ЦПТ-52 Правила и технология выполнения основных работ при текущем содержании пути

ЦПТ-52

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Общие положения

2. Исходные предпосылки расчета

3. Определение динамической нагрузки от колеса на рельс

4. Определение эквивалентной нагрузки на путь

5. Определение показателей напряженно-деформированного состояния элементов конструкции верхнего строения пути

6. Оценочные критерии прочности пути

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Настоящая "Методика" распространяется на конструкции верхнего строения пути с рельсами длиной 12,5 м и 25,0 м, в том числе на рельсовые элементы стрелочных переводов (передний вылет рамного рельса, рельсы соединительных путей), предназначенные для эксплуатации на железных дорогах Министерства путей сообщения Российской Федерации колеи 1520 мм.

1.2 "Методика" содержит способы практического расчета нагрузок и напряжений в элементах верхнего строения пути от воздействия на него подвижного состава. Результаты этих расчетов применяются для:

- установления условий обращения нового или модернизированного подвижного состава самостоятельно или в комплексе с результатами испытаний и других исследований;

- проведения технико-экономических расчетов по выбору параметров основных элементов верхнего строения пути для заданных условий эксплуатации;

- расчетов по установлению рациональных скоростей движения подвижного состава в различных условиях эксплуатации.

1.3 Расчеты условий укладки и эксплуатации бесстыкового пути должны производиться с учетом допускаемых скоростей движения, определенных по данной "Методике", согласно действующим "Техническим указаниям по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути" [9].

1.4 Расчеты элементов верхнего строения пути (скреплений, стыков, шпал и т.д.) и земляного полотна на прочность, устойчивость производятся по специальным методикам.

1.5 Определение нагрузок, действующих от подвижного состава на путь, и показателей напряженно-деформированного состояния верхнего строения пути следует производить по данной "Методике", представляющей инженерный метод расчетов, при решении задач, указанных в п. 1.2. Эта "Методика" дает результаты расчетов, совпадающие с экспериментальными данными, полученными при скоростях движения до 140 км/ч. Для скоростей движения пассажирских поездов свыше 140 км/ч в расчетах следует применять результаты испытаний конкретных типов подвижного состава (в частности, это относится к динамической нагрузке от колебаний надрессорного строения экипажа).

1.6 Оценочные критерии прочности (допускаемые напряжения) в данной "Методике" определены из условия обеспечения надежности пути согласно "Положению о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах", утвержденного приказом Министра путей сообщения Российской Федерации 12Ц от 16.08.94 г. [б].

1.7 Значения расчетных характеристик, приведенных в "Методике" в системе МКС, переводятся в систему единиц СИ следующими соотношениями:

2 ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАСЧЕТА

2.1 Конструкция верхнего строения пути и экипажной части подвижного состава должны находиться в исправном состоянии, соответствующем требованиям "Правил технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации" и действующим техническим нормам.

2.2 Расчетные характеристики экипажной части различных серийных типов подвижного состава и типовых конструкций верхнего строения пути приведены в таблицах 1 и 2. Геометрические параметры рельсовой колеи должны соответствовать при расчетных характеристиках пути удовлетворительному его состоянию. Изменения конструкции пути и экипажной части подвижного состава должны учитываться соответствующими изменениями расчетных физико-механических характеристик. Значения модуля упругости пути U и коэффициента относительной жесткости рельсового основания и рельса k в таблице 2 приведены для летних условий.

2.3 Все многообразие сил, действующих на путь, сводится к следующим основным расчетным схемам их приложения:

- вертикальные силы;

- горизонтальные поперечные (боковые) силы.

Определение горизонтальных продольных сил в плетях бесстыкового пути производится согласно "Технических указаний по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути" [9].

2.4 Принимается условие, что силы, действующие на путь, независимы друг от друга.

2.5 Горизонтальные поперечные (боковые) силы, а также крутящие моменты из-за эксцентриситета приложения вертикальных сил, в расчетах учитываются коэффициентом f, определенным по результатам испытаний (таблица 3).

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ОТ КОЛЕСА НА РЕЛЬС.

3.1 Динамическая максимальная нагрузка от колеса на рельс определяется по формуле

где

Р_ср - среднее значение вертикальной нагрузки колеса на рельс, кг;

S - среднее квадратическое отклонение динамической вертикальной нагрузки колеса на рельс, кг;

λ - нормирующий множитель, определяющий вероятность события, т.е. появления максимальной динамической вертикальной нагрузки.

