Расчет рельсовой колеи

ХОДОВЫЕ ЧАСТИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Особенностями ходовых частей железнодорожного подвижного состава, влияющими на конструктивное оформление рельсовой колеи, являются:

1) наличие реборд (гребней) у бандажей колес;

2) глухая насадка колес;

3) параллелизм осей в пределах жесткой базы;

4) поперечные разбеги осей подвижного состава, а также наличие у некоторых экипажей поворотной оси или тележки;

5) коничность бандажей.

Реборды, или гребни, колес представляют собой выступа­ющие части колес, предназначенные для направления дви­жения экипажей и предупреждения их от схода с рельсового пути. Колесная пара железнодорожного экипажа состоит из оси и двух наглухо насаженных колес с бандажами, поверх­ность катания которых в средней части имеет коничность 1/20, в связи с чем и рельсы на прямых участках ставят с наклоном внутрь колеи (также в 1/20).

Локомотивные (рис. 1.1, а) и вагонные (рис. 1.1,6) колеса отличаются по размерам и очертанию поперечного профиля.

Рис. 1.1. Поперечные профили колес:

а - локомотивного; б - вагонного

При скоростях движения поездов более 140 км/ч предель­ный износ h, измеряемый по среднему кругу катания, не должен превышать 5 мм. При меньших скоростях движения прокат колес локомотивов и пассажирских вагонов допускается до 7 мм, а грузовых вагонов - до 9 мм.

Глухая насадка колес представляет собой неподвижное закрепление их на оси, т. е. вращение колес происходит вместе с осью. Такая конструкция вызвана теми соображениями, что при свободной насадке колес после износа их ступицы и осевой шейки оно может принять наклонное положение и провалиться внутрь колеи.

Параллелизм осей предполагает, что во время движения все оси, входящие в состав жесткой базы, движутся параллельно друг другу. В противном случае при перекосе колесной пары возможен сход ее с рельсов. Жесткой базой экипажа называется расстояние между его крайними осями, входящими в состав одной тележки. Во время движения оси одной тележки остаются параллельными между собой. Кроме жесткой базы, имеется понятие полной колесной базы L экипажа- расстояние между его крайними осями. Полная L и жесткая база L 0 экипажа показаны на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Полные L и жесткие L 0 базы различных экипажей

Характер вписывания экипажей в кривые, а следовательно, и необходимую для этого ширину колеи определяет величина жесткой базы.

Поперечные разбеги в осях подвижного состава позволяют им перемещаться вдоль геометрической оси колесной пары. Отсутствие поперечных разбегов затрудняет вписыва­ние экипажей. Для их вписывания требуется увеличивать ширину колеи.

В некоторых многоосных экипажах для облегчения впи­сывания крайние поддерживающие оси могут поворачиваться на некоторый ограниченный по величине угол.

Бандажи колесных пар имеют коничность. Поверхность катания колес принята с уклоном относительно горизонта, равным 1/20. Коничность поверхностей катания бандажей смягчает удары колес подвижного состава при их виляющем движении в результате возникновения горизонтальной составляющей давления колеса на рельс. Коничность бандажей требует устройства подуклонки рельсов. Она устраивается для центральной передачи усилий от колес на рельсы. Величина подуклонки принята равной коничности бандажей, т. е. 1/20. Подуклонка не должна быть более 1/12 и менее 1/30 по внутренней нити в кривой и 1/60 во всех остальных случаях.

УСТРОЙСТВО РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ в ПРЯМЫХ УЧАСТКАХ ПУТИ

Ширина колеи в РФ принята равной 1520 мм с допусками по уширению 8мм, по сужению - 4 мм. При скоростях движения до 50 км/ч допускается уширение до 10мм. Ширина колеи измеряется на уровне, расположенном на 13мм ниже поверхности катания головки рельса. Объясняется это тем, что расчетная плоскость располагается на 10 мм ниже поверхности катания головки рельса для новых бандажей. С увеличением износа поверхность катания бандажа колеса, а следовательно, и расчетная плоскость понижаются.

Верх головок рельсов по обеим рельсовым нитям в прямых участках пути должен располагаться в одном уровне с допусками ±5 мм. Допускается одну рельсовую нить содержать на 5 мм выше другой. На двухпутных участках возвышение устраивается на бровочной нити пути, а на однопутных, как правило, на правой рельсовой нити по ходу километров. На стрелочных переводах возвышение не устраивается.

Между рельсовой колеей и шириной колесной пары существует определенное соотношение. Ширина колесной пары (колесная колея) уже ширины колеи на величину зазора.

