Расчет характеристик железнодорожного земляного полотна

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Расчет верхнего строения пути на прочность

1.1 Основные расчетные характеристики пути и подвижного состава

Основные расчетные характеристики пути и подвижного состава сведены в таблицы 1 и 2.

Таблица 1 - Основные расчетные характеристики подвижного состава

П\П	Наименование характеристик	Ед. измерения	Величина
			ВЛ15	4-х осный вагон
1	Статическая нагрузка от колеса на рельс, Pст	кгс	11500	14200
2	Необрессоренный вес отнесенный к одному колесу, q	кгс	3050	995
3	Жесткость комплекта рессор, отнесенная к одному колесу, Ж	кгс/мм	152	200
4	Диаметр колеса по кругу катания	см	125	95
5	Количество осей тележки, n	шт.	2	2
6	Расстояние между осями в тележке	см	290	185
7	Конструктивная скорость, V	км/ч	85	85
8	Максимальный прогиб рессор, Zmax	мм	17,8	17,8
9	Коэффициент, учитывающий влияние боковых внецентренных проложенных сил и подуклонку рельса, f		1,26	1,27

Таблица 2 - Расчетные характеристики пути

П\П	Наименование характеристики	Ед. измерения	Величина
1	Тип рельса / приведенный износ	- / мм	Р50 / 6
2	Материал шпал	-	железобетон
3	Эпюра шпал	шт / км	на прямой 1840
			на кривой 200
4	Модуль упругости подрельсового основания	кг/см2	лето 290
			зима 580
5	Коэффициент относительной жесткости основания и рельса	k см-1	лето 0,01176
			зима 0,01360
6	Расстояние между осями шпал	см	51
7	Коэффициент, учитывающий влияние на образование динамических неровностей пути, L		1,000
8	Момент сопротивления рельса при износе головки 6 мм, W(6)	см3	273
9	Коэффициент, учитывающий отношение необрессореной массы колеса и участвующей во взаимодействии массы пути, б0		0,433
10	Площадь рельсовой подкладки w	см2	527
11	Площадь полушпалы, с учетом на изгиб	см2	2466

1.2 Определение максимальной динамической нагрузки от колеса на рельс

Согласно правилам производства расчетов верхнего строения железнодорожного пути на прочность, производим расчет, используя общепринятые обозначения.

Расчетная нагрузка колеса на рельс:

,

где - среднее значение вертикальной нагрузки колеса на рельс, кг; -среднее квадратическое отклонение динамической вертикальной нагрузки колеса на рельс, кг; - нормирующий множитель, определяющий вероятность события, т.е. появление максимальной динамической вертикальной нагрузки.

Расчет начинается с определения средней динамической нагрузки колеса на рельс.

где - статическая нагрузка от колеса на рельс, кг; - среднее значение динамической нагрузки колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения экипажа, кг.

Основные расчетные характеристики подвижного состава:

где- динамическая максимальная нагрузка колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения, кг.

Определяем вертикальную составляющую нагрузку колеса на рельс, возникающую за счет колебания кузова на рессорах:

где- приведенная к колесу жесткость рессорного подвешивания, кг\мм; - динамический прогиб рессорного подвешивания, мм.

Определим средние квадратические отклонения составляющих динамической нагрузки колеса на рельс в прямом и кривом участке пути R=700м для тепловоза ВЛ10 и шестиосного вагона:

,

где- среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения, кг; - среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс при прохождении колесом изолированной неровности пути, кг. - среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс, возникающих из-за непрерывных неровностей на поверхности катания колес, кг; - среднее квадратическое отклонение динамическое нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессореной массы, возникающих из-за наличия на поверхности катания колес плавных изолированных неровностей, кг; 0,95 - количество колес рассчитываемого типа, имеющих изолированные неровности на поверхности катания, -отнесенных у общему числу таких колес ( в %), эксплуатируемых на участке; 0,05 - количество колес (в %) имеющих непрерывную плавную неровность на поверхности катания.