Результаты многочисленных испытаний различных типов подвижного состава показали, что распределение среднего квадратического отклонения динамической вертикальной нагрузки колеса на рельс 5 подчиняется закону Гаусса.

Многолетний опыт расчетов верхнего строения пути на прочность подтверждает правильность принятой в предыдущей редакции

"Правил" [1] вероятности события (возникновения Р^max_дин), поэтому в

"Методике" сохраняется эта вероятность, равная 0,994, т.е. из 1000 случаев прохода колеса в расчетном сечении только в 6 случаях возможно превышение Р^max_дин , при этом значение λ равно 2,5.

3.2 Среднее значение вертикальной нагрузки колеса на рельс определяется по формуле

где

Р_ст - статическая нагрузка колеса на рельс, кг;

Р_p^ср - среднее значение динамической нагрузки колеса на рельс от

вертикальных колебаний надрессорного строения экипажа, кг.

где

Р_p^max - динамическая максимальная нагрузка колеса на рельс от

вертикальных колебаний надрессорного строения, кг.

3.3 Динамическая максимальная нагрузка колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения Р_p^max определяется одним из следующих способов.

3.3.1 При известных экспериментальных значениях k_д - коэффициента динамических добавок от вертикальных колебаний надрессорного строения (называемого также коэффициентом вертикальной

динамики экипажа) Р^ определяется по формуле

где

q - отнесенный к колесу вес необрессоренных частей, кг.

Этот способ позволяет учитывать различное конкретное состояние пути и ходовых частей подвижного состава через применение соответствующих экспериментальных значений k_д.

Значение k_д для различных типов локомотивов по результатам испытаний по установлению допускаемых скоростей движения (для пути и локомотивов в исправном состоянии) приведены в таблицах 4 и 5.

3.3.2 При отсутствии экспериментальных данных значение 1сд определяется по формуле

где

V - скорость движения, км/ч;

f_ст - статический прогиб рессорного подвешивания, мм;

при 2^х - ступенчатом рессорном подвешивании за величину f_ст принимается сумма статических прогибов обеих ступеней.

3.3.3 Динамическая нагрузка колеса на рельс Р^ с использованием эмпирических зависимостей динамических прогибов рессорного подвешивания z_max от скоростей движения V определяется по формуле

где

ж - приведенная к колесу жесткость рессорного подвешивания,

кг/мм;

z_max - динамический прогиб рессорного подвешивания, мм.

Значение z_max для различных типов подвижного состава приведены в таблице 6

Таблица 4 Коэффициенты вертикальной динамики пассажирских локомотивов

Таблица 5 Коэффициенты вертикальной динамики грузовых локомотивов

Таблица 6 Прогибы рессорного подвешивания

3.4 Среднее квадратическое отклонение динамической вертикальной нагрузки колеса на рельс S определяется по формуле композиции законов распределения его составляющих

где

S²_р - среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения, кг;

S²_нп - среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс при прохождении колесом изолированной неровности пути, кг;

S²_ннк - среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренных масс, возникающих из-за непрерывных неровностей на поверхности катания колес, кг;

S²_инк - среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции необрессоренной массы, возникающих из-за наличия на поверхности катания колес плавных изолированных неровностей, кг;

t - количество колес рассчитываемого типа, имеющих изолированные плавные неровности на поверхности катания, отнесенное к общему числу таких колес (в %), эксплуатируемых на участке;

(1-t) - количество колес (в %), имеющих непрерывную плавную неровность на поверхности катания.

Обычно при отсутствии конкретной информации принимается средний процент осей, имеющих изолированную плавную неровность, равный 5%, соответственно - непрерывную плавную неровность 95%. С учетом этого допущения формула (7) приобретает вид

3.4.1 Среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс Sp от вертикальных колебаний надрессорного

строения Р""" определяется по формуле

3.4.2 Среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс S_нп от сил инерции необрессоренных масс Р_нп^max, возникающих при проходе изолированной неровности пути определяется по формуле

или после подстановки получаем

где

α₁, - коэффициент, учитывающий соотношение коэффициентов а^ для пути с железобетонными и деревянными шпалами

в свою очередь ад определяется как

где

m_k - отнесенная к колесу масса необрессоренных частей экипажа;

m_n - масса пути, приведенная к контакту с колесом.

Для железобетонных шпал α₀^жб = 0,403, для деревянных шпал α₀^дер=0,433. Для пути на железобетонных шпалах α₁ = 0,931; на деревянных α₁= 1,0.