Рис. 2.1. Схема для определения зазора δ между рельсовой колеей S и вагонной колеей q

На рис. 2.1 представлена схема для определения величины зазора между гребнем колеса и головкой рельса. На схеме обозначено:

S -ширина рельсовой колеи, S = мм;

q - ширина колесной пары (колесная колея);

Т - насадка колес, Т = 1440±3мм при скорости движения более 140 км/ч с допусками +3 -1;

d - толщина гребня колеса, d max = 33 мм, d min = 25 мм; при скорости движения более 140 км/ч d min = 28 мм;

μ - утолщение гребня колеса в сечении выше расчетной плоскости; для вагонных колес μ =1мм; для локомотивных μ=0;

δ - зазор между гребнем колеса и рабочей гранью рельса.

Из приведенной на рис. 2.1 схемы видно, что рельсовая колея отличается от колесной на величину зазора δ:

где q = T +2d + 2μ.

Поскольку размеры, входящие в эти выражения, имеют допуски, то существуют минимальные, нормальные и максимальные значения δ:

δ min = S min - q max ;

δ 0 = S 0 - q 0 ;

δ max = S max - q min .

Если в данные выражения подставить числовые значе­ния, то получим результаты, показанные в табл. 1.

Таблица 1

Наименование колес	Скорость движения, км/ч	S, мм	q, мм	δ, мм
max	норм	min	max	норм	min	max	норм	min
Локомотивные	До 140
Свыше 140
Вагонные	До 140
Свыше 140

Таким образом, на прямых участках пути зазор между гребнем колеса и рабочей гранью рельса колеблется в пределах от 5 до 39 мм. При движении груженых вагонов происходит изгиб оси колесной пары выпуклостью вверх, так как нагрузка от вагона на колесную пару передается через буксовый узел, расположенный снаружи рельсовой колеи. В результате этого колесная колея может уменьшаться на 2 - 4 мм и более. Под воздействием колес подвижного соста­ва происходят упругие отжатия рельсовых нитей, т. е. упругое уширение колеи на 2 мм в прямых участках, а в кривых - на 4 мм и более.

Положительная роль зазора заключается в устранении заклинивания колес подвижного состава между рельсовыми нитями, а значит в уменьшении сопротивления движения и в снижении бокового износа рельсов и гребней колес.

Однако излишняя величина зазора увеличивает углы набегания гребней колес на рельс в прямых и при входе в кривые, что увеличивает горизонтальные силы и ведет к расстройству пути в плане. В этом случае уменьшается срок службы рельсов и колес подвижного состава, ухудшается плавность движения поездов, особенно при высоких скоростях, увеличиваются расходы на текущее содержание.

Опасный предел в сторону сужения колеи определяется из условия заклинивания колесной пары с максимальной насадкой, т. е.

S пред (min) = q max = T max + 2d max + 2μ = 1443 + 2·33 + 2·1 = 1511 мм.

Рис. 2.2. Схема определения предельно допустимой (максимальной) рельсовой колеи S пред (max)

Опасный предел в сторону уширения колеи определяется из условия предупреждения провала колеса внутрь колеи. Расчетная схема показана на рис. 2.2. Из рисунка видим, что

S пред (max) = T min + d min + μ + 130 - 30 - r 1 ,

где d min - минимальное значение толщины гребня, d min = 25 мм;

μ - утолщение гребня в сечении, расположенном выше расчетной плоскости, μ = 1 мм;

T min - минимальное значение насадки колес, T min = 1437 мм;

S пред (max) = 1437 + 25 + 1 + 130 - 30 - 15 = 1548 мм.

Принимая во внимание упругие отжатия рельсов под нагрузкой, а также изгиб осей груженых вагонов, предельное значение ширины колеи в сторону уширения устанавливается 1546мм. Наличие колеи, превышающей опасные пределы как в сторону сужения, так и уширения, не допускается и отно­сится к неисправностям самой высокой степени.

Рельсовая колея - это расстояние между внутренними боковыми гранями головок рельсов, измеряемое на уровне 13 мм ниже поверхности катания, в нашей стране еще в начале строительства железных дорог была принята равной 5 футам, то есть 1524 мм. В большинстве других стран нормальная ширина колеи 1435 мм. В Индии, Пакистане, Цейлоне, Испании, Португалии, Аргентине и Чили принята ширина колеи 1676 мм, в Бразилии, Северной Ирландии - 1600 мм, в Японии и ряде африканских стран - 1067 мм.

Во многих странах имеются узкоколейные дороги с шириной колеи 750, 600, 500 мм и других размеров.

Для улучшения взаимодействия пути с подвижным составом Правилами технической эксплуатации железных дорог, утвержденными МПС в 1970 г., ширина колеи уменьшена с 1524 до 1520 мм.

