Обеспечение безопасности движения поездов в кривых

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(МИИТ)

Кафедра «Путь и путевое хозяйство»

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ В КРИВЫХ

 

 

Выполнил:

Группа: ВЖД-611

Проверил: доц. Сидраков А.А.

 

 

Москва 2003

 

 

Содержание:

 

 

1. Обеспечение устойчивости пути против поперечного сдвига под поездом.

Исходные данные.

Предпосылки расчетов.

Расчетная часть.

Анализ результатов расчета.

Предложения по повышению устойчивости пути.

Определение устойчивости колеса на рельсе.

Исходные данные.

Предпосылки расчетов.

Расчетная часть.

Анализ результатов расчета.

Предложения по повышению устойчивости колеса на рельсе.

3. Уширение колеи за счет отжатия рельса.

Исходные данные.

Предпосылки расчетов.

Расчетная часть.

Анализ результатов расчета.

Предложения по предотвращению уширения колеи за счет отжатия рельса.

4. Список литературы.

 

1. Обеспечение устойчивости пути против поперечного сдвига под поездом.

 

Исходные данные.

V       – скорость подвижного состава на расчетном участке, равная 60 км/ч;

R       – радиус исследуемой кривой, равный 500м;

h        – возвышение наружной нитки пути в кривой, равное100мм;

С₀      – начальное сопротивление смещению шпалы, равное 3кН;

f_Ш      – коэффициент трения шпалы по балласту, равный 0,35;

f_Р       – коэффициент трения скольжения колеса по рельсу, равный 0,3;

l         – расстояние между шпалами, равное 0,5м.

Верхнее строение пути с рельсами Р50 (износ 9 ^. 10^-3м) на деревянных шпалах с эпюрой 2000шт/км, балласт гравийный.

 

Дополнительные условия.

 

Расчет производится в режиме тяги, служебного и экстренного торможения тяжеловесного подвижного состава, то есть продольная сила торможения принимается равной 0кН; 700кН и 1000кН соответственно.

 

Предпосылки расчетов.

 

Серьезной причиной нарушения безопасности движения поездов может представлять поперечный сдвиг рельсо-шпальной решетки, что особено опасно на бесстыковом пути. Здесь накопление поперечных сдвижек пути может привести к потере его продольной устойчивости (выбросу).

При неблагоприятном сочетании воздействующих на путь вертикальных и горизонтальных поперечных сил может произойти поперечный сдвиг рельсо-шпальной решетки по балласту, особенно при талом состоянии. Исследования показали, что вероятность одновременного сочетания максимальных значений горизонтальных нагрузок на путь с максимальной или минимальной величиной вертикальных нагрузок близка к нулю.

Рис.1.1 Схема приложения сил при поперечном сдвиге пути.

 

Наиболее неблагоприятным случаем будет воздействие направляющей оси первой тележки. Поэтому горизонтальная поперечная (боковая) сила Y _Б принимается максимально вероятной, а вертикальные нагрузки на рельс приняты средними, то есть Р₁=Р₂=Р (рис.1.1).

Исходя из вышесказанного получаем,что вертикальное давление рельсов на шпалы Q ₁ = Q ₂ = Q. Из расчетов пути на прочность известно, что:

         где

К_В – коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса в вертикальной плоскости, принимаемый по таблице «Значения коэффициентов К для пути с деревянными шпалами», м^-1;

l    – расстояние между шпалами, м.

Удерживающая от сдвига шпал сила – сопротивление поперечному перемещению шпалы в балласте расчитывается по формуле:

    где

С₀   – начальное сопротивление смещению шпалы, т.е. сопротивление шпалы сдвигу при отсутствии вертикальной нагрузки;

F_тр   – сила трения шпалы;

f_Ш   – коэффициент трения шпалы по балласту, зависящий от вида шпал, типа балласта, степени его загрязнения и уплотнения.

Сдвигающая нагрузка – полная горизонтальная нагрузка, приложенная к рельсам, рассчитывается по формуле:

   где

f_P    – коэффициент трения скольжения колеса по рельсу.

