Лекция 1. Общие сведения об устройстве рельсовой колеи и ходовых частей подвижного состава

Конспект лекций по ПТЭ

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с требованиями ПТЭ все элементы железнодорожного пути должны обеспечивать безопасное и плавное движение поездов с наибольшими скоростями, установленными для данного участка.

В современных условиях работы ОАО «Российские железные дороги» перед работниками транспорта поставлены задачи по освоению возрастающих перевозок грузов и пассажиров: повышать веса поездов, увеличивать скорости движения, повсеместно усиливать мощности железнодорожного пути – укладывать бесстыковую конструкцию на железобетонном основании.

Изменения условий эксплуатации железнодорожного пути требуют корректировки параметров рельсовой колеи: возвышения; переходных кривых; в некоторых случаях уположения круговых кривых.

Переустройство рельсовой колеи связано со сдвижками оси пути в поперечном направлении, при этом необходимо не только определить величины сдвижек пути, но и найти оптимальные решения, которые позволят использовать существующую ширину основной площадки земляного полотна без устройства боковых присыпок.

Учитывая, что размеры и конструктивное оформление рельсовой колеи находятся в зависимости от размеров и конструктивных особенностей ходовых частей экипажей, в данной работе приведены основные сведения о них и об особенностях ходовых частей вагонов, обусловливающих повышенное боковое воздействие гребней колес на головку рельсов.

В конспекте лекций показана последовательность решения задач проектирования и расчетов рельсовой колеи в прямых и кривых участках пути, приведены требования к ее элементам, расчетные схемы, формулы и примеры расчетов.

При этом основное внимание обращается на формулирование цели расчетов и проектирования, обоснование принимаемых решений, анализ полученных результатов, сравнение вариантов и аргументированные выводы и предложения.

Конспект лекций издан в дополнение к разделу «Рельсовая колея» учебника «Железнодорожный путь» [1]. Содержание и последовательность изложения материала соответствуют сложившейся практике решения задач в курсовом и дипломном проектировании.

Конспект рассчитан на студентов, разрабатывающих курсовые и дипломные проекты по разделу «Проектирование рельсовой колеи».

План лекции:

1.1. Что такое рельсовая колея?

1.2. Устройство ходовых частей подвижного состава.

1.1. Что такое рельсовая колея?

«Рельсовой колеей называются две геометрические линии, проходящие вдоль пути по внутренним граням головок рельсов на уровне их контакта с гребнями колес. Условно считают, что эти линии проходят по внутренним (рабочим) граням головок рельсов на уровне, находящемся на 13 мм ниже их поверхности катания». Это определение принадлежит профессору В.М. Панскому.

Очертания рельсовых нитей под поездной нагрузкой представляют собой один из основных результатов деятельности путевого хозяйства, относятся к числу факторов, включающих железнодорожный путь в перевозочный процесс.

Очертания рельсовых нитей во многом регламентированы нормативами на устройство и содержание рельсовой колеи.

Основным требованием при проектировании и устройстве рельсовой колеи является обеспечение безопасности движения поездов с установленными скоростями при минимуме сил взаимодействия рельсового пути и подвижного состава.

Согласно Правилам технической эксплуатации железных дорог РФ (ЦРБ 756) [4, с. 12] сооружение и устройство железных дорог должно соответствовать требованиям, обеспечивающим пропуск поездов с наибольшими установленными скоростями: пассажирских – 140 км/ч, рефрижераторных – 120 км/ч, грузовых – 90 км/ч, а по конкретным участкам железных дорог на основании приказа начальника дороги устанавливаются дифференцированные скорости.

Рельсовая колея на прямых участках пути характеризуется: шириной колеи, положением рельсовых нитей по уровню и подуклонкой. На рис. 1 показана колесная пара, находящаяся на рельсовой колее в прямом участке пути.

Размеры ширины колеи S, насадки колес Т и толщины гребней h (рис. 1) с учетом допусков и износа колес установлены ПТЭ [4].

Шириной колесной колеи q (колесной пары) называют расстояние между рабочими гранями гребней (реборд) колес в расчетной плоскости. Последняя расположена на 10 мм ниже средних кругов катания колес (для неизношенных колес и рельсов).