Нормальная ширина колеи относится к прямым участкам и к кривым радиусом 350 м и более. Для кривых радиусом от 349 до 300 м она равна 1530 мм, а при радиусах кривых менее 300 м - 1535 мм. Уширение колеи в кривых малых радиусов устраивают для облегчения прохождения по ним подвижного состава. В кривых радиусом от 650 до 300 м ширина колеи может иметь дополнительное уширение на величину фактического бокового износа головки рельсов, но не более чем до 1530 мм в кривых радиусом 650-450 м, 1535 мм - в кривых радиусом 449-350 м и 1540 мм - в кривых радиусом 349 м и менее.

Из-за невозможности обеспечить абсолютно точную величину ширины колеи при сборке рельсошпальной решетки и неизменяемость ее в эксплуатации установлены допуски в содержании колеи, равные +8 и -4 мм. Это значит, что при норме 1520 мм ширина колеи может колебаться в пределах от 1528 до 1516 мм. Для кривых участков применяют те же допуски, но с одним ограничением - ширина колеи более 1548 мм ни в каких случаях не допускается, так как такое увеличение создает опасность возможного распора ее частью колеса с увеличенной коничностью поверхности.

Если на участке установлены допускаемые скорости движения поездов 50 км/ч и менее, допускается уширение колеи до 10 мм, а сужение 4 мм.

На существующих линиях впредь до их перевода на колею 1520 мм допускается ширина колеи: на прямых участках и в кривых радиусом 350 м и более - 1524 мм; в кривых радиусом от 349 до 300 м - 1530 мм, а радиусом 299 м и менее - 1540 мм.

Имеются отдельные участки с колеей 1524 мм, где сохранились еще кривые со следующими величинами ширины колеи: при радиусах от 650 до 450 м - 1530 мм; при радиусах 449 до 350 м - 1535 мм; при радиусах 349 м и менее - 1540 мм.

До перехода на колею 1520 мм разрешено содержать путь по этим нормам.

В тяжелых условиях (горные линии, внутризаводские пути и т. д.), когда применяют очень крутые кривые и ширина колеи 1548 мм оказывается недостаточна, может быть допущено дополнительное уширение, но при условии укладки контррельсов и других устройств, исключающих возможность провала колес внутрь колеи.

Наиболее благоприятным является свободное вписывание в кривую жесткой базы локомотива или вагона (рис. 1), когда передняя ось прижата гребнем одного колеса к наружной рельсовой нити, а задняя касается гребнем внутренней рельсовой нити; при этом задняя ось оказывается расположенной по направлению радиуса кривой. В этом случае жесткая база единицы подвижного состава устанавливается внутри колеи совершенно свободно.

Самым неблагоприятным видом вписывания является заклиненное вписывание (рис. 2), при котором оба крайних колеса в жесткой базе оказываются прижатыми гребнями к рельсу. Такое вписывание вызывает очень большое сопротивление движению поезда и небезопасное давление колес на рельсы. Вписывание, по своему характеру занимающее промежуточное положение между свободным и заклиненным, называют принудительным .

На наших железных дорогах в настоящее время почти всюду находятся в обращении тележечные локомотивы (электровозы и тепловозы) и тележечные грузовые и пассажирские вагоны, имеющие жесткую базу от 1,8 м у четырехосного полувагона до 4,4 м у электровоза.

Переход на короткобазный подвижной состав позволил унифицировать ширину, колеи на прямых и кривых участках (радиусом 350 м и более), за исключением относительно небольшого протяжения путей в горных районах, подъездных, соединительных, внутризаводских и станционных, имеющих радиусы кривых менее 350 м.

При прохождении поездов по кривым участкам путь испытывает значительные дополнительные воздействия от колес подвижного состава. Чтобы избежать резких ударов гребней колес о рельсы при входе поезда в кривые, значительных перегрузок наружных рельсовых нитей из-за появления центробежных сил, облегчить вписывание подвижного состава в кривые и прохождение по ним:

• увеличивают ширину колеи;
• предотвращают искажения проектной кривизны пути;
• наружные рельсовые нити располагают выше внутренних;
• в местах сопряжений прямых участков пути с кривыми устраивают переходные кривые;
• уменьшают расстояния между шпалами;
• смазывают боковые поверхности соприкосновения гребней колес с рельсами.

Большое значение для взаимодействия подвижного состава и пути в кривых имеет размер жесткой базы локомотивов и вагонов. На дорогах РФ находятся в обращении в основном тележечные локомотивы (электровозы и тепловозы) и грузовые и пассажирские вагоны с жесткой базой от 1,8 м у четырехосного полувагона до 4,4 м у электровоза. У короткобазного подвижного состава значительно лучше условия прохождения по кривым, и это позволило унифицировать ширину колеи на прямых и кривых участках (радиусом 350 м и более). Только на относительно небольшом протяжении путей в горных районах, на подъездных, соединительных, внутризаводских и станционных путях, где радиусы кривых остались менее 350 м, производится уширение колеи.