Так как наибольшие боковые силы передаются, как правило, от передних направляющих колес, то сила трения Р f_P принимается со знаком минус. Получаем сдвигающую силу от направляющего и противоположного колеса по формулам соответственно:

                   где

К_Г – коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельсов в горизонтальной плоскости, принимаемый по таблице «Значения коэффициентов К для пути с деревянными шпалами», м^-1.

Суммарная сдвигающая сила определяется по формуле:

Находим отношение удерживающей силы к сдвигающей, после чего сокращаем формулу на l/2 и получаем следующее выражение:

.

При рассмотрении случая предельного равновесия (n=1) получаем возможность преобразовать формулу для нахождения горизонтальной поперечной (боковой) силы Y _Б:

После деления обеих частей уравнения на Р получаем максимально допустимое отношение поперечной силы к вертикальной, которое принимаем в качестве условия обеспечения против поперечного сдвига пути под поездом:

Приведенную выше формулу будем использовать при дальнейшей оценке устойчивости пути против поперечного сдвига по имеющимся исходным данным.

 

Расчетная часть.

 

При определении устойчивости против поперечного сдвига рельсошпальной решетки рассмотрены три режима движения при проходе грузового подвижного состава с осевой нагрузкой 230кН в кривой заданного радиуса. Расчет в режиме тяги N _Т – 0кН, в режиме служебного торможения – 700кН, в режиме экстренного торможения – 1000кН. Величину Y _Б определяем по гистограмме «зависимость величин боковых сил от поперечных непогашенных ускорений а_НП при соответствующих тормозных силах».

Определим величину непогашенного ускорения по формуле:

 

Определим отношение боковой силы к нагрузке на колесо, при котором обеспечивается поперечная устойчивость пути по формуле |1.8|:

Определим отношение боковой силы к вертикальной нагрузке на рельс в трех режимах движения:

 

Анализ результатов расчета.

 

При движении грузового подвижного состава установленной массы с установленной скоростью по исследуемому участку железной дороги: в режиме тяги N_T=0kH состояние устойчивого равновесия пути против поперечного сдвига соблюдается (Y_Б/Р=0,51< 0,638 < 0,84); в режиме служебного торможения N_T=700kH соблюдается состояние неустойчивого равновесия пути (Y_Б/Р=0,76< 0,84 < 0,946); при экстренном торможении N_T=1000kH состояние равновесия пути не соблюдается и при его применении возможна потеря продольной устойчивости (выброс) (0,84 <Y_Б/Р=0,88< 1,097). Жирным шрифтом выделено отношение боковой силы к нагрузке на колесо, при котором обеспечивается поперечная устойчивость пути, курсивом отношение боковой силы к вертикальной нагрузке на рельс в трех режимах движения подвижного состава, с коэффициентом запаса 25%. Таким образом, только при первом режиме движения (без торможения) выполняется условие устойчивости пути, что явно недостаточно, состояние пути плохое и безопасность пропуска подвижных составов (особенно тяжеловесных) не обеспечивается.

 

Исходные данные.

Характеристика пути.

 

V    – скорость подвижного состава на расчетном участке, равная 60 км/ч;

R     – радиус исследуемой кривой, равный 500м;

h     – возвышение наружной нитки пути в кривой, равное100мм;

f_Р    – коэффициент трения скольжения колеса по рельсу, равный 0,3;

Верхнее строение пути с рельсами Р50 (износ 9 ^. 10^-3м) на деревянных шпалах с эпюрой 2000шт/км, балласт гравийный.

 

Характеристика вагона.

 

Грузовой четырехосный вагон на тележках ЦНИИ-ХЗ-0.

Масса брутто равна 92,0т.

Q_КУЗ – масса кузова с грузом, равная 84,4т;

q_К    – необрессоренный вес, приходящийся на одно колесо, равный 9,95кН;

Р_СТ – нагрузка на колесо, равная 115кН;

Н_Ц   – высота центра тяжести кузова, равная 2м;

S_Ш   – расстояния между серединами шеек колесной пары, равное 2,036м;

r_K    – диаметр колеса, для грузового вагона равный 0,95м;

       r_Ш   – радиус шейки оси, для грузового вагона равный 0,075м.

К_Д   – коэффициент вертикальной динамики, равный 0,28;

l_Р     – расстояние от точки 0 до приложения силы Y_Р, равное 0,55м.

