятника вагона
Рессорное подвешивание тележки состоит из двух комплектов, каждый из которых имеет пять, шесть или семь двухрядных цилиндрических пружин (в зависимости от грузоподъемности вагона) и два фрикционных клиновых гасителя колебаний.
Колесные пары – это ось с глухонасаженными на нее стальными колесами. Тип колесной пары определяется типом оси, диаметром колес, конструкцией подшипника и способом крепления его на оси.
Рис. 4. Колесная пара: 1 – ось колесной пары;
2 – бандаж; 3–5 – шейки; 6 – предподступичная часть;
7 – подступичная часть; 8 – средняя часть
Размеры оси (рис. 4) зависят от величины расчетной нагрузки на ось. Исходя из расчетной нагрузки определяются диаметры шеек 3 , 4 , 5 , подступичной – 7 и средней – 8 частей оси. Предподступичная часть 6 является ступенью перехода шейки к подступичной части оси и служит для установки уплотняющих устройств буксы. На подступичных частях 7 прочно закрепляются колеса.
В настоящее время в эксплуатации находится небольшое количество колесных пар с подшипниками скольжения, которые заменяются роликовыми. На торцах шеек 5 таких колесных пар имеются буртики 9 , ограничивающие продольные перемещения подшипников скольжения.
Основным типом вагонных колес являются цельнокатаные, а локомотивных – бандажные.
Стальное цельнокатаное колесо (рис. 5) состоит из обода 1 , диска 2 , ступицы 3 . Рабочая часть колеса представляет собой поверхность катания 4 . Ступица 3 с ободом 1 объединены диском 2 , расположенным под некоторым углом к плоскости круга катания, что придает колесу упругость и способствует снижению уровня динамических сил во время движения. Ступица 3 служит для посадки колеса на подступичной части оси. Поверхность катания обрабатывается по специальному профилю (рис. 6).
Бандажные (составные ) колеса состоят из колесного центра, бандажа и предохранительного кольца. Учитывая сложные условия работы и повышение надежности в эксплуатации, бандаж изготовляют из стали повышенной прочности и твердости, а колесный центр – из более вязкой и дешевой стали. При достижении предельного износа или появлении других повреждений бандаж можно заменить без смены колесного центра.
На дорогах России установлен стандарт на размеры колес. Диаметр колес измеряют по среднему кругу катания. Средний круг катания – это вертикальное сечение колеса, которое расположено на расстоянии 70 мм от внутренней грани колеса.
Вагонные колеса имеют диаметр по среднему кругу катания d в = 950 и 1050 мм. Локомотивные (тепловозные и электровозные) – d тэп,Эл = 1050 и 1250 мм. Диаметр колес паровозов d пар = 1200 и 1850 мм. От диаметра колес зависит износ металла головки рельсов. Колеса опираются на головку рельса небольшой площадкой, которая имеет форму, напоминающую эллипс. При прочих равных условиях площадь контакта зависит от диаметра колеса. Чем меньше диаметр, тем меньше контактный эллипс, тем большие напряжения возникают в металле головки рельса и соответственно увеличивается износ.
Рис. 5. Стальное цельнокатаное вагонное колесо: а – внутренняя грань колеса;
б – наружная грань колеса; 1 – обод; 2 – диск; 3 – ступица; 4 – поверхность катания
Колеса своими ступицами (см. рис. 5) под сильным давлением (от 35 до 105 т) наглухо насаживаются на подступичную часть оси (см. рис. 4), диаметр которой на 0,1…0,3 мм больше диаметра ступиц. Таким образом, колеса могут вращаться только вместе с осью. Глухая насадка колес на оси обеспечивает неизменность расстояния между колесами и, следовательно, не допускает их проваливания внутрь колеи или схода наружу.
Расстояние между внутренними гранями бандажей или ободов цельнокатанных колес называется насадкой Т (см. рис. 1). В Правилах технической эксплуатации железных дорог записаны нормы и допуски для указанных расстояний. Насадка вагонных и локомотивных колес Т = 1440 мм . Допуски зависят от скорости движения экипажей. При скоростях до 120 км/ч отклонения допускаются в сторону увеличения и уменьшения не более 3 мм (т. е. Т = 1440 ± 3 мм) . При скоростях от 120 до 140 км/ч отклонения допускаются в сторону увеличения не более 3 мм и в сторону уменьшения не более 1 мм, т.е. Т = 1440 (+3; –1 мм ) .
Колеса имеют реборды (гребни). Назначение реборд – обеспечение направления и предохранение от схода колес с рельсов . Свес (высота) гребней (считая от среднего круга катания неизношенного колеса) локомотивных колес равен 30 мм, а вагонных – 28 мм (рис. 6).