где- коэффициент, характеризующий отношение необрессореной части колеса и участвующей во взаимодействии массы пути; d - диаметр колеса.

Для примера посчитаем значение S для локомотива ВЛ15 при прохождении в летний период:

Остальные значения сведем в таблицу 3.

Таблица 3 - Значения средних квадратических отклонений

Величина	ВЛ 15	4-х осный вагон
Sнп лето	2873,8	3583,4
Sнп зима	3779,1	4712,3
Sннк лето	116,9	95,8
Sннк зима	135,6	122,2
Sинк зима	423,8	1051,6
Sинк лето	732,9	1818,7
S лето	2885,7	3603,6
S зима	3791,1	4739,9
Рдин лето	20743,5	25879,0
Рдин зима	23007,0	28719,6

1.3 Определение напряжений в элементах верхнего строения пути

При расчете рельса как балки на сплошном упругом основании система сосредоточенных колесных нагрузок заменяется эквивалентными одиночными нагрузками, соответственно при определенных изгибающих моментов и напряжений в рельсах с помощью функции м и при определении нагрузок и прогибов с помощью функции з.

Поскольку в силу случайной природы вероятный максимум динамической нагрузки расчетного колеса не совпадает с вероятным максимумом нагрузок соседних колес, то при определении эквивалентных нагрузок принимается максимальная вероятная нагрузка расчетного колеса и среднее значение нагрузок соседних колес.

При определении эквивалентной силы за расчетную ось всегда принимают первую ось тележки.

При определении эквивалентной силы для локомотива следует выбрать расчётную ось:

- количество осей в тележке ,

- расстояние между осями в тележке электровоза:

- ;

- по схемам в приложении 1, выбираем расчетную ось I.

Для вагона:

- количество осей в тележке

- расстояние между осями в тележке вагона:

- ;

- по схемам в приложении 1, выбираем расчетную ось I.

Максимальная эквивалентная нагрузка для расчетов напряжений в рельсах от изгиба и кручения определяется по формуле:

где м - ординаты линии влияния изгибающих моментов рельса в сечениях пути, расположенных под колесными нагрузками от осей экипажа, смежных с расчетной осью.

Максимальная эквивалентная нагрузка для расчетов напряжений и сил в элементах подрельсового основания определяется по формуле:

где - ординаты линий влияния прогибов рельса в сечениях пути, расположенных под колесными нагрузками от осей экипажа, смежных с расчетной осью.

Напряжения изгиба и кручения в кромках подошвы рельса ук определяется по формуле:

где- момент сопротивления рельса относительно его подошвы при износе головки 6 мм; - Коэффициент перехода от осевых напряжений в подошве рельса к кромочным, учитывающий действие горизонтальных нагрузок на рельс и эксцентриситет приложения вертикальной нагрузки.

Все расчеты сведем в таблицу 4.

Таблица 4 - Расчет напряжения в кромках подошвы

Условия	№оси	xi	kx	мi			уk
Локомотив ВЛ15	лето	1	0	0	1	-0,023	20432,4	1591,1
		2	290	3,41	-0,023
	зима	1	0	0	1	0,0003	23011,11	1549,4
		2	290	3,94	0,0003
Вагон 4-х осный	лето	1	0	0	1	-0,1574	23749,5	1849,4
		2	185	2,18	-0,1574
	зима	1	0	0	1	-0,1123	27200,3	1831,5
		2	185	2,52	-0,1123

Максимальные напряжения на шпале под подкладкой уш и напряжения в балласте на уровне нижней постели шпалы уб определяются по формулам:

где w - площадь рельсовой подкладки.

где - площадь шпалы с учетом поправки на ее изгиб.

