Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Уральский государственный университет путей сообщения

Кафедра: «Путь и железнодорожное строительство»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине: Железнодорожный путь

На тему: Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности

Выполнил:

Филиппов Д.И.

Проверил:

Голубев О.В.

Екатеринбург 2012

Содержание

1. Расчеты прочности и устойчивости верхнего строения пути

2. Определение изгибающих моментов, поперечных сил и прогибов рельса

3. Напряжения и моменты верхнего строения пути

4. Расчеты прочности основной площадки земляного полотна

5. Определение возможности эксплуатации пути до капитального ремонта в заданных эксплуатационных условиях без ограничения скорости

6. Расчет устойчивости бесстыкового пути

7. Расчет прочности рельсовых плетей

8. Определение расчетных интервалов температур закрепления рельсовых плетей

Библиографический список

1. Расчеты прочности и устойчивости верхнего строения пути

Цель расчета: установить зависимость напряжений от скоростей движения грузового тепловоза 2ТЭ116 и грузового вагона 4-осного на тележках ЦНИИ-ХЗ.

Исходные данные:

Расчетные характеристики пути

Таблица1

Характеристика конструкции пути	План линии	U, МПа	K, м-1	F•10-4, м2	Jг •10-8, м4	Jв •10-8, м4	W0 •10-6 м3	W6 •10-6 м3
Р50(6)1840(ЖБ), Щ	Кривая	100	1,6	61,73	359	1813	285	273

В качестве расчетных намечаем скорости движения:

· Тепловоз 2ТЭ116 -- 50 км/ч = 13,9 м/с; 100 км/ч - 27, 8м/с;

· Грузовой вагон - 20 км/ч = 5,6 м/с; 120 км/ч - 33,3 м/с.

1. Определение динамической нагрузки от колес подвижного состава на рельс

1.1 Коэффициент f в кривых участках радиуса R=800м

Локомотив 2ТЭ116 f=1.28

Вагон ЦНИИ-Х3 f=1.28

1.2 Максимальное значение сил инерции, Н, от колебания кузова на рессорах

где Жр -приведенная к колесу жесткость рессорного подвешивания;

Максимальный динамический прогиб рессор , определяется

для 2 ТЭ 116: ;

для грузового вагона ЦНИИ-ХЗ: .

Последовательность расчета. Максимальное значение сил инерции, Н,

от колебания кузова на рессорах.

2 ТЭ 116

Zmax.1 = (7,9+ 8,0 *10-4*5,62)*10-3 = 0,007925 м;

Zmax.2 = (7,9+ 8,0 *10-4*27,82)*10-3 = 0,008518 м;

= 1,09*106*0,007925 =8638 Н;

= 1,09*106*0,008518 =9285 Н;

Вагон

Zmax.1 = (10,0+ 16,0 *10-4*5,62)*10-3 = 0,01005 м;

Zmax.2 = (10,0+ 16,0 *10-4*33,32)*10-3= 0,01177 м;

= 2*106*0,01005 =20100 Н;

= 2*106*0,01177 =23540 Н;

Среднюю динамическую нагрузку колеса на рельс , Н, определяем по следующей формуле:

2 ТЭ 116

= 0,75*8638= 6479Н;

= 0,75*9285 = 6964 Н;

Вагон

= 0,75*20100 = 15075 Н;

= 0,75*23540 = 17655 Н;

Средняя величина вертикальной нагрузки, Н, от колеса на рельс

2 ТЭ 116

Рср.1 =115000+6479= 121479Н;

Рср.2 =115000+6964 = 121964Н;

Вагон

Рср.1 =110000+15075 = 125075 Н;

Рср.2 =110000+17655= 127655 Н;

Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2

V	fст	Жр	Zmax			Рст	Рср
			2 ТЭ 116
13,9 27,8	102 102	1,09*106 1,09*106	0,007925 0,008518	8638 9285	6479 6964	115000 115000	121479 121964
			Вагон
5,6 33,3	48 48	2*106 2*106	0,01005 0,01177	20100 23540	15075 17655	110000 110000	125075 127655

Среднеквадратическое отклонение динамической вертикальной нагрузки, Н, от колеса на рельс:

S =

где Sр - среднеквадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения, Н;

Sнп- среднеквадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс при прохождении колесом изолированной неровности пути, Н;

Sннк- среднеквадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс, возникающих из-за непрерывных неровностей на поверхности катания колес, Н;

Sинк- среднеквадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс, возникающих из-за наличия на поверхности катания колес плавных изолированных неровнестей, Н.

Среднеквадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс Sр от вертикальных колебаний надрессорного строения:

2 ТЭ 116

Sр1= 0,08*8638= 691Н;

Sр2= 0,08*9285= 743Н;

Вагон

Sр1= 0,08*20100= 1608Н;

Sр2= 0,08*23540= 1883Н;

Среднеквадратическое отклонение сил инерции, возникающих при движении колеса по изолированной неровности пути:

,

где б1-коэффициент, учитывающий величину колеблющейся массы пути,

для железобетонных шпал б1=0,931;

е-коэффициент учета жесткости пути, для железобетонных шпал е =0,322;

в-коэффициент, зависящий от типа рельсов, для Р50=1;

г-коэффициент учета рода балласта (щебень г=1);

lш- расстояние между осями шпал (прт 1840шт/км lш = 0,55 м).

2 ТЭ 116

Вагон

Среднее квадратическое отклонение нагрузки, Н, от сил инерции, вызванных изолированной неровностью на колесе:

где б0- коэффициент учета взаимодействия массы пути и необрессоренной массы экипажа (деревянные шпалы - 0,403);

е0 - расчетная глубина изолированной неровности, принимаемая 2/3 от наибольшей глубины ползуна на колесах по ПТЭ (е0=м, для вагона е0=м.);

уmax - максимальный дополнительный прогиб рельса, отнесенный к единице глубины неровности (безразмерная величина).

2 ТЭ 116

Вагон

Среднее квадратическое отклонение нагрузки, Н, от сил инерции необрессоренной массы при движении колеса с непрерывной неровностью катания

2 ТЭ 116

Sннк1== 105Н;

Sннк2== 2586Н;

Вагон

Sннк1== 83Н;

Sннк2== 2942Н

Результаты расчетов сведены в таблицу 3.

Таблица 3

V	Sр	Sнп	Sннк	Sинк
2ТЭ 116
13,9	691	2945	105	10405
27,8	743	14664	2586
Вагон
5,6	1608	2023	83	14833
33,3	1883	12280	2942

Среднее квадратическое отклонение динамической вертикальной нагрузки от колеса на рельс в прямом участке пути

2 ТЭ 116

Вагон



Результаты расчетов сведены в таблицу4.

Таблица 4

V	S
2 ТЭ 116
13,9	3818
27,8	15078
Вагон
5,6	4205
33,3	13174

Расчетная нагрузка, Н, колеса на рельс определяется по формуле

2 ТЭ 116

Вагон

Все расчетные величины Ррасч для подвижного состава, движущегося в прямом участке пути, сведены в таблицу 5.

Таблица 5

V	Ррасч
2 ТЭ 116
13,9	131024
27,8	159659
Вагон
5,6	135587
33,3	160590

Вывод: по результатам расчетов таблицы 5 можно сказать, что при номинальной нагрузке Рcт=115,0 кН и скорости V=27,8 м/с нагрузка на рельс от колес пассажирского тепловоза 2 ТЭ 116 увеличивается на 159,6 кН, а при номинальной нагрузке Рcт=110,0 кН и скорости V=33,3 м/с нагрузка на рельс от колес грузового вагона ЦНИИ-ХЗ увеличивается на 160,6 КН.

2. Определение изгибающих моментов, поперечных сил и прогибов рельса

Для определения влияния соседних колес тележки () на величину соответственно изгибающего момента М и нагрузки на шпалу Q выбираем расчетную ось.

Наибольший изгибающий момент Мmaх возникает под одним из колес. Если выполняется условие , где lmin -минимальное расстояние между осями колесных пар, то за расчетную принимается первая ось тележки.

Исходя из расчета, за расчетную ось принимаем первую ось тележки. Оси 2 и 3 находятся в отрицательной зоне линии влияния для .



При определении наибольшего прогиба рельса у и нагрузки на шпалу Q за расчетную ось у трехосной тележки принимается первая ось, если выполняется условие . Тогда:

За расчетную принимается вторая ось тележки, а 1 и 3 ось находятся в положительной зоне линии влияния .

Определим для трехосной тележки тепловоза 2ТЭ116, имеющего расстояние 1,85+1,85м:

В кривом участке пути для 2-й оси тележки кх=1,338*1,85=2,48 и ординаты линий влияния м2= -0,1175 и з2 = -0,0146.

В кривом участке пути для 3-й оси тележки кх=1,338*(1,85+1,85)=4,9 и ординаты линий влияния м2= 0,0087 и з2 = -0,0059.

