Осевые напряжения в рельсе

Вертикальные и горизонтальные силы, действующие на путь, вызывают появление напряжений и деформаций (прогибов) в каждом его элементе.

Для того чтобы определить допускаемую скорость движения, нужно знать допускаемые напряжения в каждом элементе пути. Если окажется, что при данной скорости фактические напряжения не превышают допускаемые, то езда с такой скоростью возможна. И, наоборот, если фактические (расчетные или измеренные) напряжения превышают допускаемые, езда с принятой в расчетах скоростью недопустима. Не менее важно в работе пути знать не только силы, действующие на путь, но и число приложений сил (многократность приложения сил), или, иначе говоря, грузонапряженность.

Наряду с нагрузками от колесной пары на рельсы и скоростью движения грузонапряженность определяет сроки развития усталостных процессов в материале, сроки службы каждого элемента пути.

Установлены следующие допускаемые напряжения: в рельсах (в кромке подошвы) при вагонной нагрузке — 200 МПа, при локомотивной — 240 МПа; в деревянных шпалах на смятие под подкладкой — 2,2 МПа (шпалы из сосны, ели, пихты) и 3,5 МПа (из бука); в железобетонных шпалах на смятие — 20 МПа (т. е. примерно в 10 раз больше, чем в деревянных); в балласте под вагонной нагрузкой — 0,2МПа (песок) до 0,33 МПа (щебень), подлокомотивной нагрузкой — от 0,28 МПа до 0,5 МПа; на основной площадке земляного полотна — 0,08 МПа (в отдельных случаях с разрешения МПС 0,09 — 0,1 МПа).

Какие же фактические напряжения и деформации возникают в элементах пути?

Например, при движении электровоза ВЛ10 по пути с рельсами Р50, деревянными шпалами (1840 шт/км) и щебеночным балластом напряжения в рельсах на прямом участке находятся в пределах 123 — 198 МПа (соответственно изменению скорости от 10 до 100 км/ч). При железобетонных шпалах и при всех прочих равных условиях и скорости 100 км/ч напряжения в рельсах будут 140 МПа. В кривой радиусом 600 м напряжения выше 130 — 210 МПа. Все эти напряжения не превышают допускаемых, поэтому ограничений в скорости не требуется. Напряжения в деревянной шпале под подкладкой равны 1,3 МПа, под шпалой в балласте — 0,23 МПа.

При скорости 100 км/ч и деревянных шпалах вертикальный прогиб рельса при остальных условиях этого примера достигает 3,7 мм, а при железобетонных шпалах — 0,8 мм.

Напряжения под шпалой зависят от формы ее изгиба (рис. 4.4). При движении тепловоза ТЭП10 по пути с рельсами Р65, железобетонными шпалами (1840 шт/км) в прямой напряжения в рельсах будут 56 — 85 МПа (скорость 120 — 140 км/ч). Эти напряжения намного меньше допускаемых, так как путь более мощный, чем в предыдущем примере, хотя скорости движения выше.

Были проделаны опыты со скоростным вагоном-лабораторией с авиационным реактивным двигателем. На одном из участков Приднепровской дороги этот вагон развивал скорость до 250 км/ч. Нагрузка от колесной пары вагона на рельсы была 150 кН, поэтому напряжения в рельсах были очень малы — от 55 до 70 МПа. Главное здесь, на что следует обратить внимание, — это сравнительно небольшое нарастание напряжений в таком весьма большом диапазоне скоростей.

До сих пор рассматривались напряжения в рельсах, возникающие при их изгибе. Однако есть еще и другие виды напряжений, которые могут быть весьма опасными. В местах резкого изменения очертаний рельсов (например, переход от головки к шейке) и вокруг болтовых отверстий возникает концентрация местных напряжений. Чтобы уменьшить их, делают более плавные переходы по профилю рельса и стараются улучшить форму болтовых отверстий. Например, круглые отверстия лучше прежних овальных.

Особенно значительны контактные напряжения, образующиеся в месте контакта колеса и рельса. Контактная площадка очень мала (около 1,5 см²), поэтому большие нагрузки на эту площадку вызывают огромные напряжения в металле, достигающие 1500 — 2300 МПа. Из-за этих напряжений интенсивно развиваются контактные разрушения, особенно по наружным нитям кривых малого радиуса.

Контактные напряжения способствуют появлению дефектов 11.1, 11.2, 21.1, 21.2 (см. рис. 2.5). Чтобы уменьшить развитие этих дефектов, необходимы отличное текущее содержание пути и ходовых частей подвижного состава, а также повышение качества рельсовой стали.

Источник

Расчеты верхнего строения пути. Расчеты пути на прочность. Классификация рельсов по длине. Расчеты бесстыкового пути , страница 5

Пример. Пусть путь оказался не выправленным на пучине, имеющей горб h=50 мм и l=10 м. Предполагая, что горб очерчен по косинусоиде, ординаты неровности и кривизна ее будут, считая начало координат в начале горба:

;

При принятых значениях h и l см. Изгибающий рельс момент и наибольшие нормальные напряжения в рельсах от изгиба

; ,

где y – расстояние от нейтральной оси до волокна, в котором определяются напряжения.