Результаты расчетов сведем в таблицу 5

Таблица 5 - Расчет максимальных напряжений на шпале и в балласте

Условия	№оси	xi	kx	Узi	Узi
Локомотив ВЛ15	лето	1	0	0	1	-0,0406	20058,6	11,4	2,4
		2	290	3,41	-0,0406
	зима	1	0	0	1	-0,0275	22543,1	14,8	3,2
		2	290	3,94	-0,0275
Вагон 4-х осный	лето	1	0	0	1	0,0280	26351,4	15,0	3,2
		2	185	2,18	0,0280
	зима	1	0	0	1	-0,0185	28407,6	18,7	4,0
		2	185	2,52	-0,0185

Данные таблицы 4 и 5 показывают, что наибольшие напряжения в элементах пути возникают в рельсах (уk=1849,4 кгс\см2); на шпалах под подкладкой они значительно меньше (=18,7 кгс\см2), в балласте напряжения еще уменьшаются и в итоге становятся совсем не значительными (=4,0 кгс\см2).

Если рассмотреть температурные условия работы верхнего строения пути, то наблюдается следующая закономерность: кромочные напряжения уk летом выше, чем зимой, а напряжения на шпале и в балласте наоборот - зимой выше, чем летом.

Допускаемые напряжения (оценочные критерии прочности) приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Оценочные критерии прочности пути

Критерии	Вид подвижного состава	Значения оценочных критерии прочности в кгс\см2 при грузонапряженности 20,5 млн. ткм. бр. на км в год
[бк]	Локомотив	2400
	Вагон	2000
[бш]	Локомотив	20
	Вагон	18
[бб]	Локомотив	4,5
	Вагон	3,5

Сравнив полученные напряжения с допускаемыми, можно сделать вывод, что напряжения от 4-х осного вагона, зимой, на шпалах под подкладкой и в балласте превышают допускаемые напряжения, эксплуатация подвижного состава в данных условиях не возможна.

2. Комплексный расчет бесстыкового пути на прочность и устойчивость

2.1 Расчёт бесстыкового пути по условию прочности

Прочность рельсовых плетей рассчитывается при условии, что суммарное воздействие на путь подвижного состава и изменений температур рельсов не должно создавать в них напряжений, превосходящие допускаемые, т.е.

;

;

;

,

где - кромочные и нормальные напряжения в кромках подошвы и головки рельса соответственно; - напряжения в поперечном сечении рельса соответственно от действия сжимающей и растягивающей силы; - допустимые напряжения, для нетермоупрочнённых рельсов принимаем = 3500 кгс/см2 для Р50; - коэффициент запаса прочности, =1,3.

Зная, что:

,

где = 25 кгс, мы получим следующую формулу для нахождения наиболее допустимых по условию прочности изменений температур рельсовой плети по сравнению с их температурами при закреплении:

.

Расчеты ведут для зимы, так как кромочные напряжения в подошве рельса в это время года минимально:

Расчёт для ВЛ15:

С.

Расчёт для вагона:

С.

Для дальнейших расчетов оставляем вагона так как она наименьшая.

2.2 Расчёт бесстыкового пути по условию устойчивости

Расчёт ведётся по методу Першина С. П. Согласно этому расчёту при заданной длине хорды зоны искривления и прочих известных параметрах можно найти стрелу f, при которых значения сжимающей силы максимальны. Это положение соответствует максимуму потенциальной энергии и отражает состояние неустойчивого равновесия.

Примем, что ,

где - продольная сжимающая сила, возникающая в рельсовой плети при возрастании температуры до температуры закрепления;

- допускаемое значение продольной сжимающей силы;

Эти силы соответственно равны:

, ,

где - площадь поперечного сечения двух рельсов; - изменение температуры; - критическое напряжение; - коэффициент устойчивости; - допустимое повышение температуры рельса по условию устойчивости.

По формуле, выведенной Першиным С. П., находим :

;

где - параметры, зависящие от типа рельса и плана линии; - средний уклон начальной неровности; - коэффициент сопротивления балласта смещению шпалы, - коэффициент, зависящий от эпюры шпал; - коэффициент, учитывающий влияние сопротивления поворота.

0С

2.3 Определение режима эксплуатации бесстыкового пути

Возможность укладки бесстыкового пути в конкретных эксплуатационных условиях определяется сравнением допустимой температурной амплитуды рельсов [Т] для заданных условий с фактически наблюдавшейся в данной местности амплитудой колебания температуры рельсов ТА.