Р - коэффициент, учитывающий влияние типа рельсов на возникновение динамической неровности, определяется соотношением

где

J_o - момент инерции рельса типа Р50 относительно нейтральной оси, равный 2018 см⁴ (при износе 0 мм);

J - момент инерции других рассматриваемых типов рельсов, равный для рельсов типов Р65 и Р75 соответственно 3547 см⁴ и 4490 см⁴ (при износе 0 мм).

Значения коэффициента β в зависимости от типа рельсов приведены в таблице 7.

Таблица 7

Коэффициент β для различных типов рельсов

ε - коэффициент, учитывающий влияние материала и конструкции шпалы на образование динамической неровности пути, принимается для деревянных шпал равным 1,0. для железобетонных - 0,322.

γ- коэффициент, учитывающий влияние рода балласта на образование динамической неровности пути, принимается для:

щебня, асбеста и сортированного гравия равным - 1,0

карьерного гравия и ракушечника 9; - 1,1

песка - 1,5

l_ш - расстояние между осями шпал, см;

U - модуль упругости рельсового основания, кг/см².

Для упрощения вычислений произведение коэффициентов L = α₁βεγ приведено в таблице 2 в зависимости от типа конструкции верхнего строения пути. В этом случае формула (12) получает вид

3.4.3 Среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс S_инк от сил инерции необрессоренной массы Р^max_инк

при движении колеса с плавной непрерывной неровностью на поверхности катания определяется по формуле

где

α₀ - коэффициент, характеризующий отношение необрессоренной массы колеса и участвующей во взаимодействии массы пути (см. п. 3.4.2 и таблицу 2);

K₁ - коэффициент, характеризующий степень неравномерности образования проката поверхности катания колес, принимаемый для электровозов, тепловозов, мотор-вагонного подвижного состава и вагонов равным 0,23;

d - диаметр колеса, см;

q - отнесенный к колесу вес необрессоренных частей;

k - коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса, см-¹.

Е - модуль упругости рельсовой стали, равный 2,1 10⁶ кг/см². Расчетная формула (14) после подстановки известных численных значений приобретает вид

3.4.4 Среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс S_инк от сил инерции необрессоренной массы Р_инк, возникающих из-за наличия на поверхности катания плавных изолированных неровностей определяется по формуле

где y_max - наибольший дополнительный прогиб рельса при вынужденных колебаниях катящегося по ровному рельсу колеса с изолированной неровностью на поверхности катания, см.

Для подавляющего числа расчетных случаев при скорости движения V>20 км/ч y_max = 1,47е, где е - расчетная глубина плавной изолированной неровности на поверхности катания колеса, принимаемая равной 2/3 от предельной допускаемой глубины неровности (таблица 8). Коэффициент α₀, учитывающий влияние масс пути и экипажа, приведен в таблице 2.

Окончательно формула для определения S_инк приобретает вид

Таблица 8 Наибольшие расчетные глубины неровностей на колесах

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ

5.1 Изгибающий момент в рельсах от воздействия эквивалентной нагрузки

5.2 Максимальная нагрузка на шпалу

5.3 Максимальный прогиб рельса

5.4 Максимальные напряжения в элементах верхнего строения пути определяются по формулам:

- в подошве рельса от его изгиба под действием момента М

- в кромках подошвы рельса

- в шпале на смятие под подкладкой (при деревянной шпале) и в прокладке при железобетонной шпале

- в балласте под шпалой

где W - момент сопротивления рельса относительно его подошвы, см³ (таблица 2);

f - коэффициент перехода от осевых напряжений в подошве рельса к кромочным, учитывающий действие горизонтальных нагрузок на рельс и эксцентриситет приложения вертикальной нагрузки (таблица 3);

ω - площадь рельсовой подкладки, см² (таблица 2);

Ωα - площадь полушпалы с учетом поправки на ее изгиб, см²

(таблица 2). 5.5 Определение напряжений в балласте на глубине h.

5.5.1 Расчетная формула для определения нормальных напряжений σ_h в балласте (в том числе и на основной площадке земляного полотна) на глубине h от подошвы шпалы по расчетной вертикали имеет вид

где σ_h1 и σ_h3 -напряжения от воздействия соответственно 1-ой и 3-ей

шпал, лежащих по обе стороны от расчетной шпалы (рисунок 2);

σ_h2 - напряжения от воздействия 2-ой шпалы (расчетной) в сечении пути под расчетным колесом.