Рис. 6. Очертание и основные размеры колес:
а – локомотивного; б – вагонного (штриховой линией показаны предельные износы колес)
Толщина гребней (реборд) измеряется на уровне расчетной плоскости, т. е. по нормали к геометрической оси колесной пары, расположенной на расстоянии 10 мм от средних кругов катания неизношенных колес (рис. 6). Ввиду того, что поверхность катания колес со временем изнашивается, толщину гребня измеряют на расстоянии от вершины реборды 20 мм (для локомотивных колес) и 18 мм (для вагонных), которые практически остаются неизменными весь срок службы колес.
Толщину гребней колес в расчетной плоскости принято обозначать буквой h. В процессе эксплуатации гребни колес изнашиваются неодинаково, поэтому на рис. 1 показана толщина гребня одного колеса h 1 , другого – h 2 . Выше расчетной плоскости толщина гребней вагонных колес продолжает увеличиваться на μ = 1 мм (см. рис. 1), а у локомотивных колес μ = 0.
Толщина неизношенного нового гребня вагонного и локомотивного колес h max = 33 мм . Наименьшая толщина изношенного гребня (реборды) при скоростях движения до 120 км/ч допускается h min = 25 мм , при скорости движения более 120 км/ч до 140 км/ч h min = 28 мм .
Колеса железнодорожных экипажей имеют коническую форму поверхности катания (рис. 6). Коническая обточка колес необходима для обеспечения плавности движения экипажей, безопасного прохода по стрелочным переводам и недопущения образования седлообразного (желобчатого) износа колес.
Если одно такое колесо катится по рельсу меньшим кругом, а другое колесо этой же оси большим кругом, то последнее колесо будет опережать первое. Возникает виляющее движение колесной пары. Однако колесные пары в основном занимают среднее положение в рельсовой колее. Как только колесная пара выведена по каким-либо причинам из среднего положения, она сейчас же стремится вновь занять симметричное положение, при этом колесные пары будут двигаться по волнообразной кривой, а не в перекошенном в плане положении, как это было бы при цилиндрических колесах.
Колеса с цилиндрической поверхностью катания не обеспечили бы плавности движения. Любая неровность пути (в плане или в профиле) вызывала бы резкое перемещение экипажа вбок (т. е. толчок).
Кроме того, уже при небольшом износе таких колес на них образовывалось бы седлообразное углубление или желоб. Желоб на поверхности катания колеса недопустим, так как в ряде случаев он приводил бы к значительному росту динамических сил и даже ударных.
Например, резкие удары получаются при прохождении колеса, имеющего седлообразный (желобчатый) прокат, по крестовине при перекатывании с сердечника на усовик или наоборот, а также по стрелке при перекатывании с остряка на рамный рельс.
При коничности поверхности катания колес 1/20 на участке преимущественного их износа седлообразного углубления не возникает. Износ имеет вид, показанный штриховой линией на рис. 6.
Коничность колес имеет некоторые недостатки. Она приводит к «вилянию» экипажей, является одной из причин проскальзывания колес в кривых участках пути. Однако спокойное, плавное и устойчивое движение экипажей, которое обеспечивает коничность поверхности катания колес, так важно, что с указанными ее недостатками приходится мириться.
Колеса в поперечном разрезе имеют сложную форму (рис. 6). Гребень колес сопрягается с поверхностью катания по кривой, очерченной радиусом 15 мм у вагонов и 13,5 мм у локомотивов. Этот радиус близок к радиусу сопряжения верхней и боковой граней головки рельсов для того, чтобы затруднить вкатывание колес на рельсы. Далее идет коническая поверхность с уклоном 1/20, затем 1/7. Переход коничности колес от 1/20 к 1/7 сделан с той целью, чтобы облегчить их перекатывание с остряка на рамный рельс и с сердечника крестовины на усовик и обратно. Край колеса заканчивается фаской шириной и высотой 6 мм, у цельнокатаных колес фаска с наружной стороны заменяется закруглением радиусом 10 мм.
В процессе эксплуатации поперечный профиль колес изменяет форму, появляется вертикальный износ (прокат), измеряемый по среднему кругу катания.
Прокат колес пассажирских вагонов, моторвагонного подвижного состава и локомотивов при скорости движения свыше 120 км/ч до 140 км/ч не должен превышать 5 мм , а при скорости движения до 120 км/ч – более 7 мм , у моторвагонного и специального самоходного подвижного состава и пассажирских вагонов в поездах местного и пригородного сообщения – более 8 мм , у вагонов рефрижераторного парка и грузовых вагонов – более 9 мм .
Шириной колесной пары (колесной колеей ) (см. рис. 1)называют расстояние между рабочими гранями гребней колес в расчетной плоскости .
где Т – насадка колес; h 1 , h 2 – толщина гребней колес; μ – утолщение гребней колес выше расчетной плоскости; ξ q – уменьшение ширины колесной пары за счет упругого изгиба ее оси под нагрузкой (для загруженных вагонов ξ q = 2÷4 мм, для локомотивов ξ q = 1 мм).
