Участок проектирования находится на ПЧ5 Хабаровской дистанции пути, от 8478км до 8493км. Имеет грузонапряженность – 100млн.тн.км.брутто/км и максимально установленные скорости для грузовых – 80 км/ч, пассажирских – 120 км/ч.

Полный код пути участка в соответствии с принятой структурой – 1О1А2.

Для данного класса, группы и подгруппы соответствуют следующие характеристики:

Рельсы – типа Р65, новые, термоупрочненные, категории ДТ370;

Скрепления – ЖБР – 65Ш;

Шпалы – железобетонные новые I сорта;

Эпюра шпал – в прямых 1840 шт/км (в кривых радиусом 1200 м и менее – 2000 шт./км);

Балласт – щебеночный I категории, в соответствии с [1] толщиной слоя не менее 40 см под железобетонными шпалами;

Размеры балластной призмы – в соответствии с типовыми поперечными профилями.

1.2 Расчеты пути на прочность

В методическом пособии [3] приведен порядок практического расчета напряжений и нагрузок в элементах верхнего строения пути и основной площадке земляного полотна от воздействия на них подвижного состава и природно-климатических факторов. Кроме этого, его можно использовать и для определения напряжений в рельсовых элементах стрелочных переводов (переднем вылете рамных рельсов, в рельсах соединительных путей), предназначенных для эксплуатации на железных дорогах РФ колеи 1520 мм.

1.2.1 Общие сведения

В пособии [4] изложена методика расчета условий укладки и эксплуатации бесстыкового пути: расчет понижения и повышения температуры рельсовых плетей, допустимых по условиям их прочности и устойчивости; расчет интервалов закрепления плетей.

Кроме того, даны рекомендации по назначению оптимальных интервалов закрепления бесстыковых плетей на постоянный режим эксплуатации.

Результаты расчетов пути на прочность и устойчивость могут быть применены:

- для определения деформаций и напряжений в элементах верхнего строения пути в заданных условиях эксплуатации;

- установления рациональных скоростей движения подвижного состава в различных условиях эксплуатации железнодорожного пути;

- проведения технико-экономических расчетов по выбору параметров основных элементов верхнего строения пути для заданных условий эксплуатации;

- установления условий обращения нового или модернизированного подвижного состава;

- решения задач о возможности и условиях укладки звеньевого или бесстыкового пути в заданных климатических и эксплуатационных условиях.

- анализа причин нарушения прочности (излом рельса) или устойчивости пути (выброс) на эксплуатируемой линии;

- анализа причин схода подвижного состава;

- проектирования новых конструкций пути.

Расчеты пути основываются на законах теоретической и строительной механики. Воздействия на путь также, как и сопротивляемость пути им, переменны и случайны, поэтому напряженно – деформированное состояние пути имеет вероятностный характер.

Основоположником применения теории вероятностей в исследованиях динамических нагрузок на путь и напряжений в его элементах является академик Н.П. Петров. Развитие этого подхода в расчетах динамических нагрузок на путь было выполнено М.Ф. Вериго и позднее А.Я. Коган (ВНИИЖТ) применил методы статистической динамики и теории случайных функций в исследовании задач взаимодействия пути и подвижного состава.

Численные значения оценочных критериев прочности пути применительно к градации грузонапряженности в соответствии с «Положением о системе ведения путевого хозяйства ОАО «РЖД»» от 31.12.2015 г. приведены в [1] прил. З. табл. 1.

Следует иметь в виду, что эти оценочные критерии могут быть использованы только в расчетах прочности звеньевого пути с короткими рельсами и неприменимы для расчетов прочности бесстыкового пути, а также пути с длинными рельсами.

В расчетах на прочность бесстыкового пути оценочные критерии прочности и устойчивости регламентированы действующими “Техническими указаниями по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути” [4].

1.2.2 Расчеты пути на прочность при изменении модуля упругости рельсового основания, разных величинах статической нагрузки колеса

Характеристика пути: рельсы типа Р65 с приведённым износом 6 мм, шпалы железобетонные, эпюра шпал в кривой 2000 шт./км, в прямой 1840 шт./км; балласт щебёночный, толщина под шпалой 0,4 м, толщина песчаной подушки 0,2 м, площадь полушпалы 3092 см ²; площадь подкладки 518 см ² .

Характеристики подвижного состава приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Характеристика подвижного состава

Рисунок 1.1 - Расчётная схема определения напряжений в балласте под шпалой

В ертикальная динамическая максимальная нагрузка ,кг, колеса на рельс определяется по формуле:

(1.1)

где Р_ср , – среднее значение вертикальной нагрузки колеса на рельс, кг;

λ – нормирующий множитель, определяющий вероятность появления;

S – среднее квадратическое отклонение динамической вертикальной нагрузки колеса на рельс, кг.