5.5.2 Нормальные вертикальные напряжения под расчетной шпалой определяются на основе решения плоской задачи теории упругости при рассмотрении шпального основания как однородной изотропной среды по формуле

где б_бр - напряжение под расчетной шпалой на балласте, осредненное по ширине шпалы, кг/см²;

b - ширина нижней постели шпалы, см;

h - глубина балластного слоя от подошвы шпалы, см;

m - переходный коэффициент от осредненного по ширине шпалы давления на балласт к давлению под осью шпалы, при m <1 принимается m = 1;

ж - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения давления вдоль шпалы и пространственность приложения нагрузки (см. таблицу 2).

Значения коэффициентов C₁ и C₂ при различных h и b приведены в таблице 10.

Рисунок 2 - Схема передачи давления на земляное полотно от трех смежных шпал

Таблица 10 Коэффициенты C₁ и C₂ для расчета напряжений в балласте на глубине h

5.5.3 Напряжения на глубине h под расчетной шпалой, обусловленные воздействием смежных (соседних с расчетной) шпал, определяются по формуле

где i = 1; 3

Учитывая что расчетная ось находится над второй (расчетной) шпалой № 2, получаем соответственно под первой и третьей шпалами

где σ_б1,2 и σ_б3,2 - среднее значение напряжений по подошве соседних с расчетной шпал, кг/см²;

А - коэффициент, учитывающий расстояние между шпалами l_ш, ширину шпалы b и глубину h (см. рисунок 2).

Индексы у бв означают: 1 и 3 - номера шпал, под которыми определяются напряжения, 2 - номер шпалы, над которой находится расчетная ось.

А = θ₁- θ₂ + 0,5 (sin 2 θ₁ - sin 2θ₂) (35)

Углы θ₁и θ₂ (в радианах) между вертикальной осью и направлениями от кромки шпалы до расчетной точки (рисунок 2) определяются по формулам

Значение коэффициента А при различных l_ш, h и b даны в таблице 11.

Приведенные формулы применимы при h > 15 см.

5.5.4 Напряжения в балласте под расчетной шпалой σ_бр определяются по формуле

Рисунок 3 - Учет нагрузок от осей экипажа при определении напряжений на основной площадке земляного полотна (для примера показаны расстояния от шпалы № 1, соседей с расчетной шпалой №2, до колес трехосной тележки)

где для двухосных тележек (на рисунке 3 этому случаю соответствуют оси I и 2)

При определении ординат η индексы означают:

l_ш - расстояние между осями шпал;

l_1-2 и l_2-3 расстояния соответственно между 1-ой, 2-ой и 3-ей

осями тележки.

5.5.6 В редакции Правил 1954 г. [1] предписывалось определять напряжения в балласте на глубине h (в том числе и на основной площадке земляного полотна) как среднее от совокупного воздействия всех осей в поезде. Поскольку по пути движутся самые разнообразные поезда с различными сочетаниями осевых нагрузок, разными типами вагонов, неодинаковыми скоростями, то определение среднего воздействия поездных нагрузок представляет достаточно неопределенную задачу. Поэтому рекомендуется для расчета напряжений в балласте на глубине h принимать либо наиболее массовый тип грузового подвижного состава - четырехосный грузовой вагон, либо конкретный экипаж, для которого необходимо определить его воздействие на земляное полотно.

5.5.7 При необходимости определения напряжений в балласте на глубине h (в том числе и на основной площадке земляного полотна) от воздействия поездной нагрузки (например, при технико-экономических расчетах) в формулы (32) и (33, 34) вместо значений σ_бр, σ_б1,2 и σ_б3,2 подставляются соответственно σ_бп, σ_бсп, т.е. напряжения от расчетной шпалы и напряжения от смежных (соседних) шпал при поездной нагрузке.

Максимальное вероятное динамическое напряжение под подошвой расчетной σ_бп и соседних (смежных) с ней σ_бсп шпал от поездной нагрузки определяется по формулам

В этих формулах индексом i обозначаются однотипные по воздействию на путь оси экипажа; η_i - число однотипных по воздействию на путь осей в поезде; ∑η_i - общее число осей в поезде.

Средние значения и средние квадратические отклонения напряжений в балласте под подошвой шпалы для каждого i-того колеса в поезде вычисляются по формулам:

- под расчетной шпалой

где Si определяется по формуле (8).