Для вагона при t=60⁰ cos60⁰=0,5, sin60⁰=0,87.

 

Дополнительные условия.

 

Расчет производится в режиме тяги, служебного и экстренного торможения тяжеловесного подвижного состава, то есть продольная сила торможения принимается равной 0кН; 700кН и 1000кН соответственно.

 

Предпосылки расчетов.

При набегании колеса на рельс оно не должно накатываться своим гребнем на него, то есть необходимо предотвратить всползание колеса на головку рельса. В тех случаях когда оно окажется по некоторым причинам приподнятым, необходимо чтобы колесо опустилось вниз по плоскости С – С, наклоненной под углом t к горизонту (рис.2.1).

Коэффициентом устойчивости будем считать отношение всех сил, препятствующих подъему колеса, к силам, вызывающим этот подъем. Силы сопротивления действуют в плоскости С – С и направлены вниз, в сторону соскальзывания. Силы подъема действуют в той же плоскости, но направлены вверх, в сторону обратную соскальзыванию колеса.                

Рассматривая условие предельного равновесия колесной пары, когда колесо идущее по нити А несколько поднялось и опирается на головку рельса своим гребнем в точке О, следует определить внешние силы и моменты, действующие на рельсовые нити. При этом воспользуемся расчетной схемой определения устойчивости колеса на рельсе (рис.2.1). Имеем следующие силы и моменты:

Ø  - полная динамическая вертикальная нагрузка колеса на рельс, передаваемая в точке 0 от левого колеса на головку рельса.

Ø  - полная динамическая вертикальная нагрузка, передаваемая в тот же момент от правого колеса на головку рельса В по кругу катания колеса.

Ø

| 2.1 |

| 2.9 |

М₁,М₂ – моменты, действующие на рельсы А и В соответственно. При этом известно, что нагрузка от вагона Р_1Ш и Р_2Ш приложена к шейкам оси колесной пары, а ее воздействие на рельсы может быть эквивалентно представлено вертикальными силами  ,   и моментами:

       

Ø U_Р max –динамическая рамная сила, приложенная на расстоянии l_Р от точки контакта левого колеса с рельсом А. При этом обычно принимают, что:

| 2.2 |

,   где

                               r_K    – радиус колеса, для грузового вагона, м;

                               r_Ш   – радиус шейки оси, для грузового вагона.

Реакции рельсовых нитей обозначены:

N₁   – нормальная к плоскости С-С реакция рельсовой нити А;

N₂   – вертикальная реакция рельсовой нити В;

| 2.3 |

F₁   – сила трения гребня колеса по рабочей грани головки рельсовой нити А

, где

f_P    – коэффициент трения скольжения гребня колеса по рельсовой нити А;

| 2.4 |

F₂    – сила трения бандажа колеса по поверхности катания головки рельса В

Силы трения F₁ и F₂ действуют в стороны, обратные направлениям скольжения соответствующих колес. Коничностью колес пренебрегаем.

| 2.5 |

Рассмотрим условие предельного равновесия колесной пары в момент, когда колесо опирается в точке 0 на рельсовую нить А прямолинейной частью гребня и стремится опуститься вниз под действием силы Р₁^Р. Для этого составим уравнения условий равновесия колесной пары в виде уравнений проекции на плоскость С-С и на ось ей перпендикулярную и уравнений моментов относительно точки О:

| 2.7 |

| 2.6 |

Из уравнения 2.7 находим N₂:

| 2.9 |

| 2.8 |

Коэффициент устойчивости против всползания гребня колеса на рельс определяем из выражения 2.5:

При расчетах принимаем угол t между горизонталью и касательной к головке рельса в точке 0 касания гребня колеса с рельсом упорной нити при всползании колеса для: вагонов 60⁰, локомотивов 70⁰.

Из приведенного выражения 2.9 видно, что предотвращению всползания гребня колеса на рельс способствует: увеличение нагрузки на ось , уменьшение величин рамных сил / уменьшением величин горизонтальных неровностей пути и непревышением величин поперечных ускорений грузовых поездов от +0,2 до –0,4 м/с /, уменьшение сил трения / лубрикацией рельсов/, увеличение угла наклона рабочей грани головки рельса к горизонту /шлифовкой до 60⁰/.