В кривом участке



м2 = -0,1175; м3 = 0,0087;

з2 = -0,0146. з3 = -0,0059.

Для скорости движения тепловоза 2ТЭ116 - 13,9 м/с:

Для скорости движения тепловоза 2ТЭ116 -27,8 м/с

Эквивалентные грузы при воздействии на путь тепловоза 2ТЭ116 имеют следующие значения в кривом участке пути:

при скорости V=13,9 м/с:

при скорости V=27,8 м/с

Для грузового вагона 4-осные на тележках ЦНИИ-ХЗ



Исходя из расчета, за расчетную ось принимаем первую ось тележки. Оси 2 и 3 находятся в отрицательной зоне линии влияния для .

При определении наибольшего прогиба рельса у и нагрузки на шпалу Q за расчетную ось тележки принимается первая ось, если выполняется условие . Тогда:

За расчетную принимается вторая ось тележки, а оси находятся в отрицательной зоне линии влияния .

Определим для грузового вагона 4-осные на тележках ЦНИИ-ХЗ, имеющего расстояние 1,85м:

1. В кривом участке

м2 = -0,1175; з2 = -0,0146.

2. Для скорости движения вагона 5,6 м/с:

3. Для скорости движения 33,3 м/с:

4. Эквивалентные грузы при воздействии на путь имеют следующие значения в кривом участке пути

При V=5,6 м/с:

При V=33,3 м/с:

3. Напряжения и моменты верхнего строения пути

Определим напряжения в рельсах, резиновых прокладках и в балласте:

От воздействия тепловоза 2ТЭ116 при скорости V=13,9 м/с:

где f =1,28 коэффициент в кривых участках радиусом 800, м.

При скорости V=27,8 м/с:

где f =1,28 коэффициент в кривых участках радиусом 800, м.



Расчет для вагона при V=5,6 м/с:

где f =1,28 коэффициент в кривых участках радиусом 800, м.

При скорости V=33,3 м/с:

где f =1,28 коэффициент в кривых участках радиусом 800, м.

Результаты расчетов сведены в таблицу 6.

Таблица 6

Подвижной состав	V, м/с
2ТЭ116	13,9	93988	53,90	121479	0,863	0,150
	27,8	132058	60,97	158940	1,129	0,196
Вагон	5,6	120891	69,39	133761	0,950	0,165
	33,3	145591	83,50	158726	1,127	0,196

Вывод: по данным результатам таблицы 6, видно, что наибольшие кромочные напряжения в рельсах достигают 83,5 МПа в кривой под грузовым вагоном при скорости V=33,3 м/с.

При сопоставимых скоростях наибольшие напряжения во всех элементах возникают под грузовым вагоном.

Результаты расчетов показали, что рассмотренная конструкция пути может эксплуатироваться при заданных скоростях и осевых нагрузках.

4. Расчеты прочности основной площадки земляного полотна

Определим напряжения на основной площадке от расчетной шпалы (шпалы 1) от воздействия грузового вагона при скорости V-33,3 м/с в кривой: рельса земляной ремонт скорость

где r1=0,7 - параметр учета влияния материала шпал на напряжения;

С1 =0,241, С2 =0,116 - коэффициенты для расчета напряжений в балласте на глубине h (приняты согласно методичке табл.10);

h = 55 см - толщина балластного слоя;

b = 27 см- ширина нижней постели шпалы.

Тогда:



Напряжения на основной площадке от соседней справа шпалы (шпалы 2) определяются по формулам:

где = 0,6740, которое принимается по ;

= -0,0430, принимается по

= 0;

Аh=0,255 - коэффициент для расчета напряжений в балласте на глубине h.

Аналогично определим напряжения на основной площадке от соседней шпалы слева (шпалы 3):

где = 0,6740, которое принимается по ;

= 0,3355, принимается по

= 0;

Аh=0,255 - коэффициент для расчета напряжений в балласте на глубине h.

Отсюда:

Напряжение на основной площадке при толщине балластного слоя h определяется как сумма трех составляющих - напряжений от расчетной шпалы и от двух соседних , то есть:

Наибольшие напряжения на основной площадке земляного полотна достигают 0,059МПа, что меньше допускаемой величины 0,10 МПа.

5. Определение возможности эксплуатации пути до капитального ремонта в заданных эксплуатационных условиях без ограничения скорости

Последовательность расчета:

Определение динамической нагрузки от колес 2ТЭ 116 на рельс в кривой летом и зимой, а от вагона летом в кривой.

Коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса:

где МПа - модуль упругости рельсовой стали;

I =3208х10-8 - момент инерции поперечного сечения рельса в вертикальном направлении, м-4 .

Коэффициент относительной жесткости летом в кривой равен 1,338 м-1, модуль упругости основания летом - 100 МПа, а зимой модуль упругости (100х2=200 МПа) увеличивается в 1,5….2 раза.

Подсчитаем коэффициент К для зимы:

Далее производим определение динамической нагрузки от колес подвижного состава на рельс в кривой летом и зимой.

Находим среднюю динамическую нагрузку на рельс. Определение максимального дополнительного прогиба комплекта рессор Zmax , максимального значения сил инерции , средней вертикальной нагрузки от колеса на рельс в кривом участке произведено раннее и результаты сведены в таблицу 3.

Определим среднее квадратическое отклонение составляющих динамической нагрузки колеса на рельс Рдин в кривом участке пути от 2ТЭ116 и 4-осного вагона.

Расчетная сила слагается из постоянной величины статической нагрузки на колесо и переменных дополнительных сил инерции от колебаний экипажа:



где - составляющие соответственно от веса экипажа, колебаний кузова на рессорах, сил инерции необрессоренных масс при изолированных неровностях на пути и колесах, а также непрерывных неровностях на колесах. Расчеты летом в кривой для 2ТЭ116 и вагона произведены ранее и результаты сведены в таблицу 4. Поэтому расчет произвожу для кривой зимой.

Среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс Sнп от сил инерции необрессоренных масс Рнп max , возникающих при проходе изолированной неровности пути по формуле 1.6:

2ТЭ116

Зимой в кривой:

Среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс Sинк от силы инерции необрессоренной массы Ринк max, возникающих из-за наличия изолированной неровности на колесе по формуле 1.7:

2ТЭ116

Зимой в кривой:

Среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс Sннк от сил инерции необрессоренной массы при движении колеса с непрерывной неровностью на колесе по формуле 1.8:

Sннк2== 1759Н;

Среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс по формуле 1.4:

S =

2ТЭ116

Зимой в кривой:

Расчетная нагрузка, Н, колеса на рельс по формуле (1.9):

2ТЭ116

Зимой в кривой:

2ТЭ116

Зимой в кривой:

м2 = -0,0515; м3 = 0

з2 = -0,0427. з3 = 0

Определим напряжения в рельсах, в нашпальной прокладке под подкладкой и в балласте:

2ТЭ116

Зимой в кривой:

где f =1,28 коэффициент в кривых участках радиусом 800, м.

Результаты расчетов сведены в таблицу 7.

Таблица 7

Тип подвижного состава	V, м/с
		Лето	Зима	Лето	Зима	Лето	Зима
2ТЭ116	27,8	60,97	71,33	1,129	1,35	0,196	0,2236
Вагон	33,3	83,5	-	1,127	-	0,196

Анализ результатов расчета

* Наибольшие напряжения в рельсах возникают в кривой зимой от тепловоза 2ТЭ116 и достигают величины 71,33 МПа, что меньше допускаемого значения 200 МПа.

* Наиболышие напряжения в балласте возникают от тепловоза 2ТЭ116 зимой--0,2236 МПа. Это меньше допускаемого 0,42 МПа.

* У вагона наибольшие напряжения возникают в рельсах, что составляет 83,5 Мпа;

* В заданных условиях путь может работать до капитального ремонта.

6. Расчет устойчивости бесстыкового пути

При повышении температуры рельсовой плети в ее средней неподвижной части возникают значительные продольные температурные силы сжатия и нарастает запас потенциальной энергии. Наступает критический момент, когда рельсошпальная решетка оказывается неустойчивой, следствием чего может быть выброс пути в сторону или вверх. Это сопровождается освобождением части потенциальной энергии.

Расчет устойчивости бесстыкового пути сводится к определению наибольшего допустимого значения продольной температурной силы.

На основе энергетического метода С.П. Першин получил расчетную формулу для определения критической температурной силы, при достижении которой идея в целом теряет устойчивость:

где А и µ - параметры зависящие от типа рельсов и плана линии. В моем случае тип рельсов Р50 с радиусом кривой 800 м, приняты по таблице 4.27 учебного пособия А=3610, µ=0,385,

i - средний уклон начальной неровности 2-3‰;

k1 = 0,8 - коэффициент, зависящий от сопротивления балласта поперечному сдвигу шпалы

k2 = 1 при 1840 шт./км - коэффициент, зависящий от эпюры шпал;

k3 = 0,95 - коэффициент, учитывающий влияние сопротивлению повороту рельсов по подкладкам и шпалам.

