Показателями напряженно-деформированного состояния являются напряжения в элементах конструкции верхнего строения пути.

Максимальное напряжение в элементах верхнего строения пути, кг/см², определяются по формулам:

– в подошве рельса от его изгиба под действием момента

, (2.13)

– в кромках подошвы рельса

, (2.14)

– в шпале на смятие под подкладкой (при деревянной шпале) и в прокладке при железобетонной шпале

, (2.15)

– в балласте под шпалой

, (2.16)

где – момент сопротивления рельса относительно его подошвы, см³;
– коэффициент перехода от осевых напряжений в подошве рельса к кромочным, учитывающий действие горизонтальных нагрузок на рельс и эксцентриситет приложения вертикальной нагрузки; ω – площадь рельсовой подкладки, см²; – площадь полушпалы с учетом поправки на ее изгиб, см².

Полный расчет приведен в Приложении В.

2.4 Расчет устойчивости пути против поперечного сдвига под поездом

Поперечный сдвиг рельсошпальной решетки под поездом является прямой угрозой безопасности движения поездов. При неблагоприятных сочетаниях воздействующих на путь вертикальных и горизонтальных поперечных сил может произойти поперечный сдвиг рельсошпальной решетки по балласту, особенно загрязненному или в талом состоянии [2].

Исследования показали, что вероятность одновременного сочетания максимальных значений поперечных сил с максимальной или минимальной величиной вертикальных нагрузок близка к нулю. Наиболее неблагоприятным случаем будет воздействие направляющей оси первой тележки на наружный рельс кривой. Поэтому горизонтальные поперечные (боковые) силы Y_б принимаются максимально вероятными, а вертикальные нагрузки – средними т. е. Р₁ = Р₂ = Р_ср (рис. 3.1).

Следовательно, вертикальное давление рельсов на шпалу Q₁ = Q₂ = Q_ср.

Рис. 3.1. Расчетная схема определения поперечной устойчивости пути:
Р₁ и Р₂ – нагрузка от колес на рельсы; Y_б – боковая сила; Q_] и Q₂ – давление рельсов к шпалу; Н_ш-1 и Н_ш-2 – поперечные силы, действующие на шпалу от двух рельсов; С₀ – сопротивление смещению шпалы; F_тр – сила трения шпалы по балласту; f_р – коэффициент трения скольжения колеса по рельсу

Из расчета прочности пути известно, что

, (3.1)

где k_в – коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса, м^-1; l – расстояние между осями шпал, м.

Удерживающая от сдвига шпал сила – сопротивление их поперечному перемещению в балласте

, (3.2)

где С₀ – начальное сопротивление смещению шпалы при отсутствии вертикальной нагрузки; F_тр – сила трения шпалы по балласту при наличии вертикальной нагрузки; f_ш – коэффициент трения шпалы по балласту.

Поперечная сдвигающая сила является равнодействующей двух сил, приложенных к рельсам:

, (3.3)

где f_p – коэффициент трения скольжения колеса по рельсу.

Поскольку наибольшие боковые силы передаются, как правило, от первых направляющих колес, сила трения Р_срf_p принимается со знаком минус.

Поперечная сдвигающая сила Н_ш-1 действующая на шпалу от наружного рельса, и поперечная сила Н_ш-2 действующая на шпалу от второго (внутреннего) рельса и препятствующая сдвигу, составят

, (3.4)

, (3.5)

где k_г – коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельсов в горизонтальной плоскости, м^-1.

Суммарная сила, сдвигающая шпалу

. (3.6)

При торможении в кривой возникает дополнительная поперечная сила

, (3.7)

где N_т – тормозная сила, кН; L_с – расстояние между центрами автосцепок вагона (полувагон L_с = 13,92 м).

Коэффициент устойчивости пути против поперечного сдвига под поездом определяется отношением удерживающих и сдвигающих сил

. (3.8)

Путь под поездом с осевой нагрузкой Р_ср оказывается в предельном равновесии (n=1), если поперечная боковая сила достигает величины

. (3.9)

Предельно допустимое отношение поперечной боковой силы к вертикальной, определяется по формуле

. (3.10)

Таким образом, сопротивление поперечному сдвигу зависит от конструкции пути, его состояния и вертикальной нагрузки на рельсы.

Цель расчета – определить поперечную устойчивость пути в кривой при проходе грузового поезда. Для соблюдения поперечной устойчивости пути расчетное (действующее в пути) отношение поперечной боковой силы к вертикальной не должно превышать предельно допустимого значения отношения сил, т. е. должно быть .

Для определения расчетного значения отношения сил следует рассчитать непогашенное ускорение, возникающего в кривой при проходе вагона. Величина непогашенного ускорения при движении в кривой равна

, (3.11)

где V – скорость движения грузового поезда, км/ч; R – радиус кривой, м;
g – ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с); h – возвышение наружного рельса в кривой, мм; S – ширина колеи по осям рельсов (S = 1600 мм).

Величина возвышения наружного рельса определяется по формуле

. (3.12)

Для грузовых поездов оптимальным считается поперечное непогашенное ускорение 0,3 м/с². Если рассчитанное по формуле (3.11) значение превышает рекомендуемое (оптимальное) значение, то необходимо откорректировать величину возвышения наружного рельса или ограничивать скорость движения по участку.

Величины боковых сил Y_б при расчетном ускорении и расчетных тормозных силах N_т у загруженного вагона определяются по рис. 3.2.

Для порожнего грузового вагона в режиме тяги Y_б определяется по рис. 3.3. В режиме торможения к значению Y_б (рис. 3.3) добавляется дополнительная поперечная сила Н_т, которая определяется по формуле (3.7).