Устройство рельсовой колеи тесно связано с конструкцией и размерами колесных пар подвижного состава. Колесная пара состоит из стальной оси, на которую наглухо насажены колеса, имеющие для предотвращения схода с рельсов направляющие гребни (рис. 2.12). Поверхность катания колес подвижного состава в средней части имеет коничность 1/20, которая обеспечивает более равномерный износ, большее сопротивление горизонтальным силам, направленным поперек пути, меньшую чувствительность к неисправностям его и препятствует появлению желоба на поверхности катания, затрудняющего прохождение. колесных пар по стрелочным переводам. В соответствии с этим и рельсы устанавливаются также с подуклонкой 1/20, что при деревянных шпалах достигается за счет клинчатых подкладок, а при железобетонных - соответствующим наклоном поверхности шпал в зоне опирания рельсов.

Расстояние между внутренними гранями головок рельсов называется шириной колеи . Эта ширина складывается из расстояния между колесами (1440±3 мм), двух толщин гребней (от 25 до 33 мм) и зазоров между колесами и рельсами, необходимых для свободного прохождения колесных пар. Ширина нормальной (широкой) колеи в прямых и кривых участках пути с радиусом более 349 м принята 1520 мм с допусками в сторону уширения 8 мм и в сторону сужения 4 мм. До 1972 г. нормальной на наших дорогах считалась ширина колеи 1524 мм.

В соответствии с ПТЭ верх головок рельсов обеих нитей пути на прямых участках должен быть в одном уровне. Разрешается на прямых участках пути на всей протяженности каждого из них содержать одну рельсовую нить на 5 мм выше другой.

При сооружении пути стыки на обеих рельсовых нитях располагают точно один против другого по наугольнику, что по сравнению с расположением стыков вразбежку уменьшает число ударов колесных пар о рельсы, а также позволяет заготавливать и менять рельсошпальную решетку целыми звеньями " с помощью путеукладчиков.

Для того чтобы каждая колесная пара не могла поворачиваться вокруг вертикальной оси, колесные пары вагона или локомотива соединяют по две и более жесткой рамой.

Расстояние между крайними осями, соединенными рамой, называется жесткой базой, а между крайними осями вагона или локомотива - полной колесной базой. Жесткое соединение колесных пар обеспечивает устойчивое положение их на рельсах, но в то же время затрудняет прохождение в кривых малого радиуса, где возможно их заклинивание. Для облегчения вписывания в кривые современный подвижной состав выпускают на отдельных тележках с небольшими, жесткими базами.

В кривых участках устройство пути имеет ряд особенностей, основными из которых являются: возвышение наружного рельса над внутренним, наличие переходных кривых, уширение колеи при малых радиусах, укладка укороченных рельсов на внутренней рельсовой нити, усиление пути, увеличение расстояния между осями путей на двух- и многопутных линиях.

Возвышение наружного рельса предусматривается при радиусе кривой 4000 м и менее для того, чтобы нагрузка на каждую рельсовую нить была примерно одинаковой с учетом действия центробежной силы.

Максимальное допускаемое возвышение наружного рельса 150 мм.