Для расчетов принята вероятность события (возникновения ), равная 0,994, т. е, из 1000 случаев прохода колеса в расчетном сечении только в 6 случаях возможно превышение , при этом значение λ =2,5.

Среднее значение вертикальной нагрузки Р_ср, кг, колеса на рельс рассчитывается по формуле:

(1.2)

где Р_ст – статическая нагрузка колеса на рельс, кг ([3] прил.1 табл.1);

– динамическая максимальная нагрузка колеса на рельс, возникающая за счет колебания кузова на рессорах, кг.

Динамическая максимальная нагрузка колеса на рельс, кг, возникающая в результате колебания кузова на рессорах определяется как:

(1.3)

где Ж – жесткость рессорного подвешивания, приведенная к колесу, кг/мм ([2] прил. 1 табл. 1);

z_max – динамический прогиб рессорного подвешивания, мм ([3] прил. 1 табл. 3).

Среднее квадратическое отклонение динамической вертикальной нагрузки колеса на рельс от вертикальных колебаний, кг, определяется по формуле композиции законов распределения его составляющих:

(1.4)

Среднее квадратическое отклонение S_p, динамической нагрузки колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного Р_р^max, кг, определяется по формуле:

S_p = 0.08 P_p^max , (1.5)

Среднее квадратическое отклонение S_пп динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс Р_р^max, кг, при прохождении колесом изолированной неровности пути:

S_нп = 0.707 P_нп^max , (1.6)

(1.7)

где α₁ – коэффициент, учитывающий род шпал: для железобетонных шпал α₁ = 0,931, для деревянных – α₁ = 1,0;

β – коэффициент, учитывающий влияние типа рельсов на возникновение динамической неровности: для пути с рельсами P65 β= 0,87; P50 β = 1;

ε – коэффициент, учитывающий влияние материала и конструкции шпал на образование динамической неровности пути, принимается для деревянных шпал ε = 1; для железобетонных – ε = 0,322;

γ – коэффициент, учитывающий влияние рода балласта на образование динамической неровности пути, принимается: для щебня, асбеста, гравия γ = 1; для карьерного гравия – γ = 1,1; для песка – γ = 1,5;

1_ш – расстояние между осями шпал: при эпюре
шпал 1840 шт./км l _ш =55 см, при 2000 шт./км – l _ш=51 см,

U – модуль упру-
гости рельсового основания, кг/см² ([3] прил, 1 табл.6), для железобетонных шпал, подрельсовые прокладки повышенной упругости, летних условий эксплуатации, кривой R_min=1952 м, при эпюре шпал 1840 шт/км, U=1500 кг/см²

К - коэффициент относительной жёсткости рельсового основания и рельса, см^-1 (рассчитывается
по [3] прил. 1 табл. 6);

q – вес необрессоренных частей экипажа, отнесенный к
одному колесу, кг (прил. 1 табл. 1);

Р_ср – среднее значение вертикальной на-
грузки колеса на рельс, кг;

V– скорость движения экипажа, км/ч.

Коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса К, см^-1, определяется по формуле:

(1.8)

U – модуль
упругости рельсового основания, кг/см² ([3] прил. 1, табл. 6);

Е – модуль упругости рельсовой стали, Е=2,1*10⁶ кг/см²

J_в – момент инерции поперечного сечения рельса относительно его центральной вертикальной оси, проходящей через его центр тяжести ([3] прил. 1 табл. 5)

Для упрощения вычислений произведения коэффициентов L = α₁ β ε γ
приведены в [3] прил. 1 табл. 7. В этом случае формула:

(1.9)

L – коэффициент, учитывающий влияние типа шпал, рельсов, рода балласта, масс пути и колеса, участвующих во взаимодействии, на образование динамической неровности пути, определяется по формуле:

(1.10)

где a₁ – коэффициент, учитывающий род шпал: для железобетонных шпал a₁ = 0,931

– коэффициент, учитывающий влияние типа рельсов на возникновение динамической неровности: для пути с рельсами Р65  = 0,87

 – коэффициент, учитывающий влияние материала и конструкции шпал на образование динамической неровности пути, принимается для железобетонных –   = 0,322

g – коэффициент, учитывающий влияние рода балласта на образование динамической неровности пути, принимается: для щебня, асбеста, гравия g = 1

Среднее квадратическое отклонение S_ннк , кг, динамической
нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс
Р_ннк^max, кг, при движении колеса с плавной непрерывной неровностью на
поверхности катания определяется по формуле:

(1.11)
где α₀ – коэффициент, характеризующий отношение необрессоренной
массы колеса к участвующей во взаимодействии массе пути ([3] прил. 1
табл. 7);