В соответствии с формулой (1) при неизношенных гребнях колес ширина колесной пары без учета изгиба оси под нагрузкой составляет: у вагонных колес
Мм; у локомотивных колес мм.
Наибольшая ширина колесной пары:
– у вагонов мм;
– у локомотивов мм.
Считать, что минимальная ширина колесной пары вагонов мм, исходя из допускаемой минимальной насадки 1437 мм и толщины гребня 25 мм, было бы неправильно, так как на одной колесной паре совпадение изношенных до допускаемого предела 25 мм гребней одновременно на обоих колесах фактически не бывает. Один из гребней всегда изнашивается более интенсивно, чем другой и, следовательно, раньше достигает установленного предела 25 мм. Это является следствием того, что колесные пары не идеально перпендикулярны к оси кузова, а середина их не идеально совпадает с осью кузова (при сборке вагона получаются небольшие неточности в допускаемых пределах). Кроме этого, при проходе экипажей в кривых тележка вагона занимает перекосное положение, что способствует неодинаковому износу гребней колес.
В связи с этим величина q min была установлена ЦНИИ МПС специальными обмерами массы колесных пар и обработкой результатов методами математической статистики. При этом получилось, что q min = 1492 мм .
При расчетах взаимозависимости размеров рельсовой колеи и колесных пар следует учитывать изменение величины насадки колесных пар Т, установленной при изготовлении, и вследствие изгиба осей под нагрузкой.
В связи с тем, что буксовые узлы в современном подвижном составе располагаются снаружи колесной пары, ширина насадки на расчетном уровне уменьшается. Величина этого уменьшения ξ q зависит от конструкции, размеров колесных пар и величины осевой нагрузки. Обычно в расчеты вводят ξ q = 2 мм для вагонов и ξ q = 1 мм для локомотивов (рис. 7).
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.
Основные нормы устройства и содержания рельсовой колеи бесстыкового и звеньевого пути совпадают.
Главным требованием при проектировании и устройстве рельсовой колеи является обеспечение безопасности движения поездов с установленными скоростями при возможном минимуме сил взаимодействия колеса и рельсовой плети, снижении интенсивности накопления остаточных деформаций и расходов на техническое обслуживание и ремонт бесстыкового пути.
Путь и подвижной состав представляют собой единую механическую систему, составные части которой работают взаимосвязано и взаимозависимо.
Железнодорожные экипажи состоят из неподрессоренной и обрессоренной частей. Массу ходовых частей подвижного состава, непосредственно взаимодействующую с рельсами и отделенную от остальной массы экипажа упругими связями (например, рессорами), называют неподрессоренной массой. Остальная часть экипажа считается обрессоренной массой.
Обе эти части при движении экипажей (локомотивы, вагоны) совершают сложные колебания как относительно пути, так и друг друга. Колебания возникают в основном из:за неровности пути и неровности на колесах, а также зависят от режима тяги, сопротивления движению колес и ряда других причин.
Вертикальные силы воздействия на рельсовые плети колес движущегося по пути локомотива или вагона складываются из собственного веса подвижного состава, приходящегося на одно колесо (статическая нагрузка), и дополнительных вертикальных сил, возникающих при колебаниях надрессорного строения и неподрессоренных масс, вызванных в том числе неровностями пути и колес.
Все перечисленные вертикальные силы имеют различную природу и свои особенности. Постоянна во времени только статическая нагрузка, а все остальные силы имеют вероятностную природу.
Помимо вертикальных сил подвижной состав передает на путь также горизонтальные поперечные и продольные силы.
При движении экипажей в прямых участках пути возникают боковые силы , связанные с вилянием подвижного состава. Силы, действующие на кузов и передающиеся через раму экипажа на колесные пары, называются рамными . Боковое воздействие колеса на рельсовую плеть состоит из силы нажатия гребня на головку рельса и сил трения, возникающих при поперечном скольжении колеса по рельсу.
Таким образом, боковое воздействие колеса на рельс в прямых участках пути может быть найдено как алгебраическая сумма всех этих сил.
При движении экипажа в кривой возникают дополнительные горизонтальные силы - центробежная сила и направляющее усилие.
Центробежная сила
J = Q/gV 2 /3,6 2 R
где Q - вес экипажа, Н;
g - ускорение свободного падения, 9,81 м/ с 2 ;
V - скорость движения, км/ч;
R - радиус кривой, м;
3,6 - коэффициент перехода между скоростью в км/ч и в м/с.
Центробежная сила J должна компенсироваться силой Т, возникающей из:за устройства возвышения наружного рельса в кривой
T = h/SQ
где h - возвышение наружного рельса, мм;
S - расстояние между кругами катания колес, мм.
В связи с действием сил Т, J и сил трения скольжения колес по рельсам (рис. 2.17) возникают направляющие силы Y 1 , Y 2 , которые поворачивают тележки.