Установлены следующие нормы ширины колеи в кривых.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. УСТРОЙСТВО Рельсовой Колеи. Устройство рельсовой колеи тес­но связано с конструкцией и разме­рами колесных пар подвижного сос­тава. Колесная пара состоит из стальной оси, на которую наглухо насажены колеса, имеющие для предотвращения схода с рельсов направляющие гребни. Поверхность катания колес подвиж­ного состава в средней, части имеет коничность 1/20, которая обеспечи­вает более равномерный износ, большее сопротивление горизонталь­ным силам, направленным поперек пути, меньшую чувствительность к неисправностям его и препятст­вует появлению желоба на поверх­ности катания, затрудняющего про­хождение колесных пар по стрелоч­ным переводам. В соответствии с этим и рельсы устанавливаются также с подуклонкой 1/20, что, при деревянных шпалах достигает­ся за счет клинчатых подкладок, а при железобетонных - соответст­вующим наклоном поверхности шпал в зоне опирания рельсов. Расстояние между внутренними гранями головок- рельсов называет­ся шириной колеи . Эта ширина складывается из расстояния между колесами (1440±3 мм), двух тол­щин гребней (от 25 до 33 мм) и зазоров между колесами и рель­сами, необходимых для свободного прохождения колесных пар. Шири­на нормальной (широкой) колеи в прямых и кривых участках пути с радиусом более 349 м принята в СССР 1520 мм с допусками в сторо­ну уширения 6 мм и в сторону сужения 4 мм. В соответствии с ПТЭ верх головок рельсов обеих нитей пути на прямых участках должен быть в одном уровне. Разрешается на прямых участках пути на всей протяженности каждого из них со­держать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой.При сооружении пути стыки на обеих рельсовых нитях располагают точно один против другого по на­угольнику, что по сравнению с рас­положением стыков в разбежку уменьшает число ударов колесных пар о рельсы, а также позволяет заготавливать и менять рёльсошпальную решетку целыми звеньями с помощью путеукладчиков.Для того чтобы каждая колес­ная пара не могла поворачиваться вокруг вертикальной оси, колесные пары вагона или локомотива соединяют по две и более жесткой рамой. Расстояние, между крайними осями, соединенными рамой, называется жесткой базой, а между крайними осями, вагона или локомотива-полной колесной базой. Жёсткое соединение колесных пар обеспечивает устойчивое положение их на рельсах, но в то же время затрудняет прохождение в кривых малого радиуса, где возможно их заклинивание. Для облегчения вписывания в кривые современный под­вижной состав выпускают на отдель­ных тележках с небольшими жест­кими базами.

ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА ПУТИ В КРИВЫХ. В кривых участках устройство пути имеет ряд особенностей, основными из которых являются: возвы­шение наружного рельса над внут­ренним, наличие переходных, кри­вых, уширение колеи при малых радиусах, укладка укороченных рель­сов на внутренней рельсовой нити, усиление, пути, увеличение расстоя­ния между осями путей на двух- и многопутных линиях. Возвышение наружного рельса предусматривается при радиусе кри­вой 4000 м. и менее для того, чтобы нагрузка на каждую рельсо­вую нить была примерно одинаковой с учетом действия центробежной силы.Устройство переходных кривых связано с необходимостью плавного сопряжения кривой с примыкающей прямой, как в плане, так и в профиле. Переходная кривая в плане представляет собой кривую перемен­ного радиуса, уменьшающегося от бесконечно большого до R - радиус круговой кривой с уменьше­нием кривизны пропорционально изменению длины.Уширение колеи производится для обеспечения вписывания подвижного состава в кривые. По­скольку колесные пары закреплены в раме тележки таким образом, что в пределах жесткой базы они всегда параллельны между собой, в кривой только одна колесная пара может расположиться по радиусу, а остальные будут находиться под углом. Это вызывает необходимость увеличения зазора между гребнями колес и рельсами во избежание заклинивания колесных пар.

Укладка укороченных рельсов во внутреннюю нить необходима для исключения разбежки стыков. Поскольку внутренняя рельсовая нить в кривой короче наружной, то укладка в нее рельсов той же длины, что и в наружную, вызовет забегание стыков вперед на внутрен­ней нити. Для устранения разбежки стыков при каждом радиусе кривой необходимо иметь свою величину укорочения рельса. В целях унифика­ции применяют стандартные укорочения рельсовых звеньев длиной 25 м на 80 и 160 мм. Укладку укороченных рельсов во внутренней нити чередуют с укладкой рельсов нормальной длины так, что бы забег стыков, не превышал половины укорочения, т.е. 40; 80 мм.Усиление пути в кривых произ­водится при R ≤ 1200 м для обеспечения необходимой равнопрочное я примыкающими прямыми. Для этого увеличивают число шпал на километр, уширяют балластную призму с наружной стороны кривой, ставят несимметричные подкладки с большим плечом в наружную сторону, отбирают наиболее твердые рельсы. В круговых кривых на двух- и много­путных линиях увеличивается расстояние между осями путей в соответствии с требованиями габарита, что достигается в пределах переходной кривой внутреннего пути за счет изменения ее параметра.