Если ТА < [Т], то бесстыковой путь можно укладывать.

Фактическая годовая амплитуда температур для Вышнего Волочка:

; ;

Здесь самая высокая температура рельсов для данного региона,обеспечивающая прочность и устойчивость рельсовых плетей летом; самая низкая температура рельсов для данного региона, обеспечивающая прочность и устойчивость рельсовых плетей зимой.

Возможность эксплуатации бесстыкового пути определяется выражением:

Следовательно, проверяем возможность укладки, и эксплуатации бесстыкового пути в зимний период времени:

Для участка пути допустимые значения годовой температурной амплитуды Т равны годовой температурной амплитуды для выбранного района ТА, следовательно, эксплуатировать бесстыковой путь можно без ограничений.

3. Определение напряжений на основной площадке и в теле земляного полотна

3.1 Напряжение на основной площадке

Определение напряжений на основной площадке земляного полотна проводят от действия наиболее массового грузового вагона, которым является вагон, в наиболее неблагоприятных условиях. Напряжения считают от действия трех шпал: расчетной, над которой располагается расчетная ось, и от двух соседних - слева и справа от расчетной.

Схема передачи давления на земляное полотно от трех смежных шпал. Напряжения на основной площадке земляного полотна зависят от напряжений в балластном слое, толщины балластного слоя, расстояния между шпалами и ширины нижней постели шпалы.

Напряжения на основной площадке земляного полотна определяются по формуле:

где - напряжения на основной площадке земляного полотна от расчетной шпалы; - напряжения на основной площадке земляного полотна от соседней шпалы слева; - напряжения на основной площадке земляного полотна от соседней шпалы справа.

Напряжения под расчетной шпалой определяется по формуле:

,

где - 0,7 коэффициент, учитывающий неравномерность распределения давления вдоль шпалы; - коэффициент концентрации напряжений; и - коэффициенты, зависящие от ширины шпалы понизу и толщины балласта под шпалой, С1 = 0,226; С2 = 0,109, - давление расчетной шпалы на балластный слой, 3,19 кг\см2.

Подставим известные данные в формулы, определяем напряжения от расчетной шпалы 2:

.

.

Напряжения от соседней шпалы 1 определяется по формуле:

,

где - Коэффициент, зависящий от ширины нижней постели шпалы и толщины балластного слоя под шпалой, 0,25.

Напряжения на основной площадке земляного полотна от соседней шпалы определяется аналогично напряжению под шпалой 1, учитывая разное расположение шпал относительно осей вагона.

Вычислив необходимые данные, определяем суммарное напряжение на основной площадке земляного полотна:

2

Выполненный расчет позволяет сделать вывод: условие прочности выполняется, следовательно, данная конструкция пути позволяет пропускать большой тоннаж, а так же допускается увеличение осевых нагрузок и скоростей движения поездов.

3.2 Напряжения в теле земляного полотна

Расчёты напряжения производятся для определения требуемой плотности грунтов насыпей, осадок насыпей и оснований, стабильности (сопротивлению выпиранию) грунтов основной площадки выемок и оснований насыпей. В отдельных случаях расчёты могут являться основой для оценки устойчивости откосов и склонов. Напряжения необходимо также знать при проектировании некоторых защитных и укрепительных сооружений земляного полотна. Расчёты ведутся по методу Амелина С.В.

Для расчётов напряжений в земляном полотне и его основании можно использовать некоторые простые задачи линейной теории упругости. Для инженерных расчётов принимают отдельные плоские задачи с учётом того, что земляное полотно является протяжённым в длину сооружением. Любые внешние воздействия на земляное полотно или его основание можно представить в виде отдельных полосовых нагрузок прямоугольной или треугольной формы и затем суммировать напряжения от каждой элементарной нагрузки.

