Лекция 1. Температурная работа рельсов

Дополнительная

Основная

Литература

1. Бочкарев А.Ф. и др. Аэромеханика самолета. М: Машиностроение, 1985. 356с.
2. Леонов В.А.- электронная версия этого конспекта лекций.

1Нелюбов А.И., Новад А.А. Динамика полета боевых летательных аппаратов. ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1992. 439с.

1.1 Факторы, влияющие на температуру рельсов.

Изменение температуры рельса происходит в условиях сложного теплообмена.

Летом, находясь под действием солнечных лучей, рельсы получают тепловую энергию, тратя её часть на обратное излучение и теплоотдачу в окружающую среду. Когда рельс нагревается(тепла подводится больше, чем отводится), значения температуры в разных его точках, изменяясь во времени, всё больше возрастают.

При достижения равновесия (теплового) между количеством подводимого и отдаваемого тепла температура рельсов перестаёт повышаться, хотя локальные значения температуры различных участков как по длине рельса, так и по его поперечному сечению могут довольно существенно различаться. Наблюдаемая разница в температуре по поперечному сечению рельса (головка, шейка, подошва)достигает 10ºС. Затем температура рельса понижается, а его температурное поле выравнивается.

Температура рельсов зависит от многих факторов: температуры воздуха, типа рельса и состояния его поверхностей, а также ориентирования рельса относительно сторон света, плана и профиля пути; поперечного профиля земляного полотна (насыпь, выемка, нулевое место), интенсивности солнечной радиации и прозрачности атмосферы, скорости и направления ветра, качества и отражательной способности балласта и ряда других причин.

При одной и той же температуре воздуха и различных сочетаниях других перечисленных факторов отличие температур в зависимости от условий может достигать 10º-15ºС и даже более.

Температура рельсов летом в дневные часы, как правило, выше температуры рельсов. Разница температур рельса и воздуха является величиной переменной и с повышением максимальной температуры воздуха несколько уменьшается. Разница температур рельса и воздуха летом достигает 16-18ºС в северных регионах и 24-26ºС- в средних и южных районах страны. За расчётную разницу температур между ними летом в настоящее время принимают 20ºС, т.е.

t р = t в +20 ºС,

где tр- температура рельса;

tв- температура воздуха.

Зимой температура рельсов меньше отличается от температуры воздуха. Наблюдения показали, что в зоне экстремальных зимних температур воздуха (-30ºС и ниже) их температура может быть на 3-5ºС выше по сравнению с воздухом. Из-за выхолаживания при сильном ветре температура может быть и ниже температуры воздуха. Однако обычно зимой температура рельсов и воздуха совпадает, и в расчётах принимают tр = tв.

При изготовлении и укладки рельсовых плетей, производстве работ по техническому обслуживанию и ремонту бесстыкового пути измеряют фактическую температуру рельсов. В настоящее время таковой принято считать температуру головки рельса. При подобных измерениях применяют различные технические средства: приборы для непосредственного измерения в пути на месте производства работ; стационарные приборы для измерения на постах метрологических станций и дистанции пути; стационарные или переносные приборы для измерения на рельсосварочных предприятиях в процессе изготовления плетей. Впервые температура рельсовой плети измеряется на рельсосварочном предприятии, где определяется та, при которой изготовлена плеть.

В проекте укладки бесстыкового пути каждой паре рельсовых плетей присваивается порядковый номер, под котором в дальнейшем она будет значиться в заявке на сварку и других учётных документах.

В начале и конце каждой плети на внутренней стороне шейки рельса (со стороны оси пути) белой масляной краской указывается номер рельсосварочного предприятия, номер плети по сварочной ведомости, её длина в метрах с точностью до второго знака после запятой при температуре рельсов +20ºС. При иной температуре рельсовая плеть, очевидно, будет иметь другую длину. Изменение ∆L длины рельсовой плети в этом случае может быть определено по формуле

∆L = 0.0000118L (20 – t _ф), (1.1)

где L - длина рельсовой плети при температуре +20ºС (указана на внутренней стороне шейки рельса);

t _ф - температура рельсовой плети в момент измерения.

Пример 1.1. Длина рельсовой плети, изготовленной, на предприятии 42 по сварочной ведомости 317, составляет 796,22 м, а температура рельса 18ºС. Какую длину плети следует указать на внутренней стороне шейки рельса?