Совместное действие этих сил может быть заменено их алгебраической суммой F нп = J + T. Если центробежная сила J полностью компенсируется силой Т, то F нп = J + T = 0.
Если F нп? 0, то возникают дополнительные поперечные силы U поп, пропорциональные величинам непогашенного поперечного ускорения
Y доп = ba нп
где b - коэффициент, учитывающий установку тележки в рельсовой колее;
анп - непогашенное поперечное ускорение в м/с 2 , имеет вид:
а нп = V 2 /3,6 2 R – gh/S
В зависимости от знака непогашенного поперечного ускорения может возникнуть перегрузка наружной или внутренней рельсовой плети.
Таким образом, в кривом участке пути направляющее усилие, боковое и рамное воздействия зависят от центробежной силы, которая, в свою очередь, пропорциональна величине непогашенных горизонтальных ускорений.
При прохождении по пути подвижного состава возникают и силы, действующие вдоль пути. Вызываемое ими продольное перемещение рельсов относительно шпал или всей путевой решетки в балласте называется угоном пути.
Среди многих факторов, приводящих к угону пути, наиболее значимыми являются сопротивление движению поезда, перемещение рельсов относительно опор вследствие изгиба рельсов под движущейся нагрузкой, торможение подвижного состава и ряд других.
Ранее были рассмотрены вопросы распределения продольных температурных напряжений по длине рельсовой плети (см. рис. 1.1). Если на длине плети имеются участки с плохо закрепленными промежуточными скреплениями (незакрепленными или слабо закрепленными клеммами), то при проходе поезда на этих участках происходят местные подвижки плетей, приводящие к образованию на их концах значительных дополнительных сжимающих или растягивающих плеть сил угона. Складываясь с продольными температурными силами, силы угона могут вызвать потерю устойчивости бесстыкового пути.
Кратко рассмотрев действующие на бесстыковой путь при проходе по нему подвижного состава вертикальные и продольные силы, перейдем к вопросам устройства рельсовой колеи бесстыкового пути.
Очертания рельсовых нитей в прямых участках пути определяются основными нормативами, касающимися устройства и содержания рельсовой колеи относительно направления в плане, ее ширины, положения рельсовых нитей по уровню, подуклонки рельсов.
Путь в плане должен соответствовать проектному положению. Положение рельсовых плетей в плане нормируется и оценивается в зависимости от установленных на участке скоростей движения поездов по разности смежных стрел изгиба рельсовых плетей, измеряемых от середины хорды длиной 20 м.
Разность смежных стрел в этом случае не должна превышать:
- при скоростях 81-140/71-90 км/ч - 10 мм;
- при скоростях 61-80/61-70 км/ч - 15 мм;
- при скоростях 41-60 км/ч - 20 мм;
- при скоростях 16-40 км/ч - 25 мм;
- при скоростях 15 км/ч - 30 мм.
Разность смежных стрел изгиба может проверяться также от середины хорды длиной 4, 10, 15, 25 и 30 м.
При направленной внутрь колеи короткой неровности в плане в прямых участках пути по любой, а в кривых участках пути - по наружной рельсовой нити разность смежных стрел изгиба, измеряемых от середины хорды длиной 4 м, не должна превышать:
- 8 мм при скоростях до 140 км/ч;
- 9 мм при скоростях до 120 км/ч; 14 мм при скоростях до 60 км/ч;
- 15 мм при скоростях до 40 км/ч; 18 мм при скоростях до 15 км/ч.
- При разности стрел более 18 мм движение поездов закрывается.
Расстояние между внутренними рабочими гранями головок рельсов, измеренное на уровне 13 мм ниже поверхности катания, называется шириной рельсовой колеи .
По направлению выравнивают одну рельсовую нить (рихтовочную), а другую - устанавливают по шаблону в пределах допусков по ширине колеи.
Если на прямом участке пути поставить колесную пару так, чтобы гребень одного колеса был прижат к рельсу, то между гребнем второго колеса и рабочей гранью головки второго рельса будет зазор? (рис. 2.18). При большом зазоре? колеса опираются на рельсы узкой полоской, что может вызвать проваливание колес внутрь колеи. Если зазора не будет вообще, может возникнуть заклинивание колесной пары в рельсовой колее.
Пример 2.1. Определим ширину рельсовой колеи, при которой возможен провал колес внутрь колеи. Из рис. 2.18 видно, что
S – (T + 2q + 2?)
где S - ширина рельсовой колеи в прямом участке пути, мм;
T - насадка колес, мм;
q - толщина гребня, мм;
? - утолщение гребня выше расчетной плоскости, равное для вагонных колес 1 мм, для локомотивных колес - 0 мм.
На рис. 2.19 показана колесная пара в момент, когда шестимиллиметровая фаска на колесе совпадает с началом закругления головки рельса. Можно считать, что такое положение колеса является началом его проваливания в рельсовой колее.