Ординаты линии влияния прогибов рельсов η в формулах (39) и (40) определяются из выражения (23) в зависимости от числа осей в тележках экипажей:

6 ОЦЕНОЧНЫЕ КРИТЕРИИ ПРОЧНОСТИ ПУТИ

6.1 В Правилах расчета железнодорожного пути на прочность издания 1954 года [1-5], в качестве оценочных критериев прочности пути были приняты:

1 [бк] - допускаемые напряжения растяжения в кромке подошвы рельса, обусловленные его изгибом и кручением вследствие вертикального и поперечного горизонтального воздействия колес подвижного состава;

2 [бш] - допускаемые напряжения на смятие в деревянных шпалах (прокладках на железобетонных) под подкладками, осредненные по площади подкладки;

3 [бб] - допускаемые напряжения сжатия в балласте под шпалой в подрельсовой зоне;

4 [бз] - допускаемые напряжения сжатия на основной площадке земляного полотна в подрельсовой зоне.

Для оценки прочности пути сравнением действующих напряжений с указанными допускаемыми их значениями используется уровень вероятности 0,994, т.е. под действующими напряжениями понимаются их максимальные значения, определяемые суммированием к средним их значениям 2,5 среднего квадратического отклонения, что обеспечивает указанный уровень вероятности по теории Гаусса.

6.2 В настоящей "Методике" указанные четыре критерия прочности пути определены из условия обеспечения его надежности [7, 8] в зависимости от класса путей, нормируемой в соответствии с "Положением о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской Федерации" [6]:

- [бк] - из условия непревышения допускаемого количества отказов рельсов за период нормативной наработки;

- [бш] - из условия непревышения допускаемого износа шпал и прокладок под подкладками за период нормативной наработки;

- [бб] и [бз] - из условия непревышения допускаемой интенсивности накопления остаточных деформаций соответственно в балласте и на основной площадке земляного полотна.

Эти критерии названы оценочными критериями прочности пути. 6.3 Численные значения оценочных критериев прочности пути применительно к градации грузонапряженности в соответствии с "Положением о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской Федерации" [6] приведены в таблице 12.

Таблица 12

Оценочные критерии прочности пути

^х) Для новостроек - на десятый год эксплуатации

6.4 Критерии из таблицы 12 применяются для оценки воздействия на путь подвижного состава.

6.5 Величина скорости движения учитывается при расчете нагрузок на путь и вызываемых ими напряжений в элементах верхнего строения m и. Класс путей определяется в зависимости от принимаемой в расчете скорости движения и грузонапряженности по таблице 2.1 "Положения" [б].

6.6 Данные таблицы 12 применимы: [бк] - для типовых нетермо-обработанных рельсов в прямых и кривых радиусом более 1000 м, [бш] - для сосновых стандартных шпал, [б_б] - для щебеночного и асбестового балласта, [бз] - для земляного полотна из суглинистых грунтов. При песчаном балласте приведенные в таблице 12 значения [б_б] необходимо уменьшить в 1,6 раза, а при карьерном гравии и ракушке - в 1,4 раза. При использовании только термоупрочненных рельсов приведенные в таблице 12 значения [бк] увеличиваются на 14% [10].

6.7 Приведенные в таблице 12 численные значения оценочных критериев прочности пути являются необходимыми и достаточными применительно к изложенному в данной "Методике" способу расчета сил воздействия колес подвижного состава на путь и напряжений в его элементах. Использование указанных критериев соответствует проводимой на железных дорогах прогрессивной практике дифференцирования прочности пути по участкам в зависимости от грузонапряженности и является теоретической основой формализации необходимого соответствия между интенсивностью использования пути и его прочностью.

6.8 В кривых с радиусом 1000 м и менее действующими нормативными документами [6] предусмотрена сплошная смена рельсов между капитальными ремонтами пути: при R = 1000 - 651 м - один раз, при R = 650 - 351 м - два раза и при R < 350 м - три раза. Поэтому из условия обеспечения указанных показателей надежности пути в таких кривых значение оценочных критериев прочности рельсов принимается [бк] = 2400 кг/см².

6.9 Расчет интервалов закрепления бесстыковых рельсовых плетей и допускаемые напряжения в рельсах для таких расчетов регламентированы действующими "Техническими указаниями по устройству, укладке содержанию и ремонту бесстыкового пути" [9].

6.10 Критерии, приведенные в таблице 12 могут применяться для выбора конструкции пути при изменении условий эксплуатации, например, при повышении осевых нагрузок подвижного состава.

/////////////////////////////////////