Определим возможность эксплуатации по условию устойчивости заданной конструкции бесстыкового пути в кривых участках с радиусом 800 м в районе города Екатеринбурга.

Исходные данные: рельс Р50, шпалы ж/б с эпюрой 1840 шт./км в кривой. Средний уклон начальной неровности пути - 2‰. Сопротивление балласта поперечному сдвигу шпалы Q = 3 кН. Момент затяжки клеммных болтов М = 150 Нм.

Последовательность расчета.

Устойчивость бесстыкового пути. Величина критической температурной силы в кривой:

.

Допускаемая предельная температурная сила в кривой:

где Ку - допускаемый коэффициент запаса устойчивости, равный 1,5.

Повышение температуры рельсовой плети, допускаемое по условию устойчивости пути в кривой:



где в кН, а F - м2;

Е - модуль упругости рельсовой стали 2,1х105 МПа;

б - коэффициент линейного расширения 0,0000118 1/град.

В данной формуле площадь поперечного сечения F принимаю равной 82,65х10-4 , м2 согласно лабораторной работе № 4.

Отсюда:

Полученное значение сравниваю с нормативным , утвержденным МПС для существующих отечественных конструкций ВСП. В дальнейших расчетах принимаем . Согласно лабораторной работе №4, при Р50 1840 шт./км составляет При сравнении с нормативным значением видно, что .

Вывод: в дальнейших расчетах примем расчетные величины повышения температур, так как они ниже нормативных в заданных условиях пути.

7. Расчет прочности рельсовых плетей

Напряжения и моменты ВСП:

Напряжения изгиба в рельсах по оси его подошвы:

Напряжения в кромках головки и подошве:

По условию прочности бесстыкового пути:

,

где ук - кромочные напряжения в рельсах;

- температурные напряжения;

- допускаемые напряжения.

Отсюда:

сжатие

растяжение

Таким образом:



- по условию прочности на сжатие головки рельса летом:

;

- по условию прочности на растяжение подошвы рельса зимой:

,

где ур = 350 МПа для новых незакаленных рельсов;

Кп -- коэффициент запаса прочности (для рельсов первого срока службы --1,3; для старогодных -- 1,4);

укг и укп - нормальные напряжения в кромках соответственно головки и подошвы рельса от изгиба под нагрузкой от колес подвижного состава.

Из таблицы П.4.2 учебного пособия получим, что при движении тепловоза 2ТЭ116 со скоростью 100 км/ч допускаемое по условию прочности подошвы рельсов в кривой составляет 910С.

8. Определение расчетных интервалов температур закрепления рельсовых плетей

Исходные данные.

Известно, что допустимое повышение температуры рельсов летом по сравнению с температурой их закрепления, при котором обеспечивается необходимый запас устойчивости пути против выброса в кривой

Допустимое понижение температуры рельсов зимой по сравнению с температурой их закрепления, при котором обеспечивается необходимый запас прочности на растяжение подошвы рельса при совместном действии температурных поездных сил .

Для построения температурной диаграммы работы бесстыковых рельсовых плетей определим ее граничные условия. По оси ординат отложим расчетные максимальную и минимальную температуры рельсов. По таблице П.4.3 учебного пособия в г. Тюмени температура рельсов: летняя tmax max =600C, зимняя tmin min = - 500C. Расчетная температурная амплитуда, ТА=1100С.

Для эксплуатации пути без сезонных разрядок напряжений необходимо, чтобы [Т] ? [ТА].

,

где ;

если ;

если ;

В моем случае: так как .

Отсюда:

;

По данному расчету видно, что - это значит, что путь можно эксплуатировать без сезонных разрядок напряжений.

При осуществлении периодических сезонных разрядок напряжений (проводимых весной и осенью) допустимая амплитуда [Траз] определяется:

,

где - сумма температур весеннего и осеннего интервалов, в которых можно производить разрядку напряжений и закрепления плетей, принимается весной 150С и осенью 100С.

Библиографический список

1. Расчеты и проектирование железнодорожного пути под редакцией Виноградова В.В. и Никонова А.М. - Москва, 2003 год.

2. Железнодорожный путь/Под ред. Т.Г. Яковлевой. -- М.: Транспорт, 1999.

3. Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности.

Размещено на Allbest.ru

...