Рис. 3.2. Зависимость величин боковых Y_б и рамных Y_р сил от поперечных непогашенных ускорений а_нп при разных тормозных силах N_т для грузового вагона ЦНИИ-ХЗ, нагрузка 230 кН/ось, 1-я ось 1-й тележки

Рис. 3.3. Зависимость величин направляющих, боковых и рамных сил от поперечных непогашенных ускорений порожнего грузового вагона ЦНИИ-ХЗ, нагрузка 56 кН/ось, 1-я ось 1-й тележки

Расчёт

Таблица 2.1Исходные данные

R, м	С0, кН	fш	fр	kв, м-1	kг, м-1	V, км/ч
300	2,0	0,40	0,30	1,018	1,680	80

По формуле (3.12)

мм.

По формуле (3.11)

м/с².

Величины боковых сил при расчетном ускорении и расчетных тормозных силах загруженного вагона (рис. 3.2):

при кН – кН;

при кН – кН;

при кН – кН.

У порожнего вагона в режиме тяги ( ) боковая сила определяется по рис. 3.3 и равна кН.

В режиме торможения ( ) к боковой силе добавляется дополнительная поперечная сила определяемая по формуле (3.7):

при кН – кН;

при кН – кН.

По формуле (3.10)

– загруженный вагон;

– порожний вагон.

Расчетные значения отношения поперечной боковой силы к вертикальной для загруженного вагона равны:

при кН – ;

при кН – ;

при кН – .

Расчетные значения отношения поперечной боковой силы к вертикальной для порожнего вагона равны:

при кН – ;

при кН – ;

при кН – .

Вывод: Устойчивость пути против поперечного сдвига под загруженным и порожним вагоном не обеспечивается в режиме экстренного торможения.

Для грузовых поездов оптимальным считается поперечное непогашенное ускорение м/с², в данном случае м/с².

Для обеспечения безопасности движения поездов на первоначальном этапе необходимо ограничить скорость движения по данному участку, а на втором этапе откорректировать величину возвышения наружного рельса.

1. РЕКОНСТРУКЦИЯ ПРОДОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ И ПЛАНА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ НА УЧАСТКЕ РЕМОНТА

3.1 Характеристика участка

Для модернизации был выбран участок расположенный между ст.Икура – ст.Ин, протяженностью 13,8 км.

Проектом предусматривается:

• сплошная замена рельсов новыми, типа Р65;

• смена шпал на новые железобетонные;

• исправление искажений продольного профиля;

1. Верхнее строение пути

На участке модернизации железнодорожного пути укладывается звеньевой путь из инвентарных рельсов типа Р65 длиной 25 м с последующей заменой его на плети бесстыкового пути длиной в перегон.

Укладка бесстыкового пути производится после динамической стабилизации основания в соответствии с требованиями «Инструкции по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути» от 14.12.2016 г. №2544р.

Рельсы - категории ДТ350. Шпалы – железобетонные. Эпюра шпал на прямых участках и в кривых радиусом более 1200 м принята 1840 шп/км.

Скрепление – ЖБР-65Ш. Балласт щебеночный. Толщина балласта под шпалой – 40 см. Ширина плеча балластной призмы – 45 см. Крутизна откосов – 1:1,5. Согласно исходным данным для проектирования объекта модернизации железнодорожного пути стрелочные переводы №2, 12, 20, 17, 13, 11 по станции Аур предусмотрены в перекладку на новые типа Р-65, марки 1/11 на железобетонном основании.

1. Характеристика земляного полотна

Запроектированное земляное полотно отвечает условиям размещения типовой балластной призмы. Ширина основной площадки земляного полотна на прямых участках пути 12,0 м, на кривых участках увеличивается с наружной стороны в зависимости от радиуса кривой.

Проектом предусматривается срезка балластных шлейфов с обеспечением нормальной ширины основной площадки земляного полотна.

Усиление верхнего строения пути требует стабильности земляного полотна. С этой целью предусматривается регулирование поверхностного стока.

Повышение устойчивости основной площадки и совершенствование поверхностного водоотвода решаются комплексно:

• повсеместно предусматривается доведение ширины основной площадки до нормативной ширины, но не менее 3,3 м от оси пути;

• досыпка низкоопущенных обочин балластом для обеспечения ширины обочины не менее 0,5 м;

На участке модернизации железнодорожного пути имеется деформация земляного полотна в виде пучин:

• км 8386 ПК2+20 – ПК2+40 (L=20 м, h-15мм);

• км 8386 ПК8+10 – ПК8+40 (L=30 м, h-15мм);

• км 8388 ПК9+25 – ПК9+50 (L=25 м, h-15мм);

• км 8389 ПК6+10 – ПК6+40 (L=30 м, h-15мм);

• км 8390 ПК2+25 – ПК2+50 (L=25 м, h-15мм);

• км 8393 ПК8+10 – ПК8+90 (L=80 м, h-15мм);

Дестабилизирующими факторами, вызывающими деформации являются: неустойчивость основной площадки земляного полотна из-за большой загрязненности балласта, развития в ней различных углублений и неудовлетворительная работа водоотводов. Для устранения влияния этих факторов разработаны нижеприведенные мероприятия:

• глубокая очистка загрязненного балласта (щебень 0,40 м);

• укладка теплоизолирующего или разделительного покрытия;

Толщина защитного слоя под балластной призмой устанавливается на основании расчетов в зависимости от вида грунта земляного полотна и его состояния, категории железной дороги, с учетом вида грунта защитного слоя и глубины промерзания грунтов.