Для рельсов Р65 I=3548 см 4 , W=359 см 3 , у=9,87 см, поэтому кгс/см 2 , что весьма много. Поэтому предотвращение пучин, а при их наличии — своевременное исправление пути на пучинах является задачей большой важности. При этом кроме дополнительных воздействий на элементы пути вызываются дополнительные динамические силы инерции при движении подвижного состава по пути с такими неровностями.

Изменения температуры длинных рельсов могут вызвать большие сжимающие силы и даже выброс пути. Температурные напряжения в неподвижной части плети составят при , .

Температура рельсов в солнечную погоду на 20, а в Средней Азии на 30 градусов превышает температуру воздуха, и это надо учитывать в процессе эксплуатации ж. д. пути. Ночью и в пасмурною погоду температуры рельса и воздуха одинаковы. Зимой минимальная температура рельса принимается равной минимальной температуре воздуха.

1.3.7 Собственные воздействия

Собственными воздействиями конструкции называются воздействия на нее, вызванные способами изготовления, укладки, содержания, ремонта конструкции и составляющих ее деталей.

Рельсы после проката остывают неравномерно по всему сечению. Головка рельса остывает медленнее, поэтому после того, как шейка и подошва остыли, головка, продолжая остывать, укорачивается и тянет их за собой. При этом возникают внутренние остаточные собственные напряжения. Холодная правка рельсов создает дополнительное их напряженное состояние. С течением времени собственные напряжения, которые могут достигать значительных величин (10-15 тыс. кгс/см 2 ), меняются.

На поверхности катания головки собственные напряжения у новых рельсов растягивающие и достигают 810 кгс/см 2 . На шейке рельсов действуют сжимающие напряжения 940; в средней части подошвы — растягивающие 1230, а по краям ее 840 кгс/см 2 . Остаточные растягивающие напряжения на поверхности катания головки рельса вредны.

Проходящие по рельсам колеса вызывают растяжение верхних волокон головки, а также смятие и наклеп металла и образование остаточных сжимающих напряжений, которые постоянно гасят первоначальные растягивающие напряжения. После прохода 152 млн. т брутто растягивающие напряжения с наибольшим средним значением 810 кгс/см 2 переходят в сжимающие величиной 240-400 кгс/см 2 . После прохода 619 млн. т сжимающие напряжения достигают 900-1190 кгс/см 2 . За период прохода от 152 до 840 млн. т брутто по головке рельса средние сжимающие напряжения составили 640, по шейке — 1170, а по краям подошвы – 89 кгс/см 2 (в средней части подошвы растягивающие напряжения оказались равными 1850 кгс/см 2 ).

Таким образом, в результате работы рельсов под нагрузкой все собственные остаточные напряжения возрастают, а на поверхности катания растягивающие напряжения переходят в сжимающие. Остаточные напряжения у закаленных рельсов в 1,5 раза выше, чем у незакаленных.

Сжимающие напряжения в краевых частях подошвы рельса положительно влияют на ее работу при изгибе рельса под нагрузкой, т.к. максимальные по абсолютному значению напряжения развиваются в кромках подошвы и являются растягивающими; они достигают наибольшего значения в сечении под грузом.

Надо научиться регулировать собственные напряжения и сделать их полезными. Образцы, вырезанные из глубины головки рельса (d=10, 1=148 мм), не дают полной картины, т.к. они освобождаются от подавляющей части собственных напряжений. Испытывать необходимо натурные образцы (или знать коэффициенты перехода от показателей образцов к показателям целых рельсов). Большие собственные напряжения создают в предварительно напряженных шпалах, плитах и рамах.

1.3.8 Укладка пути и путевые работы

При укладке рельсов на кривой они изгибаются, при этом изгибающий момент .

Уравнение переходной кривой, где — параметр; 1 — текущая и 1₀ — полная длина переходной кривой, примыкающей к круговой кривой радиуса R.

Тогда .

Напряжения от изгиба в крайних волокнах рельсов, для которых момент сопротивления .

Таким образом, рельсы в кривых окажутся под воздействием момента М и напряжений σ.

где у_max — расстояние от нейтральной оси до наиболее удаленного волокна.

Большие напряжения в рельсах могут возникнуть при производстве путевых работ. При вывеске пути они могут доходить до 3000-3500 кгс/см 2 . Эти напряжения относятся ко временным, и важно, чтобы они не выходили за пределы упругости рельсовой стали, чтобы в результате производства путевых работ в рельсах, как, конечно, и в других элементах ж. д. пути, не проявлялись начальные повреждения.

Образующиеся на пути неровности в плане и профиле вызывают также собственные напряжения в рельсах. Большие собственные напряжения в ненагруженном пути существенно изменяют и условия его работы под поездом. Они, суммируясь с динамическими напряжениями, и от влияния природных факторов могут осложнять работу пути. Надо обеспечивать надежную и долговечную работу пути при выгрузке рельсовых плетей со спецсостава для перевозки плетей.