В курсовом проекте целесообразно принять прямоугольную форму нагрузки. Вертикальные составляющие нормальных напряжений (сжимающие напряжения), действующие на горизонтальную площадку в любой её точке C в любой её точке полупространства, будут выражаться формулой:

Рисунок 1 - Прямоугольная форма нагрузки

На практике обычно пользуются не уравнением, а таблицами значений Ip, составленными по этим уравнениям для pвс=1. Тогда искомое:

Расчет напряжений в теле земляного полотна своди в таблицу 7 и 8.

Таблица 7 - Напряжения в теле земляного полотна от веса ВСП

№ точки	z, м	от веса ВСП
		b, м	y, м	z/b	y/b	Jp	увс, кгс/см2
0	0	8,45	2,05	0	0,243	1	0,160
1	4	8,45	2,05	0,473	0,243	0,7484	0,1197
2	8	8,45	2,05	0,947	0,243	0,5302	0,0848
3	12	8,45	2,05	1,420	0,243	0,4001	0,0640
4	15	8,45	2,05	1,775	0,243	0,3355	0,0537

Таблица 8 - Напряжения в теле земляного полотна от поездной нагрузки

№ точки	z, м	от поездной нагрузки	у, кгс/см2
		I путь	II путь
		b, м	y, м	z/b	y/b	Jp	уp1, кгс/см2	b, м	y, м	z/b	y/b	Jp	уp2, кгс/см2
0	0	2,7	0	0,000	0	1,000	0,65	2,7	4,1	0,000	1,519	0	0,00	0,81
1	4	2,7	0	1,481	0	0,402	0,26	2,7	4,1	1,481	1,519	0,114	0,07	0,45
2	8	2,7	0	2,963	0	0,212	0,14	2,7	4,1	2,963	1,519	0,14	0,09	0,31
3	12	2,7	0	4,444	0	0,147	0,10	2,7	4,1	4,444	1,519	0,12	0,08	0,24
4	15	2,7	0	5,555	0	0,120	0,02	2,7	4,1	5,555	1,519	0,105	0,02	0,09

4. Проектирование и расчет поперечного профиля пойменной насыпи

4.1 Определение расчётных характеристик грунтов пойменной насыпи

Отсыпка основания насыпи и ее высота заданы в задании. Ширина основной площадки земляного полотна для двухпутной линии составляет 11,6 м. Очертание сливной призмы при определении устойчивости насыпи не учитывается.

В пойменной насыпи со стороны подтопления обязательно устраивается берма, ширина бермы 5 м, крутизна откосов 1:2.

При расчете устойчивости насыпи временную поездную нагрузку и вес верхнего строения пути заменяют условными столбиками.

Высота столбиков грунтов определяется по формулам:

,

,

где - объемный вес грунта насыпи при естественной влажности.

,

где - влажность грунтов насыпи, ; - нормальная плотность грунтов, .

.

.

.

Грунт насыпи находится в состоянии естественной влажности.

Коэффициент пористости грунтов насыпи при естественной влажности определяется по формуле:

,

где - удельный вес грунта насыпи, ; - объёмный вес скелета грунта, .

Удельное сопротивление грунтов насыпи, .

Коэффициент трения грунта в расчётах принимается равным:

,

где - угол внутреннего трения грунта при естественной влажности.

Грунт насыпи находится во взвешенном состоянии.

Грунт насыпи находится во:



,

Результаты расчетов по определению характеристик грунтов насыпи и основания сведены в таблицу 9.

Таблица 9 - Характеристики грунтов насыпи

Состояние	г	F	C
Грунт насыпи в естественном состоянии	1,97	0,325	2,2
Грунт насыпи во взвешенном состоянии	1,05	0,244	1,1
Грунт основания насыпи во взвешенном состоянии	1	0,219	1,1

4.2 Определение минимального коэффициента устойчивости

Для определения минимального коэффициента устойчивости задаемся возможной кривой обрушения, для которой оценивается коэффициент устойчивости по формуле:

,

где - нормальная составляющая силы собственного веса каждого отсека; - коэффициент внутреннего трения грунта; - коэффициент удельного сцепления; - длина кривой скольжения в пределах рассматриваемого отсека; - касательная составляющая веса отсека; - гидродинамическая сила.