УСТРОЙСТВО ПУТИ НА МОСТАХ И В ТОННЕЛЯХ. Конструкция пути на мостах и в тоннелях имеет, ряд особенностей. На металлических мостах рельсовый путь обычно делают без балласта; на деревянных брусьях, уложенных на расстоянии 10-15 см друг от друга. Брусья крепят болтами к продольным балкам. Для удержания; подвижного состава в случае схода его с рельсов на существующих мостах снаружи колеи имеются деревянные охранные брусья, а внутри - контррельсы. На строя­щихся мостах для этой цели используют металлические охранные уголки специального профиля. На мостах с большими металличес­кими пролетными строениями укла­дывают путь на металлических попе­речинах. На ряде металлических мостов и, в частности, на мосту через р. Амур на БАМе применена конструкция пути на сплошных желе­зобетонных плитах, дающая сокращение затрат на содер­жание мостового полотна.На каменных, бетонных и желе­зобетонных мостах, а также на путе­проводах, расположенных в пределах станции, путь устраивают на щебе­ночном балласте и обычных шпа­лах, для чего на мосту устраи­вают корыто шириной поверху на однопутных линиях не менее 3,6 м, а на двухпутных - не менее 7,7 м. Толщину щебе­ночного балласта на мостах и путе­проводах принимают, как правило, не менее 25 см.На подходах к мостам независи­мо от рода балласта, принятогона данной линии, путь с обеих сторон укладывают на щебеночном балласте, что повышает устойчивость пути и уменьшает засорение пылью конструкций моста при движении поездов. На подходах к безбал­ластным мостам путь полностью за­креплен от угона; на самих мостах противоугоны ставят как исключе­ние. На больших металлических мо­стах во избежание разрыва стыков при температурных изменениях дли­ны пролетных строений устанавлива­ют специальные приборы, обеспечи­вающие взаимное смещение остряка и рамного рельса. Путь в тоннелях рекомендуется делать на железобетонных шпалах с эпюрой на одну ступень выше, чем на подходах. На протяжен­ности 200 м с каждой стороны перед тоннелем и в самом тоннеле путь должен быть, на щебеночном балласте толщиной не менее 25 см. Путь в тоннеле может быть и на жестком бетонном основании со скреплениями раздельного типа с прокладками-амортизаторами. На мостах и тоннелях не допускается применение разных типов рельсов, переходных стыков и рельсовых рубок.

Устройство рельсовой колеи тесно связано с конструкцией и размерами колесных пар подвижного состава. Колесная пара состоит из стальной оси, на которую наглухо насажены колеса, имеющие для предотвращения схода с рельсов направляющие гребни. Поверхность катания колес подвижного состава в средней части имеет коничность 1/20, которая обеспечивает более равномерный износ, большее сопротивление горизонтальным силам, направленным поперек пути, меньшую чувствительность к неисправностям его и препятствует появлению желоба на поверхности катания, затрудняющего прохождение колесных пар по стрелочным переводам. В соответствии с этим и рельсы устанавливаются также с подуклонкой 1/20, что при деревянных шпалах достигается за счет клинчатых подкладок, а при железобетонных - соответствующим наклоном поверхности шпал в зоне опирания рельсов. Расстояние между внутренними гранями головок рельсов называется шириной колеи . Эта ширина складывается из расстояния между колесами (1440 + 3 мм), двух толщин гребней (от 25 до 33 мм) и зазоров между колесами и рельсами, необходимых для свободного прохождения колесных пар. Ширина нормальной (широкой) колеи в прямых и кривых участках пути с радиусом более 349 м принята в СССР 1520 мм с допусками в сторону уширения б мм и в сторону сужения 4 мм. До 1972 г. нормальной на наших дорогах считалась ширина колеи 1524 мм; сужение ее до 1520 мм принято для уменьшения зазора между колесами и рельсами, что при возросших скоростях движения способствует уменьшению расстройств пути.
В соответствии с ПТЭ верх головок рельсов обеих нитей пути на прямых участках должен быть в одном уровне Разрешается на прямых участках пути на всей протяженности каждого из них содержать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой.
При сооружении пути стыки на обеих рельсовых нитях располагают точно один против другого по па-угольнику, что по сравнению с расположением стыков вразбежку уменьшает число ударов колесных пар о рельсы, а также позволяет заготавливать и менять рельсошпальную решетку целыми звеньями с помощью путеукладчиков.
Для того чтобы каждая колесная пара не могла поворачиваться вокруг вертикальной оси, колесные пары вагона или локомотива соединяют по две и более жесткой рамой. Расстояние между крайними осями, соединенными рамой, называется жесткой базой, а между крайними осями вагона или локомотива - полной колесной базой. Жесткое соединение колесных пар обеспечивает устойчивое положение их на рельсах, но в то же время затрудняет прохождение в кривых малого радиуса, где возможно их заклинивание. Для облегчения вписывания в кривые современный подвижной состав выпускают на отдельных тележках с небольшими жесткими базами.