Регулируя и создавая в нужном направлении собственные (предварительные) напряжения, можно получить более легкие, прочные и надежные конструкции, такие как:

— конструкции из предварительно напряженного железобетона;

— металлоконструкции со специальной термической или механической обработкой металла, создающей предварительные напряжения, обратные по знаку ожидаемым при работе (например, соответствующее упрочнение металла у стенок отверстий для стыковых болтов в рельсах) и т.п.

При затяжке стыковых стыков в накладках и пазухе рельсов создаются местные напряжения. При сборке рельсошпальной решетки при затяжке клеммных и закладных болтов монтажные напряжения возникают в подкладках и в подошве рельсов.

АлтГТУ 419
АлтГУ 113
АмПГУ 296
АГТУ 267
БИТТУ 794
БГТУ «Военмех» 1191
БГМУ 172
БГТУ 603
БГУ 155
БГУИР 391
БелГУТ 4908
БГЭУ 963
БНТУ 1070
БТЭУ ПК 689
БрГУ 179
ВНТУ 120
ВГУЭС 426
ВлГУ 645
ВМедА 611
ВолгГТУ 235
ВНУ им. Даля 166
ВЗФЭИ 245
ВятГСХА 101
ВятГГУ 139
ВятГУ 559
ГГДСК 171
ГомГМК 501
ГГМУ 1966
ГГТУ им. Сухого 4467
ГГУ им. Скорины 1590
ГМА им. Макарова 299
ДГПУ 159
ДальГАУ 279
ДВГГУ 134
ДВГМУ 408
ДВГТУ 936
ДВГУПС 305
ДВФУ 949
ДонГТУ 498
ДИТМ МНТУ 109
ИвГМА 488
ИГХТУ 131
ИжГТУ 145
КемГППК 171
КемГУ 508
КГМТУ 270
КировАТ 147
КГКСЭП 407
КГТА им. Дегтярева 174
КнАГТУ 2910
КрасГАУ 345
КрасГМУ 629
КГПУ им. Астафьева 133
КГТУ (СФУ) 567
КГТЭИ (СФУ) 112
КПК №2 177
КубГТУ 138
КубГУ 109
КузГПА 182
КузГТУ 789
МГТУ им. Носова 369
МГЭУ им. Сахарова 232
МГЭК 249
МГПУ 165
МАИ 144
МАДИ 151
МГИУ 1179
МГОУ 121
МГСУ 331
МГУ 273
МГУКИ 101
МГУПИ 225
МГУПС (МИИТ) 637
МГУТУ 122
МТУСИ 179
ХАИ 656
ТПУ 455
НИУ МЭИ 640
НМСУ «Горный» 1701
ХПИ 1534
НТУУ «КПИ» 213
НУК им. Макарова 543
НВ 1001
НГАВТ 362
НГАУ 411
НГАСУ 817
НГМУ 665
НГПУ 214
НГТУ 4610
НГУ 1993
НГУЭУ 499
НИИ 201
ОмГТУ 302
ОмГУПС 230
СПбПК №4 115
ПГУПС 2489
ПГПУ им. Короленко 296
ПНТУ им. Кондратюка 120
РАНХиГС 190
РОАТ МИИТ 608
РТА 245
РГГМУ 117
РГПУ им. Герцена 123
РГППУ 142
РГСУ 162
«МАТИ» — РГТУ 121
РГУНиГ 260
РЭУ им. Плеханова 123
РГАТУ им. Соловьёва 219
РязГМУ 125
РГРТУ 666
СамГТУ 131
СПбГАСУ 315
ИНЖЭКОН 328
СПбГИПСР 136
СПбГЛТУ им. Кирова 227
СПбГМТУ 143
СПбГПМУ 146
СПбГПУ 1599
СПбГТИ (ТУ) 293
СПбГТУРП 236
СПбГУ 578
ГУАП 524
СПбГУНиПТ 291
СПбГУПТД 438
СПбГУСЭ 226
СПбГУТ 194
СПГУТД 151
СПбГУЭФ 145
СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
ПИМаш 247
НИУ ИТМО 531
СГТУ им. Гагарина 114
СахГУ 278
СЗТУ 484
СибАГС 249
СибГАУ 462
СибГИУ 1654
СибГТУ 946
СГУПС 1473
СибГУТИ 2083
СибУПК 377
СФУ 2424
СНАУ 567
СумГУ 768
ТРТУ 149
ТОГУ 551
ТГЭУ 325
ТГУ (Томск) 276
ТГПУ 181
ТулГУ 553
УкрГАЖТ 234
УлГТУ 536
УИПКПРО 123
УрГПУ 195
УГТУ-УПИ 758
УГНТУ 570
УГТУ 134
ХГАЭП 138
ХГАФК 110
ХНАГХ 407
ХНУВД 512
ХНУ им. Каразина 305
ХНУРЭ 325
ХНЭУ 495
ЦПУ 157
ЧитГУ 220
ЮУрГУ 309

Полный список ВУЗов

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Источник