Рис. 1. Положение колесной пары в рельсовой колее на прямом участке пути:

а – ширина колеса; δ₁, δ₂ – зазоры между гребнями колес и рабочими гранями головок рельса; h₁, h₂ – толщина гребней колес; μ – утолщение гребней колес выше расчетной плоскости; Т – насадка колес; q – ширина колесной пары; S – ширина колеи

В кривых участках железнодорожного пути рельсовая колея устраивается с учетом следующих особенностей.

1. При движении железнодорожного экипажа по кривой появляется сила инерции, которую обычно называют центробежной силой. Эта сила создает дополнительное давление на наружную рельсовую нить и вызывает крен кузова на рессорах, в связи с этим рельсы быстрее изнашиваются, возникают отбои рельсовых нитей, увеличиваются напряжения в элементах верхнего строения пути, пассажиры испытывают неприятные ощущения. С целью нейтрализации вредного влияния центробежной силы в кривых приподнимают наружную рельсовую нить над внутренней, т. е. устраивают возвышение наружной рельсовой нити.

2. При переходе экипажа из прямой непосредственно в круговую кривую внезапно появляется центробежная сила. Для исключения динамического эффекта – внезапного воздействия экипажа на путь, вызывающего боковой толчок при входе экипажа в кривую и выходе их нее, между круговой кривой и прямой устраивают особую кривую – переходную.

3. Для облегчения вписывания (прохода) тележек экипажей в кривые участки пути (R < 350 м) устраивают уширение рельсовой колеи.

4. Для соблюдения требований габарита приближения строений (С) в кривых двухпутных линий увеличивают междупутные расстояния.

5. С целью обеспечения расположения рельсовых стыков в одном створе (по «наугольнику») укладывают по внутренней нити укороченные рельсы.

Параметры рельсовой колеи как в прямых, так и в кривых участках пути должны обеспечивать безопасное движение экипажей и минимизировать их силовое воздействие на путь. Поэтому размеры и конструктивное оформление рельсовой колеи определяются во взаимосвязи ее с ходовыми частями подвижного состава, т. е. размерами и конструктивными особенностями ходовых частей экипажей, в частности, колесных пар.

1.2. Устройство ходовых частей подвижного состава

Любой экипаж (локомотив, вагон) состоит из неподрессоренной части и надрессорного строения. К неподрессоренной относятся ходовые части подвижного состава, т.е. тележки.

Они предназначены для обеспечения безопасного движения экипажей по рельсовому пути с заданной скоростью, плавного хода и наименьшего сопротивления движению. На рис. 2 показана двухосная тележка грузового вагона модели 18-100, рассчитанная на конструкционную скорость движения 120 км/ч типа ЦНИИ-ХЗ-0.

Рис. 2. Двухосная тележка грузового вагона с литыми боковыми рамами типа ЦНИИ-ХЗ-0:

1 – литая боковая рама; 2 – надрессорная балка; 3 – комплект центрального подвешивания с фрикционными гасителями колебаний; 4 – буксовый узел; 5 – колесная пара; 6 – тормозная рычажная передача

Тележка ЦНИИ-ХЗ-0 состоит из двух колесных пар 5, с четырьмя буксовыми узлами 4, двух литых боковых рам 1, надрессорной балки 2, двух комплектов центрального подвешивания с фрикционными гасителями колебаний 3 и тормозной рычажной передачи 6.

Боковая рама имеет объединенные пояса и колонки, образующие в средней части проем для размещения комплекта центрального рессорного подвешивания, а по концам – буксовые проемы.

Надрессорная балка (рис. 3) имеет полую конструкцию замкнутого поперечного сечения и форму, близкую к брусу равного сопротивления изгибу. Она отлита вместе с подпятником, служащим опорой кузова вагона, опорами для размещения скользунов и выемками для размещения фрикционных клиньев. На каждой из двух опор скользунов размещаются перевернутые коробки 8 с регулировочными прокладками 9.