Для вагонной колесной пары проваливание может произойти при ширине колеи
S = 25 + 1 + 1437 + 130 – 6 = 1574 мм
где 25 - минимально допустимая толщина изношенного гребня, мм;
1 - расстояние от нерабочей грани гребня на расчетном уровне до вертикали, от которой отсчитывается насадка колесной пары, мм;
1437 - минимальная величина насадки колесной пары, мм;
130 - полная ширина вагонного колеса, мм;
6 - ширина фаски на наружной грани колеса, мм;
13 - горизонтальное расстояние от начала закругления головки рельса до ее рабочей грани, мм.
Недопустимой считают такую ширину колеи, при которой точка перехода коничности поверхности катания колеса 1/20 в 1/7 совпадает с началом закругления головки рельса, поскольку в этом случае возможно распирание рельсовой колеи. Это может произойти при ширине колеи 1574 – 24 = 1550 мм (см. рис. 2.19).
Если учесть изгиб вагонной оси и упругое уширение колеи под поездной нагрузкой, то становится очевидной обоснованность существующего запрета на ширину колеи более 1548 мм.
Пример 2.2. Определим ширину рельсовой колеи, при которой возможно заклинивание колесной пары в колее.
Опасный предел ширины колеи по ее сужению определяется тем, что при наибольшем расстоянии между рабочими гранями гребней вагонных колес 1443+2?33+2?1=1511 мм при ширине колеи 1511 мм возможно
заклинивание колесной пары. Поэтому ширина рельсовой колеи в прямых менее 1512 мм не допускается.
Ранее указывалось, что процесс виляния колес подвижного состава сопровождается возникновением сил трения скольжения и сил воздействия гребней колес на рельсы при набегании. Первые относительно невелики, однако вторые могут достигать величин 30-40 кН. Эти силы зависят от скорости набегания колес на рельсы при вилянии, которая будет тем выше, чем больше зазор в рельсовой колее? (см. рис. 2.18).
Номинальная ширина рельсовой колеи в прямых и кривых участках бесстыкового пути радиусом 350 м и более составляет 1520 мм; в кривых участках пути радиусом менее 350 м до 300 м включительно - 1530 мм.
Для ширины колеи 1520 мм предусматриваются два вида допусков по ширине колеи в зависимости от скоростей движения поездов: +8, –4 мм - при скоростях движения более 50 км/ч и +10, –4 мм - при скоростях движения 50 км/ч и менее.
Верх головок обеих рельсовых нитей на прямых участках должен быть на одном уровне. Разрешается содержать путь с возвышением по уровню одной рельсовой нити над другой 6 мм. Длина такого прямого участка должна быть не менее 200 м, за исключением участков, расположенных между смежными кривыми одного направления.
При возвышении одной рельсовой нити на 6 мм экипаж немного наклонится, что приведет к возникновению боковой силы, которая слегка прижмет колеса к пониженной рельсовой нити и затруднит их виляние. Поскольку эта рельсовая нить является рихтовочной, то прижимающееся к ней колесо будет двигаться более плавно.
На двухпутных линиях выше ставят бровочную рельсовую нить, чтобы рихтовочной стала более устойчивая междупутная рельсовая нить.
На однопутных линиях при проведении очередного среднего ремонта, как правило, меняют рихтовочную нить.
Возвышение одной рельсовой нити над другой на прямом участке должно заканчиваться не ближе 25 м от начала возвышения в кривой, если повышенная нить на прямой совпадает по уровню с пониженной нитью в кривой.
Если на прямых участках пути с возвышением одной рельсовой нити над другой расположено мостовое полотно с ездой на балласте, то на нем также должно быть сохранено это возвышение. На мостах с ездой поверху и мостовыми брусьями возвышение допускается при длине моста не более 25 м. На мостах большей длины с мостовыми брусьями, в тоннелях и на подходах к ним протяженностью 25 м, а также на стрелочных переводах в прямых участках пути допускать повышение од: ной рельсовой нити над другой на 6 мм запрещается.
Номинальный уклон отвода по уровню от нормы 6 мм к нулевому положению не должен превышать 1.
Допустимые отклонения от норм расположения рельсовых плетей по уровню составляют ±6 мм. Если, например, сначала левая рельсовая плеть выше правой на 6 мм, а затем наоборот, то минимальное расстояние между такими превышениями должно быть не менее 20 м, так как при меньшем расстоянии образуется перекос пути. К перекосам пути относятся резкие изменения положения рельсовых плетей по уровню в разные стороны при расстоянии между вершинами пик 20 м и менее.
При таком перекосе возможно обезгруживание одного из колес вагона, что в сочетании с большими боковыми силами может привести к сходу подвижного состава.
На рис. 2.20 показано положение тележки при проходе через перекос, измеряемый на базе тележки, когда центры обоих колес задней и левого колеса передней колесной пары находятся в одной горизонтальной плоскости, а правое колесо передней колесной пары опустилось.