:
а - электровоза ВЛ8, б - одной секции тепловоза ТЭЗ, в - паровоза серии ФД,
г - четырехосного полувагона

Особенности устройства пути в кривых

В кривых участках устройство пути имеет ряд особенностей, основными из которых являются: возвышение наружного рельса над внутренним, наличие переходных кривых, уширение колеи при малых радиусах, укладка укороченных рельсов на внутренней рельсовой нити, усиление пути, увеличение расстояния между осями путей на двух- и многопутных линиях.
Возвышение наружного рельса предусматривается при радиусе кривой 4000 м и менее для того, чтобы нагрузка на каждую рельсовую нить была примерно одинаковой с учетом действия центробежной силы, для равномерного износа наружного и внутреннего рельсов, а также погашения центробежного ускорения, отрицательно влияющего на комфортность езды пассажиров. Размер возвышения зависит от скорости движения поездов и радиуса кривой и обычно не превышает 180 мм (в России - 150 мм).
Известно, что при следовании подвижного состава по кривой радиусом R возникает центробежная сила

где m - масса единицы подвижного состава;
G- вес единицы подвижного состава;
g - ускорение силы тяжести

При возвышении наружного рельса на величину h появляется составляющая сила веса Н, направленная внутрь кривой.

Схема сил, действующих на подвижной состав в кривой при возвышении наружного рельса

Из рисунка понятно, что отношение H/G равно отношению h/s 1. Следовательно Н = Gh/s 1 .
Для одинакового давления на рельсовые нити необходимо, чтобы Н уравновешивала I, тогда равнодействующая N будет перпендикулярна наклонной плоскости пути.
Учитывая, что угол α мал и при максимальном допускаемом возвышении наружного рельса 150 мм cos α = 0,996, можно принять, что Н=I .
Тогда

Откуда

Подставляя s 1 =1,6м, g=9,81 м/с 2 и выражая скорость v в км/ч, а радиус R в метрах, получим возвышение в мм
Поскольку в реальных условиях по кривым проходят поезда разной массы Q i , и с различными скоростями V i , то для равномерного износа рельсов в приведенную формулу подставляют среднюю квадратическую скорость

При h=2,5v ср 2 /R в поездах, следующих со скоростями выше v ср, на пассажиров и грузы будет действовать непогашенное ускорение, равное разнице между центробежным ускорением v 2 /R и направленным к центру кривой ускорением gh/s 1
На дорогах бывшего СССР допускаемое непогашенное ускорение составляет 0,7 м/с 2 и лишь в исключительных случаях 0,9 м/с 2 . При движении поездов со скоростью менее v ср нагрузка на внутренний рельс будет больше, чем на наружный.
Для обеспечения плавного вписывания подвижного состава круговые кривые сопрягаются с прямыми участками с помощью переходных кривых. Между смежными кривыми на железной дороге предусматриваются прямые вставки минимальной величиной от 30 до 150 м в зависимости от категории линии и направления кривых (в одну или в разные стороны).
Устройства переходных кривых связано с необходимостью плавного сопряжения кривой с примыкающей прямой как в плане, так и в профиле. Переходная кривая в плане представляет собой кривую переменного радиуса, уменьшающегося от ∞ (бесконечно большого) до R - радиуса круговой кривой с уменьшением кривизны пропорционально изменению длины. Кривая, обладающая таким свойством, представляет собой радиоидальную спираль, уравнение которой выражается в виде ряда

где С - параметр переходной кривой (С=lR)

В связи с тем что длина переходной кривой l мала по сравнению, с С , практически достаточно ограничиться двумя первыми членами ряда приведенной формулы. В профиле переходная кривая в обычных условиях представляет собой наклонную линию с однообразным уклоном i = h/l.

. НПК - начало переходной кривой. КПК - конец переходной кривой

Уширение колеи производится для обеспечения вписывания подвижного состава в кривые. Поскольку колесные пары закреплены в раме тележки таким образом, что в пределах жесткой базы они всегда параллельны между собой, в кривой только одна колесная пара может расположиться по радиусу, а остальные будут находиться под углом Это вызывает необходимость увеличения зазора между гребнями колес и рельсами во избежание заклинивания колесных пар. Для свободного вписывания двухосной тележки в кривую необходимая ширина колеи:

S c =q max +f н +4

где f н - стрела изгиба кривой по наружной нити при хорде 2λ ;
q max - максимальное расстояние между наружными гранями гребней колес;
4 - допуск по сужению колеи, мм.

Установлены следующие нормы ширины колеи в кривых:
при R≥ 350 м - 1520 мм;
при R = 349-300 м- 1530 мм,
при R≤ 299 м -1535 мм.