Рис. 3. Надрессорная балка тележки типа ЦНИИ-ХЗ-0:

1 – подпятник; 2 – кронштейн мертвой точки рычажной передачи тормоза; 3 – опора для скользуна; 4 и 5 – бурты, ограничивающие смещения наружных и внутренних пружин рессорного комплекта при движении тележки; 6 – выемка, служащая для размещения фрикционных клиньев; 7 – полка крепления кронштейна мёртвой точки; 8 – колпак (коробка) скользуна; 9 – прокладки для регулировки зазоров между скользунами вагона и тележки; 10 – болт, предохраняющий колпак скользуна от падения; 11 – поддон для опоры шкворня; 12– колонка, усиливающая опору на подпятник пятника вагона

Рессорное подвешивание тележки состоит из двух комплектов, каждый из которых имеет пять, шесть или семь двухрядных цилиндрических пружин (в зависимости от грузоподъемности вагона) и два фрикционных клиновых гасителя колебаний.

Колесные пары – это ось с глухонасаженными на нее стальными колесами. Тип колесной пары определяется типом оси, диаметром колес, конструкцией подшипника и способом крепления его на оси.

Рис. 4. Колесная пара: 1 – ось колесной пары;

2 – бандаж; 3–5 – шейки; 6 – предподступичная часть;

7 – подступичная часть; 8 – средняя часть

Размеры оси (рис. 4) зависят от величины расчетной нагрузки на ось. Исходя из расчетной нагрузки определяются диаметры шеек 3, 4, 5, подступичной – 7 и средней – 8 частей оси. Предподступичная часть 6 является ступенью перехода шейки к подступичной части оси и служит для установки уплотняющих устройств буксы. На подступичных частях 7 прочно закрепляются колеса.

В настоящее время в эксплуатации находится небольшое количество колесных пар с подшипниками скольжения, которые заменяются роликовыми. На торцах шеек 5 таких колесных пар имеются буртики 9, ограничивающие продольные перемещения подшипников скольжения.

Основным типом вагонных колес являются цельнокатаные, а локомотивных – бандажные.

Стальное цельнокатаное колесо (рис. 5) состоит из обода 1, диска 2, ступицы 3. Рабочая часть колеса представляет собой поверхность катания 4. Ступица 3 с ободом 1 объединены диском 2, расположенным под некоторым углом к плоскости круга катания, что придает колесу упругость и способствует снижению уровня динамических сил во время движения. Ступица 3 служит для посадки колеса на подступичной части оси. Поверхность катания обрабатывается по специальному профилю (рис. 6).

Бандажные (составные) колеса состоят из колесного центра, бандажа и предохранительного кольца. Учитывая сложные условия работы и повышение надежности в эксплуатации, бандаж изготовляют из стали повышенной прочности и твердости, а колесный центр – из более вязкой и дешевой стали. При достижении предельного износа или появлении других повреждений бандаж можно заменить без смены колесного центра.

На дорогах России установлен стандарт на размеры колес. Диаметр колес измеряют по среднему кругу катания. Средний круг катания – это вертикальное сечение колеса, которое расположено на расстоянии 70 мм от внутренней грани колеса.

Вагонные колеса имеют диаметр по среднему кругу катания d_в = 950 и 1050 мм. Локомотивные (тепловозные и электровозные) – d_тэп,Эл = 1050 и 1250 мм. Диаметр колес паровозов d_пар = 1200 и 1850 мм. От диаметра колес зависит износ металла головки рельсов. Колеса опираются на головку рельса небольшой площадкой, которая имеет форму, напоминающую эллипс. При прочих равных условиях площадь контакта зависит от диаметра колеса. Чем меньше диаметр, тем меньше контактный эллипс, тем большие напряжения возникают в металле головки рельса и соответственно увеличивается износ.

Рис. 5. Стальное цельнокатаное вагонное колесо: а – внутренняя грань колеса;

б – наружная грань колеса; 1 – обод; 2 – диск; 3 – ступица; 4 – поверхность катания

Колеса своими ступицами (см. рис. 5) под сильным давлением (от 35 до 105 т) наглухо насаживаются на подступичную часть оси (см. рис. 4), диаметр которой на 0,1…0,3 мм больше диаметра ступиц. Таким образом, колеса могут вращаться только вместе с осью. Глухая насадка колес на оси обеспечивает неизменность расстояния между колесами и, следовательно, не допускает их проваливания внутрь колеи или схода наружу.