На расчетной схеме вертикальная нагрузка от кузова на колесную пару представлена силами Р_1-Ш и Р_2-Ш, в статике принимают Р_1-Ш = Р_2-Ш, а их сумма равна осевой нагрузке. При движении подвижного состава происходит уменьшение и увеличение вертикальных нагрузок от колебаний надрессорного строения на рессорах (голопирование, подпрыгивание, боковая качка). Появление дополнительных сил равновероятно на правой или левой стороне колесной пары. Поскольку неблагоприятным случаем для устойчивости против всползания колеса на рель будет разгрузка этого колеса, то есть уменьшение силы Р_1-Ш, то рекомендуется определять вертикальные нагрузки на шейку оси в прямой от обрессоренной части экипажа:

| 2.10 |

, где

Р_СТ – статическая нагрузка от колеса на рельс;

q_K – отнесенный к кузову вес необрессоренной части экипажа.

Таким образом, значение силы Р_1-Ш принимаем равным статическому, а Р_2-Ш равным максимальному динамическому.

Коэффициент вертикальной динамики для локомотивов определяется из выражения:

| 2.11 |

, где

V    – расчетная скорость движения, м/с;

f_СТ   – общий статический прогиб рессор, м (табл.П.2.9)|7|.

Максимальные значения коэффициентов вертикальной динамики для вагонов определяются по табл.4.1|10|.

При скоростях движения грузовых поездов до 120км/ч вертикальные инерционные силы от неровностей пути и колес можно не учитывать. Длительность действия этих сил так мала, что колесо при небольших скоростях не успевает подняться на рельс / протяженность пути, на котором возможно всползание колеса на рельс, составляет порядка 75-80см /.

Под действием непогашенной части центробежной силы, действующей на кузов экипажа, он отклоняется от нормального положения и частично опирается на один из скользунов, наружный или внутренний, в зависимости от направления действия непогашенного ускорения а_НП. Следовательно, одно колесо получает дополнительную нагрузку DР_Ц, а у второго нагрузка уменьшится на DР_Ц. Непогашенная часть центробежной силы J_H, приходящаяся на одно колесо, и дополнительная нагрузка DР_Ц будет определена из выражений:

| 2.12 |

, где

Q_КУЗ – вес кузова вагона брутто, Н;

g     – ускорение силы тяжести, равное 9,8м/с²;

n     – число осей экипажа, шт;

Н_Ц   – расстояние от уровня головок рельсов до центра тяжести кузова, м;

S_Ш   – расстояния между серединами шеек колесной пары, м;

l_Р     – расстояния от точки приложения силы Y_Р до точки контакта гребня колеса с рабочей гранью головки рельса, м |2.2|.

| 2.13 |

Вертикальные расчетные нагрузки на шейки осей определим из выражений:

| 2.14 |

Полные расчетные силы от колес на головки рельсов определим по формулам:

 

Расчетная часть.

Определим величину непогашенного ускорения по формуле | 1.9 |:

Величину Y _Р определяем по гистограмме «зависимость величин боковых сил от поперечных непогашенных ускорений а_НП при соответствующих тормозных силах».

Дополнительную догрузку одного колеса и разгрузку второго от центробежной силы определяем по формуле |2.12|:

Расчетные нагрузки на шейки колесной пары определяем из выражений |2.10|:

Полные расчетные нагрузки определяем по формулам |2.14|:

Определяем величины моментов по формулам |2.1|:

 

Реакция рельса определяется из выражения |2.8| при трех режимах движения подвижного состава:

Силы трения бандажа колеса по поверхности катания головки рельса при трех значениях Y_P расчитываем по формуле |2.4|:

Определяем реакции из выражения |2.6|:

Сила трения гребня колеса по рабочей грани головки рельсовой нити определяем из формулы |2.3|:

Коэффициент устойчивости против всползания гребня колеса на рельс определяем из выражения 2.9:

 

Анализ результатов расчета.

