Определение минимальной допустимой ширины колеи

За расчетную схему примем вариант заклиненного вписывания экипажа, при котором наружные колеса крайних осей жесткой базы своими ребордами упираются в наружный рельс кривой, а внутренние колеса средних осей упираются в рельс внутренней нити. Центр поворота экипажа либо находится посередине жесткой базы (двухосные экипажи, многоосные экипажи с симметричным расположением осей и их разбегов), либо стремится занять это положение. При этом к полученной на основании такой расчетной схемы ширине колеи следует прибавить минимальный зазор δ_min между боковой рабочей гранью рельса и гребнем колеса на прямом участке пути. Это необходимо сделать потому, что заклиненное вписывание при эксплуатации не допускается. При этом:

• во всех случаях определенная минимальная допустимая ширина рельсовой колеи S не должна превышать максимума S _max = 1535 мм, установленного ПТЭ;
• если полученная расчетом ширина колеи получится больше S _max то это значит, что данная кривая без специальных устройств (контррельсов) не может обеспечить прохождение рассматриваемого экипажа;
• если расчетная ширина колеи S получится меньше нормальной S ₀ = 1520 мм, то это означает, что конструктивные размеры и особенности ходовых частей рассматриваемого экипажа позволяют ему проходить кривую данного радиуса без уширения колеи. В таком случае ширину колен принимают по ПТЭ в зависимости от радиуса.

Рис. 4 – Расчетная схема положения экипажа в кривой для определения минимальной допустимой ширины рельсовой колеи

Рассмотрим случай определения минимальной допустимой ширины рельсовой колеи S из условия вписывания экипажа с пятиосной жесткой базой L ₀ (в которой средняя ось безребордная) в кривую радиусом R (рис. 4).

Примем следующие обозначения:

С – центр поворота экипажа;

q = (Т + 2 h + 2μ) – ширина колесной колеи;

λ – расстояние от центра поворота до геометрической оси крайнего колеса, упирающегося в наружный рельс;

i – расстояние от С до оси четвертого колеса;

f _н – стрела изгиба наружного рельса при хорде АВ;

f _в – стрела изгиба внутреннего рельса при хорде (2 i – 2 b ₂);

b ₁ – расстояние от геометрической оси пятой (или первой) колесной пары до точки касания колеса с наружным рельсом;

b ₂ – то же четвертой (или второй) оси, но до точки касания колеса с внутренним рельсом;

∑μ – сумма поперечных разбегов осей.

Из (рис. 4) S = q + f _н - f _в - ∑μ. Однако с учетом допуска на сужение 4 мм, а также того, что экипаж, требующий наибольшей ширины колеи, имеет q _max, окончательное выражение для S будет

S = q _max + f _н - f _в - ∑μ + δ_min + 4,

где f _н – определяется по формуле

а f _в – по выражению

Величину b ₂ для неизношенных колес можно найти по формуле

Контррельсы на кривых участках укладывают у внутренней рельсовой нити или у обеих нитей (внутри колеи) в том случае, если возникает особая необходимость принимать ширину колеи в кривой больше максимальной допустимой S _max.

Контррельсы у внутренней, нити укладывают для предотвращения бокового износа рельсов наружной нити и во избежание отбоя рельсов. Контррельсы у обеих нитей укладывают в тех случаях, когда ширину колеи в кривой приходится принимать более 1541 мм. К таким решениям на магистральных дорогах прибегают очень редко, поэтому данный вопрос подробно не рассматривается.

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.

Рис. 1 – Свободное вписывание двухосного вагона

Рис. 2 – Заклиненное вписывание вагона

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.