Расстояние между внутренними гранями бандажей или ободов цельнокатанных колес называется насадкой Т (см. рис. 1). В Правилах технической эксплуатации железных дорог записаны нормы и допуски для указанных расстояний. Насадка вагонных и локомотивных колес Т = 1440 мм. Допуски зависят от скорости движения экипажей. При скоростях до 120 км/ч отклонения допускаются в сторону увеличения и уменьшения не более 3 мм (т. е. Т = 1440 ± 3 мм). При скоростях от 120 до 140 км/ч отклонения допускаются в сторону увеличения не более 3 мм и в сторону уменьшения не более 1 мм, т.е. Т = 1440 (+ 3; – 1 мм) [4].

Колеса имеют реборды (гребни). Назначение реборд – обеспечение направления и предохранение от схода колес с рельсов. Свес (высота) гребней (считая от среднего круга катания неизношенного колеса) локомотивных колес равен 30 мм, а вагонных – 28 мм (рис. 6).

Рис. 6. Очертание и основные размеры колес:

а – локомотивного; б – вагонного (штриховой линией показаны предельные износы колес)

Толщина гребней (реборд) измеряется на уровне расчетной плоскости, т. е. по нормали к геометрической оси колесной пары, расположенной на расстоянии 10 мм от средних кругов катания неизношенных колес (рис. 6). Ввиду того, что поверхность катания колес со временем изнашивается, толщину гребня измеряют на расстоянии от вершины реборды 20 мм (для локомотивных колес) и 18 мм (для вагонных), которые практически остаются неизменными весь срок службы колес.

Толщину гребней колес в расчетной плоскости принято обозначать буквой h. В процессе эксплуатации гребни колес изнашиваются неодинаково, поэтому на рис. 1 показана толщина гребня одного колеса h₁, другого – h₂. Выше расчетной плоскости толщина гребней вагонных колес продолжает увеличиваться на μ = 1 мм (см. рис. 1), а у локомотивных колес μ = 0.

Толщина неизношенного нового гребня вагонного и локомотивного колес h_max = 33 мм. Наименьшая толщина изношенного гребня (реборды) при скоростях движения до 120 км/ч допускается h_min = 25 мм, при скорости движения более 120 км/ч до 140 км/ч h_min = 28 мм [4].

Колеса железнодорожных экипажей имеют коническую форму поверхности катания (рис. 6). Коническая обточка колес необходима для обеспечения плавности движения экипажей, безопасного прохода по стрелочным переводам и недопущения образования седлообразного (желобчатого) износа колес.

Если одно такое колесо катится по рельсу меньшим кругом, а другое колесо этой же оси большим кругом, то последнее колесо будет опережать первое. Возникает виляющее движение колесной пары. Однако колесные пары в основном занимают среднее положение в рельсовой колее. Как только колесная пара выведена по каким-либо причинам из среднего положения, она сейчас же стремится вновь занять симметричное положение, при этом колесные пары будут двигаться по волнообразной кривой, а не в перекошенном в плане положении, как это было бы при цилиндрических колесах.

Колеса с цилиндрической поверхностью катания не обеспечили бы плавности движения. Любая неровность пути (в плане или в профиле) вызывала бы резкое перемещение экипажа вбок (т. е. толчок).

Кроме того, уже при небольшом износе таких колес на них образовывалось бы седлообразное углубление или желоб. Желоб на поверхности катания колеса недопустим, так как в ряде случаев он приводил бы к значительному росту динамических сил и даже ударных.

Например, резкие удары получаются при прохождении колеса, имеющего седлообразный (желобчатый) прокат, по крестовине при перекатывании с сердечника на усовик или наоборот, а также по стрелке при перекатывании с остряка на рамный рельс.