 

Теоретически устойчивость колеса на рельсе обеспечена при всех трех режимах движения подвижного состава, так как коэффициент устойчивости против всползания гребня колеса на рельс К>1. Практически рекомендуется иметь коэффициент запаса устойчивости К>1,5. Учитывая это условие, в исследуемой кривой допускается движение подвижного состава в режиме тяги, так как существующий коэффициент устойчивости близок к практическому (N_T=0kH - 1,5> К=1,48 >1,0), однако возможно всползание гребня колеса на рельс в режиме служебного торможения (N_T=700kH - 1,0< К=1,28 <1,5) и в режиме экстренного торможения (N_T=1000kH - 1,0< К=1,18 <1,5). Принимая во внимание все вышесказанное, рекомендуется провести ряд мероприятий для повышения устойчивости колеса на рельсе и обеспечения безопасного и бесперебойного пропуска подвижных составов установленной массы (особенно тяжеловесных) по исследуемому участку, с установленной скоростью.

 

Исходные данные.

 

V    – скорость подвижного состава на расчетном участке, равная 60 км/ч;

R     – радиус исследуемой кривой, равный 500м;

h     – возвышение наружной нитки пути в кривой, равное100мм;

Верхнее строение пути с рельсами Р50 (износ 9 ^. 10^-3м) на деревянных шпалах с эпюрой 2000шт/км, балласт гравийный.

 

Дополнительные условия.

 

Расчет производится в режиме тяги, служебного и экстренного торможения тяжеловесного подвижного состава, то есть продольная сила торможения принимается равной 0кН; 700кН и 1000кН соответственно.

 

Предпосылки расчетов.

| 3.1 |

Поперечные силы вызывают горизонтальный изгиб рельса, что приводит к уширению колеи и накоплению деформаций пути. Величина отжатия рельса при его горизонтальном изгибе определяется из соотношения:

, где

Y_Б – определяем по гистограмме «зависимость величин боковых сил от поперечных непогашенных ускорений а_НП при соответствующих тормозных силах», кН;

b_Z – боковая жесткость головки рельса кН/м, при нормальном состоянии шпал и скреплений по рекомендации ВНИИЖТа приведена в табл.5.1 |10|.

Допускаются упругие отжатия головки рельсов при эксплуатации в следующих условиях:

Ø Нормальная эксплуатация – 3-4мм;

Ø При пропуске пачки поездов – 4,1-5,0мм;

Ø При разовом пропуске поездов (при нагоне) – 5.1-6,0мм.

 

Расчетная часть.

Расчет производится в режиме тяги, служебного и экстренного торможения тяжеловесного подвижного состава, то есть продольная сила торможения принимается равной 0кН; 700кН и 1000кН соответственно (см.п.1.3).

Величина отжатия рельса при его горизонтальном изгибе определяется из соотношения 3.1:

При нормальном состоянии шпал и скреплений боковая жесткость головки рельса по рекомендации ВНИИЖТа приведена в табл.3.1.

Таблица 3.1

Тип рельса	bZ, кН/мм при шпалах
	деревянных	железобетонных
Р43	12	-
Р50	16	18
Р65	18	22
Р75	-	25

 

Анализ результатов расчета.

 

Уширение колеи 3,6мм допускает нормальную эксплуатацию при движении подвижного состава по исследуемому участку в режиме тяги N_T=0kH, уширение 5,4мм может допускаться при разовом пропуске поездов (при нагоне) как в режиме тяги, так и в режиме служебного торможения с продольной силой до N_T=700kH. Уширение колеи 6,3мм может привести к нарушению безопасности пропуска подвижных составов установленной массы, поэтому экстренное торможение с продольной силой N_T=1000kH в данной кривой не допустимо. На данном участке пути рекомендуется провести ряд мероприятий для уменьшения величины горизонтального изгиба рельса, вызываемого поперечными силами, предотвращению уширения колеи (на величины превышающие допускаемые) и снижению накоплений деформаций пути.

 

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(МИИТ)

Кафедра «Путь и путевое хозяйство»

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ В КРИВЫХ

 

 

Выполнил:

Группа: ВЖД-611

Проверил: доц. Сидраков А.А.

 

 

Москва 2003

 

 

Содержание:

 

 

1. Обеспечение устойчивости пути против поперечного сдвига под поездом.

Исходные данные.

Предпосылки расчетов.

Расчетная часть.

Анализ результатов расчета.