В этом случае нагрузка на него от рессоры несколько уменьшается, т.е. происходит его частичная разгрузка. Если такая разгрузка совпадает с сильным боковым прижатием гребня колеса к головке рельса, то оно, вращаясь, может подняться на головку рельса, а затем и сойти с нее.
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 пути3.4. 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.
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.
Рельсовая колея
– две параллельные рельсовые нити, уложенные на основании (шпалы, брусья, блоки) и закрепленные на определенном расстоянии друг от друга. Назначение рельсовой колеи (РК) – направление колес подвижного состава при движении на прямых и криволинейных участках. К основным параметрам РК относятся: ширина колеи, положение рельсовых нитей по уровню и подуклонка рельсов. Важнейшим параметром является ширина колеи- расстояние между рабочими гранями головок рельсов, измеренное в расчетной плоскости наиболее вероятных контактов головок рельсов с рабочими гранями гребней колес (ок. 13 мм ниже поверхности катания головок рельсов). В период подготовки к строительству Петербург-Московской железной дороги принято решение об установлении единой ширины колеи на рос. ж. д., равной 5 футам, что соответствует 1524 мм; хотя на первой в России Царскосельской дороге ширина колеи была 6 футов или 1829 мм, а на Сахалине – 1067 мм.
На большинстве ж. д. стран Европы ширина колеи равна 1435 мм, в Центральной и Южной Америке от 1676 до 1435 мм, в Китае в основном 1435 мм, в Индии 1676-1667 мм, Японии 1435-1067 мм, Африке 1676 мм, Австралии 1600-1087 мм. Приведенные размеры РК обычно называют широкой колеей. Узкая колея по европейским стандартам имеет ширину 600, 750, 1000 мм, хотя на практике на узкоколейных ж. д. ширина колеи составляет от 420 до 1000 мм. В целом на земном шаре 62% длины ж.-д. сети имеют колею 1435 (1430) мм, 10% – 1524 (1520) мм, 6% – 1675 мм, 8% -1067 мм, 9% – 1000 мм, 5% – менее 1000 мм.
Параметры РК непосредственно связаны с размерами колесных пар, важнейшими из которых являются: ширина колесной пары (расстояние между рабочими гранями гребней колес в расчетной плоскости) q, величина насадки колес (расстояние между внутренними гранями колес) Т, толщина гребней колес в расчетной плоскости h, ширина колеса а (рис. 3.76). Ширина колесной пары равна: q = Т + h\ + Л2 + 2ц + е; здесь е учитывает изменение ширины колесной пары при упругом ее изгибе под нагрузкой (у загруженных вагонов сужение составляет 2-4 мм, у локомотивов уширение – 1 мм). Ширина колесной пары меньше ширины колеи. На прямой между рельсовыми нитями и гребнями колес образуются зазоры, обеспечивающие возможность «виляющего» движения колесной пары. С уменьшением зазора до оптимального значения уменьшается поперечное воздействие подвижного состава на путь. При очень малых зазорах увеличивается сопротивление движению поезда. Допускается минимальный зазор 7 мм для локомотивов и 5 мм для грузовых вагонов, оптимальный размер составляет соответственно 14 и 12 мм, а максимальный -31 и 29 мм. Виляющему движению колесной пары способствует коничность поверхности катания колес. Рельсы также ставят не вертикально, а с наклоном V20 внутрь колеи.
На основе научных исследований, а также учета зарубежного опыта в 1970 г. в России было принято решение перейти на уменьшенную ширину колеи 1520 мм. Исследования показали, что при ширине колен 1520 мм с уменьшением зазора до оптимального значения 14 мм для локомотивов и 12 мм для вагонов поперечные силовые воздействия колес подвижного состава на путь уменьшаются до 94%. Наименьшее сопротивление движению также оказалось при ширине колеи 1520 мм. Допускаемые отклонения ширины колеи от нормы приняты не более +8 (по уширению) и – 4 мм (по сужению), а на участках, где установлены скорости движения 50 км/ч и менее, – не более +10 и -4 мм. В соответствии с приказом МПС № 6 Ц ширина колеи менее 1512 мм и более 1548 мм не допускается. При ширине колеи менее 1512 мм возможно заклинивание колесной пары с максимальными ее размерами в расчетной плоскости. При ширине колеи более 1548 мм возникает опасность провала колес внутрь колеи, когда колесо покатится по головке рельса той частью бандажа, которая имеет коничность 1/7 (а не 1/20-го) – при этом возникнет дополнительное распирание колеи и при плохом состоянии пути рельс может быть отжат наружу.