Изменение длины рельсовой плети составит

∆L=0.0000118L(20-t),

∆L=0,0000118∙796,22∙(20-18)=0,02 м.

На внутренней стороне шейки рельса должна быть указана длина

796,22+0,02=796,24 м.

Допустим, что номер плети по проекту 12, плеть правая. Она уложена в путь 12 июня 2004 г. при температуре закрепления tо=+24ºС. Тогда маркировка такой плети имеет вид:

42-317-796,24-12п-11.06.04 +24

После укладки рельсовой плети в путь дополнительно к имеющейся маркировке наносят номер плети по проекту с указанием сторонности (левая по ходу км – Л, правая по ходу км - П), дату укладки и температуру плети при закреплении её к основанию (шпалам).

При закреплении плетей на шпалах температуру рельсов измеряют дважды- перед началом и после окончания закрепления. Для ускорения процесса измерения температуры рельсовых плетей сначала их закрепляют только на каждой пятой шпале.

С момента закрепления рельсовой плети на постоянный режим начинается «температурная жизнь» плети, а сама температура закрепления может считаться началом этой жизни. Температуру закрепления рельсовой плети иногда называют «нейтральной».

1.2 Изменение длины рельсов при колебаниях их температуры.

Если положить рельс длиной L на ролики или специальные подкладки с очень низким коэффициентом трения, то можно считать, что свободному удлинению рельса ничто ни препятствует.

Изменение длины рельса ∆L, как свободного стержня, при изменении его температуры может быть определено по формуле

∆L = α L ∆t р, (1.2)

где α - коэффициент линейного расширения рельсовой стали;

α = 0,00001181/град; ∆t р- изменение температуры рельса,ºС,

L - длина рельса, м.

Пример 1.2. На специальные подкладки с очень низким коэффициентом трения положили рельс длиной 985,50 м при температуре 28ºС. Температура рельса повысилась до 35ºС. Насколько изменилась длина рельса?

Изменение длины рельса ∆L, как свободного стержня, при изменении его температуры может быть определено по формуле

∆L = α L ∆t р,

где α- коэффициент линейного расширения рельсовой стали;

α=0,00001181/град;

∆t р- изменение температуры рельса,ºС,

L- длина рельса, м.

∆L=0,0000118∙985,5∙(35-28)=0,08 м.

Таким образом, при изменении температуры свободно лежащего рельса длиной 985,50 м на 7º С его длина увеличилась на 80 мм. В этом случае ничто не препятствовало этому изменению и напряженное состояние рельса не возникло.

Однако в пути рельс лежит на металлических подкладках, прикреплён к каждой шпале мощным промежуточным скреплением, а с соседним рельсом соединён стыковым скреплением, поэтому изменение длины рельса в реальных условиях не может происходить так свободно. Изменение длины рельсовой плети в зависимости от температуры описывается более сложным законом, учитывающим преодоление погонных и стыковых сопротивлений.

Рассмотрим другой крайний случай. Допустим, что рельс жестко закреплён по концам и вообще его длина постоянна.

Изменение температуры рельса, которое не может повлиять на его длину, вызывает в нём температурные напряжения, а они согласно закону Гука пропорциональны величине несостоявшегося температурного удлинения (укорочения) рельса и противоположны ему по знаку. Другими словами, если рельс при повышении его температуры не смог удлиниться, то в нём возникли температурные напряжения сжатия; если рельс при понижении его температуры не смог укоротиться, то в нём возникли температурные напряжения растяжения.

Температурные напряжения, возникающие в рельсе, если его длина сохраняется при изменении температуры относительно нейтральной, могут быть определены по формуле

σ _t = E ∆L / L = α E ∆tр, (1.3)

σ _t = E ∆L / L = α E ∆tр, (1.3)

где E- модуль упругости рельсовой стали, E - 2,1∙10 кг/см² = 21∙10 МПа;

∆L/L- несостоявшееся относительное удлинение рельса.

Продольная температурная сила, сжимающая или растягивающая (в зависимости от направления изменения его температуры) рельс, может быть определена по формуле

P_t = σ t F = α E F ∆t_р, (1.4)

где F- площадь поперечного сечения рельса, см ²;

α E=250 Н/см²∙град.

Сформулируем одно из основных положений температурной работы рельсов.