При коничности поверхности катания колес 1/20 на участке преимущественного их износа седлообразного углубления не возникает. Износ имеет вид, показанный штриховой линией на рис. 6.

Коничность колес имеет некоторые недостатки. Она приводит к «вилянию» экипажей, является одной из причин проскальзывания колес в кривых участках пути. Однако спокойное, плавное и устойчивое движение экипажей, которое обеспечивает коничность поверхности катания колес, так важно, что с указанными ее недостатками приходится мириться.

Колеса в поперечном разрезе имеют сложную форму (рис. 6). Гребень колес сопрягается с поверхностью катания по кривой, очерченной радиусом 15 мм у вагонов и 13,5 мм у локомотивов. Этот радиус близок к радиусу сопряжения верхней и боковой граней головки рельсов для того, чтобы затруднить вкатывание колес на рельсы. Далее идет коническая поверхность с уклоном 1/20, затем 1/7. Переход коничности колес от 1/20 к 1/7 сделан с той целью, чтобы облегчить их перекатывание с остряка на рамный рельс и с сердечника крестовины на усовик и обратно. Край колеса заканчивается фаской шириной и высотой 6 мм, у цельнокатаных колес фаска с наружной стороны заменяется закруглением радиусом 10 мм.

В процессе эксплуатации поперечный профиль колес изменяет форму, появляется вертикальный износ (прокат), измеряемый по среднему кругу катания.

Прокат колес пассажирских вагонов, моторвагонного подвижного состава и локомотивов при скорости движения свыше 120 км/ч до 140 км/ч не должен превышать 5 мм, а при скорости движения до 120 км/ч – более 7 мм, у моторвагонного и специального самоходного подвижного состава и пассажирских вагонов в поездах местного и пригородного сообщения – более 8 мм, у вагонов рефрижераторного парка и грузовых вагонов – более 9 мм [4].

Шириной колесной пары (колесной колеей) (см. рис. 1) называют расстояние между рабочими гранями гребней колес в расчетной плоскости.

, (1)

где Т – насадка колес; h₁, h₂ – толщина гребней колес; μ – утолщение гребней колес выше расчетной плоскости; ξ_q – уменьшение ширины колесной пары за счет упругого изгиба ее оси под нагрузкой (для загруженных вагонов ξ_q = 2÷4 мм, для локомотивов ξ_q = 1 мм).

В соответствии с формулой (1) при неизношенных гребнях колес ширина колесной пары без учета изгиба оси под нагрузкой составляет: у вагонных колес

мм; у локомотивных колес мм.

Наибольшая ширина колесной пары:

– у вагонов мм;

– у локомотивов мм.

Считать, что минимальная ширина колесной пары вагонов мм, исходя из допускаемой минимальной насадки 1437 мм и толщины гребня 25 мм, было бы неправильно, так как на одной колесной паре совпадение изношенных до допускаемого предела 25 мм гребней одновременно на обоих колесах фактически не бывает. Один из гребней всегда изнашивается более интенсивно, чем другой и, следовательно, раньше достигает установленного предела 25 мм. Это является следствием того, что колесные пары не идеально перпендикулярны к оси кузова, а середина их не идеально совпадает с осью кузова (при сборке вагона получаются небольшие неточности в допускаемых пределах). Кроме этого, при проходе экипажей в кривых тележка вагона занимает перекосное положение, что способствует неодинаковому износу гребней колес.

В связи с этим величина q_min была установлена ЦНИИ МПС специальными обмерами массы колесных пар и обработкой результатов методами математической статистики. При этом получилось, что q_min = 1492 мм.

При расчетах взаимозависимости размеров рельсовой колеи и колесных пар следует учитывать изменение величины насадки колесных пар Т, установленной при изготовлении, и вследствие изгиба осей под нагрузкой.

В связи с тем, что буксовые узлы в современном подвижном составе располагаются снаружи колесной пары, ширина насадки на расчетном уровне уменьшается. Величина этого уменьшения ξ_q зависит от конструкции, размеров колесных пар и величины осевой нагрузки. Обычно в расчеты вводят ξ_q = 2 мм для вагонов и ξ_q = 1 мм для локомотивов (рис. 7).