Положение рельсовых нитей по верху головок рельсов на прямых участках должно быть в одном уровне; разрешаются отклонения ± 6 мм. Допускается на всем протяжении прямых участков содержать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой. На двухпутных линиях выше ставят наружную (бровочную) нить, так как она менее устойчива, чем междупутная; на однопутных – через каждые 4-5 лет меняют нить, расположенную выше другой (для меньшего ослабления концов шпал из-за перешивок). Отклонения от нормативного положения рельсовых нитей как по ширине колеи, так и по уровню не должны превышать 1 мм; на 1 м длины пути при скоростях движения до 140 км/ч и 1 мм на 1,5 м при скоростях более 140 км/ч.
Подуклонкой рельсов называют их наклон внутрь колеи по отношению к верхней плоскости (постели) шпал. Подуклонка 1:20 соответствует коничности основной поверхности катания колес. Подуклонка обоих рельсов в прямых, а наружных рельсов в кривых участках должна быть не менее 1:60 и не более 1:12, а внутренней нити в кривых при возвышении наружного рельса св. 85 мм -не менее 1:30 и не более 1:12. На деревянных шпалах подуклонка рельсов обеспечивается, как правило, укладкой клинчатых подкладок, а на железобетонных основаниях – наклоном опорной подрельсовой площадки шпал или блока.
При движении подвижного состава в кривых появляются дополнительные поперечные силы – центробежные, направляющие, боковые, рамные. Поэтому РК в кривых пути имеет следующие особенности: уширение колеи при радиусе кривой менее 350 м и укладка контррельсов в необходимых случаях, возвышение наружного рельса, устройство переходных кривых, укладка укороченных рельсов на внутренней нити, увеличение расстояний между смежными путями.
Различают минимальную, оптимальную и максимальную ширину колеи в кривых. Минимально допустимая ширина колеи должна обеспечивать техническую возможность вписывания в кривые экипажей с большой жесткой базой. При оптимальной ширине колеи имеет место свободное вписывание массовых экипажей (вагонов). Максимальная ширина колеи определяется из условия надежного предотвращения провала колес подвижного состава внутрь колеи. В соответствии с приказом МПС РФ № 6 Ц от 6.03.96 установлен номинальный размер ширины колеи между внутренними гранями головок рельсов на прямых участках и в кривых радиусом 350 м и более 1520 мм, при радиусах 349-300 м -1530 мм (в т. ч. на железобетонных шпалах -1520 мм), при радиусах 299 м и менее -1535 мм.
На участках ж. д., где комплексная замена рельсошпальной решетки не проводилась, допускается на участках пути с деревянными шпалами в прямых и кривых радиусом более 650 м номинальная ширина колеи 1524 мм. При этом на более крутых кривых принимается ширина колеи: при радиусе 649-450 м – 1530 мм, 449-350 м – 1535 мм, 349 и менее -1540 мм. Допускаемые отклонения от номинальных размеров не должны превышать по уширению +8 мм и по сужению – 4 мм при скорости 50 км/ч и более; соответственно +10 и -4 мм – при скорости менее 50 км/ч. При отводе уширения колеи уклон должен быть не круче 1 мм/м.
При проходе подвижного состава по кривым возникают центробежные силы, стремящиеся опрокинуть экипаж наружу кривой. Это может произойти лишь в исключительных случаях. Однако центробежная сила неблагоприятно действует на пассажиров, вызывает боковое воздействие на путь, перераспределение вертикальных давлений на рельсы обеих нитей и перегруз наружной нити, что приводит к усиленному боковому износу рельсов и гребней колес. Кроме того, возможны раскантовка рельсов, уширение колеи или поперечный сдвиг рельсошпальной решетки, т. е. расстройство положения пути в плане. Во избежание указанных явлений устраивают возвышение наружной рельсовой нити над внутренней. Возвышение наружного рельса рассчитывается исходя из двух требований: обеспечения одинакового давления колес на наружную и внутреннюю рельсовые нити, а следовательно, одинакового вертикального износа обоих рельсов; обеспечения комфортности езды пассажиров, характеризуемой допускаемым непогашенным центробежным ускорением. По нормам МПС допускаемая величина непогашенного ускорения составляет для пассажирских поездов 0,7 м/с2 (в отдельных случаях с разрешения МПС – 1 м/с2), а для грузовых поездов – +0,3 м/с2. Возвышение наружного рельса устраивается в кривых радиусом 4000 м и менее. В основу расчета положено стремление обеспечить равенство поперечных составляющих центробежной силы и веса экипажа G, т. е. Lcosoc = Gsinа (рис. 3.77). Это достигается изменением угла наклона а расчетной плоскости к горизонту или возвышением наружного рельса.