,

где - площадь части сползающего массива, насыщенного водой; - средний уклон кривой депрессии.

Перед тем как изображать кривую обрушения, мы должны спроектировать насыпь по тем параметрам, которые указаны в задании. Затем с нужным радиусом чертим кривую обрушения. Между ней и поверхностью насыпи образуется некая толща земляного полотна. Эту толщу, мы разделяем на отсеки, придерживаясь следующих правил:

· границы отсеков должны пересекать места перелома поперечного профиля;

· границы отсеков должны проходить через места пересечения кривой обрушения и кривой депрессии;

· границы отсеков должны проходить в месте пересечения отвесного радиуса и получившейся толщи земли;

· длина отсека не должна превышать шесть метров.

Отсеки нумеруют и рассчитывают силы, действующие на них. В дальнейшем все найденные параметры внесены в ведомость. Таких кривых мы изображаем в трёх экземплярах. Это делается для того, чтобы мы смогли найти минимальный коэффициент устойчивости. Ведомости расчета кривых обрушения представлены в таблицах 10-12. Кривые обрушения изображены в приложении.

Вывод: , значит насыпь неустойчива, необходимы меры по ее укреплению.

5. Проектирование дренажа выемки

5.1 Определение глубины заложения дренажа

Глубина заложения дренажа определяется по формуле:

,

где - глубина примерзания грунта от верха балластной призмы; - величина возможного колебания уровня капиллярных вод и глубины промерзания, ; - высота капиллярного поднятия воды над кривой депрессии, - стрела изгиба кривой депрессии, м; - расстояние по вертикали от верха трубы до дна дренажа; - расстояние по вертикали от дна кювета до верха балластной призмы.

,

где - расстояние от оси земляного полотна до стенки траншеи; - средний уклон кривой депрессии, .

.

Относительная отметка дна дренажа равна:

,

где - величина относительной отметки бровки земляного полотна; - глубина заложения дренажа; - глубина кювета.

5.2 Определение расхода воды, притекающей в дренаж

Расход воды , на один метр длины дренажа с полевой стороны рассчитывают по формуле:

,

где - коэффициент фильтрации, , - расстояние от дна дренажа до верха трубы; - бытовая толщина грунтового потока; - средний уклон кривой депрессии.

Бытовая толщина грунтового потока равна:

,

где - отметка уровня гравитационных вод.

Толщина подстилающего слоя Т, м:

,

где - отметка грунта водоупора.

Расход воды с полевой стороны дна дренажа определяется по формуле проф. Чугаева Р.Р.:

,

где устанавливают в соответствии со значениями , найденными из уравнений:

подвижной динамический оценочный пойменный

,

,

где Т - толщина подстилающего слоя; - половина ширины дренажной прорези; - длина проекции кривой депрессии на горизонталь, м, которая определяется по формуле:

,

Исходя из значений , по графику определяем значение приведенного расхода воды напорного потока:

определяется по формуле:

,

где - коэффициент, зависящий от ,

Получаем, что и . В этом случае определяем по графику, приняв .

.

Полный суммарный расход воды, на один метр, притекающей в дренаж рассматриваемого типа:

,

5.3 Гидравлический расчёт дренажа

Расчетный расход воды в низовом сечении дренажа определяется по формуле:

,

где - длина дренажа; - коэффициент запаса на возможное засорение трубы.

.

Диаметр трубы принимается равным конструктивно 180 мм.

Принятые размеры проверяются на пропуск найденного дебета дренажа гидравлическим расчетом по следующим формулам:

,

где - площадь живого сечения трубы; - скорость течения воды.

,

где - гидравлический радиус трубы; - коэффициент Шези; - продольный уклон трубы на расчётном участке.

,

где - диаметр трубы.

‰,

;

.

Коэффициент Шези С определяется по формуле:

,

где - коэффициент гидравлической шероховатости, ; .

Вывод: поскольку , то расчёт следует считать законченным.

Размещено на Allbest.ru

...