Укладка укороченных рельсов во внутреннюю нить необходима для исключения разбежки стыков. Поскольку внутренняя рельсовая нить в кривой короче наружной, то укладка, в нее рельсов той же длины, что и в наружную, вызовет забегание стыков вперед на внутренней нити. Для устранения разбежки стыков при каждом радиусе кривой необходимо иметь свою величину укорочения рельса. В целях унификации применяют стандартные укорочения рельсовых звеньев длиной 25 м на 80 и 160 мм. Общее число укороченных рельсов n , требующихся для укладки в кривой,

n = e/k,

Где e - общее укорочение,
k - стандартное укорочение одного рельса
Укладку укороченных рельсов во внутренней нити чередуют с укладкой рельсов нормальной длины так, чтобы забег стыков не превышал половины укорочения, т. е. 40; 80 мм.
Усиление пути в кривых производится при R<1200 м для обеспечения необходимой равнопрочности с примыкающими прямыми. Для этого увеличивают число шпал на километр, уширяют балластную призму с наружной стороны кривой, ставят несимметричные подкладки с большим плечом в наружную сторону, отбирают наиболее твердые рельсы. В круговых кривых на двух- и многопутных линиях увеличивается расстояние между осями путей в соответствии с требованиями габарита, что достигается в пределах переходной кривой внутреннего пути за счет изменения ее параметра С.

Выписка из Правил технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации

Глава III. Сооружения и устройства путевого хозяйства. План и профиль пути
3.4. Железнодорожный путь в отношении радиусов кривых, сопряжения прямых и кривых, крутизны уклонов должен соответствовать утвержденному плану и профилю линии.
3.5. Станции, разъезды и обгонные пункты, как правило, должны располагаться на горизонтальной площадке; в отдельных случаях допускается расположение их на уклонах, не превышающих 0,0015; в трудных условиях допускается увеличение уклонов, но, как правило, не более чем до 0,0025.
В особо трудных условиях на разъездах и обгонных пунктах продольного или полупродольного типа, а с разрешения МПС и на промежуточных станциях, на которых не предусматривается маневров и отцепки локомотива или вагонов от состава, допускаются уклоны более 0,0025 в пределах станционной площадки. Допускаются также в особо трудных условиях с разрешения МПС уклоны более 0,0025 при удлинении приемо-отправочных путей на существующих станциях, при условии принятия мер против самопроизвольного ухода вагонов или составов (без локомотивов).
Для предотвращения самопроизвольного ухода вагонов или составов (без локомотива) на станциях, разъездах и обгонных пунктах вновь построенные и реконструированные приемо-отправочные пути, на которых предусматривается отцепка локомотивов от вагонов и производство маневровых операций, должны иметь, как правило, продольный профиль с противоуклонами в сторону ограничивающих стрелок и соответствовать нормативам на его проектирование.
В необходимых случаях для предупреждения самопроизвольного выхода вагонов на другие пути должно предусматриваться устройство предохранительных тупиков, охранных стрелок, сбрасывающих башмаков или стрелок.
Во всех случаях расположения станций, разъездов и обгонных пунктов на уклонах должны быть обеспечены условия трогания с места поездов установленной весовой нормы.
3.6. Станции, разъезды и обгонные пункты, а также отдельные парки и вытяжные пути должны располагаться на прямых участках. В трудных условиях допускается размещение их на кривых радиусом не менее 1500 м.
В особо трудных условиях допускается уменьшение радиуса кривой до 600 м, а в горных условиях - до 500 м.
3.7. План и профиль главных и станционных путей, а также подъездных путей, принадлежащих железной дороге, должны подвергаться периодической инструментальной проверке.
Организация работ по инструментальной проверке плана и профиля путей, изготовлению соответствующей технической документации, а также составлению масштабных и схематических планов станций возлагается на службы пути железных дорог с привлечением для выполнения этих работ проектных институтов, проектно-изыскательских и проектно-сметных групп.
Дистанции пути должны иметь:

• чертежи и описания всех имеющихся на дистанции сооружений и устройств путевого хозяйства, а также соответствующие стандарты и нормы;
• масштабные и схематические планы станций, продольные профили всех главных и станционных путей, сортировочных горок, а также подъездных путей, где обращаются локомотивы дороги.

Продольные профили сортировочных горок, подгорочных и вытяжных путей на сортировочных, участковых и грузовых станциях проверяются не реже одного раза в три года, на остальном протяжении станционных путей профиль проверяется не реже одного раза в 10 лет. Продольный профиль главных путей на перегонах проверяется в период проведения капитального и среднего ремонта путей. По результатам проверок устанавливаются конкретные сроки производства работ по выправке профилей. Участки, на которых производится реконструкция пути и другие работы, вызывающие изменения плана и профиля, проверяются исполнителями работ после их окончания с представлением в дистанцию пути, а на станциях и начальнику станции соответствующей документации.
При возведении на территории станции новых объектов, расширении или переносе существующих любая организация, выполняющая такие работы, должна незамедлительно передавать начальнику дистанции пути и начальнику станции исполнительную документацию, определяющую привязку объекта к существующему развитию станции.