Величина возвышения (в мм) определяется по формуле: Л= 12,5Vприв2/R, где Vприв – приведенная скорость поездопотока, км/ч; R – радиус кривой, м. Приведенная скорость поездопотока 
где О, – масса поезда данного вида, т брутто; щ – суточное количество поездов каждого вида; Vlcp – средняя скорость движения поездов каждого вида в кривой (по скоростемерным лентам). Величина возвышения также проверяется из условия комфортности по формуле: hmm = (i2,5Vlaxnac/R-U5, где hmm – минимальное расчетное возвышение наружного рельса, мм; Vmax пас – максимальная допускаемая скорость пассажирского поезда, км/ч; R – радиус кривой, м; 115 – величина допускаемого максимального недовозвышения наружного рельса с учетом нормы непогашенного ускорения 0,7 м/с2. Из полученных по формулам величин возвышения принимается большая и округляется до значения, кратного 5. Максимальная величина возвышения на сети ж. д. РФ – 150 мм. Если по расчету получается ббльшая величина, то принимают 150 мм и ограничивают скорость движения в кривой до 
Обычно возвышение наружного рельса устраивают его поднятием путем увеличения толщины балласта под наружной рельсовой нитью. Однако в ряде случаев целесообразно поднять наружную нитку на V2 расчетного возвышения и на такую же величину опустить внутреннюю нитку. В этом случае улучшается комфортность езды пассажиров и уменьшаются динамические воздействия на путь.
Переходные кривые обеспечивают плавное возрастание центробежной силы при переходе подвижного состава из прямой в круговую кривую или из круговой кривой одного радиуса в кривую другого (меньшего) радиуса. Кроме того, в пределах переходной кривой устраивают отвод возвышения наружного рельса и отвод уширения колеи (при радиусе менее 350 м). Плавное возрастание центробежной силы обеспечивается плавным изменением радиуса от бесконечности до величины радиуса круговой кривой. Этому условию наиболее удовлетворяет радиоидальная спираль (клотоида) или ее ближайшее приближение – кубическая парабола. Длина переходной кривой определяется рядом условий, которые можно разделить на 3 группы. Первая группа требует наибольшей длины переходной кривой, связана с отводом возвышения наружного рельса: предотвратить сход колес с рельсов внутренней нити, ограничить вертикальную составляющую скорости подъема колеса на возвышение, ограничить скорость нарастания непогашенной части центробежного ускорения. Вторая группа связана с наличием зазоров между гребнями колес и рельсовыми нитями, а также с потерей кинетической энергии при ударе колеса первой оси о рельс наружной нити. Третья группа учитывает необходимость обеспечения практической возможности разбивки переходной кривой на местности и дальнейшего исправного ее содержания.
На новых скоростных линиях, а также линиях I и II категорий длины переходных кривых /0 определяют из условия: /0 = = /штах/100, где h – возвышение наружного рельса (мм), a vm3LX – скорость движения (км/ч) наиболее быстроходного поезда в данной кривой. В соответствии с СТН Ц-01-95 уклон отвода возвышения наружного рельса обычно принимают не более 1 %о, а в трудных условиях на особогрузонапряженных линиях и на линиях III и IV категорий – не более 2%о, на подъездных путях – 3%>. Длины переходных кривых находятся в пределах от 20 до 180 м с интервалами между ними 10 м (зависят от категории линии и скоростей движения поездов по кривым). Различают следующие способы разбивки переходных кривых’ способ сдвижки круговой кривой вовнутрь, способ введения дополнительных круговых кривых меньшего радиуса, чем радиус основной кривой; способ смещения центра кривой и изменение радиуса.
В связи с тем, что на ж. д. РФ принято расположение стыков по наугольнику, каждый рельс внутренней нити кривой должен быть короче соответствующего наружного рельса. Допуская некоторое несовпадение стыков по наугольнику, устанавливают несколько типов стандартных укорочений рельсов: 40, 80 и 120 мм для рельсов длиной 12,5 м и 80 и 160 мм для 25-метровых рельсов. Количество и порядок укладки укороченных рельсов рассчитывают в зависимости от радиуса кривой, угла ее поворота, длины и параметра переходных кривых. Полное укорочение на переходной (21К) и круговой (кк) кривой определяется формулами:
Где S – расстояние между осями рельсов, 1,6 м; /0 и /кк - соответственно длины переходной и круговой кривой, м; С – параметр переходной кривой, м2. Расчетное (стандартное) укорочение каждого внутреннего рельса по отношению к наружному 25-метровому: ^CI = S-2b/R. Величина фактического укорочения принимается стандартной или близкой к ней (но не меньше стандартной).
На двухпутных линиях для обеспечения безопасности движения поездов по условиям габарита расстояние между осями путей должно быть увеличено. Это увеличение осуществляют двумя способами. В первом случае на прямой перед переходной кривой вводится дополнительная S-образная кривая, за счет которой сдвигается ось пути (рис. 3.78,а). Недостаток способа – появление двух дополнительных кривых с каждой стороны основной кривой. Второй способ {разных сдвижек) предпочтительнее; состоит в том, что длина и параметр переходной кривой внутреннего пути принимаются больше, чем наружного, сдвижка внутреннего пути будет больше, чем наружнопо (рис. 3.78,6). Требуемое уширение междупутья определяют расчетом или по таблицам.
