Понятие о напряжениях и деформациях в элементах пути
Вертикальные и горизонтальные силы, действующие на путь, вызывают появление напряжений и деформаций (прогибов) в каждом его элементе.
Для того чтобы определить допускаемую скорость движения, нужно знать допускаемые напряжения в каждом элементе пути. Если окажется, что при данной скорости фактические напряжения не превышают допускаемые, то езда с такой скоростью возможна. И, наоборот, если фактические (расчетные или измеренные) напряжения превышают допускаемые, езда с принятой в расчетах скоростью недопустима. Не менее важно в работе пути знать не только силы, действующие на путь, но и число приложений сил (многократность приложения сил), или, иначе говоря, грузонапряженность.
Наряду с нагрузками от колесной пары на рельсы и скоростью движения грузонапряженность определяет сроки развития усталостных процессов в материале, сроки службы каждого элемента пути.
Установлены следующие допускаемые напряжения: в рельсах (в кромке подошвы) при вагонной нагрузке - 200 МПа, при локомотивной - 240 МПа; в деревянных шпалах на смятие под подкладкой - 2,2 МПа (шпалы из сосны, ели, пихты) и 3,5 МПа (из бука); в железобетонных шпалах на смятие - 20 МПа (т. е. примерно в 10 раз больше, чем в деревянных); в балласте под вагонной нагрузкой - 0,2МПа (песок) до 0,33 МПа (щебень), подлокомотивной нагрузкой - от 0,28 МПа до 0,5 МПа; на основной площадке земляного полотна - 0,08 МПа (в отдельных случаях с разрешения МПС 0,09 - 0,1 МПа).
Какие же фактические напряжения и деформации возникают в элементах пути?
Например, при движении электровоза ВЛ10 по пути с рельсами Р50, деревянными шпалами (1840 шт/км) и щебеночным балластом напряжения в рельсах на прямом участке находятся в пределах 123 - 198 МПа (соответственно изменению скорости от 10 до 100 км/ч). При железобетонных шпалах и при всех прочих равных условиях и скорости 100 км/ч напряжения в рельсах будут 140 МПа. В кривой радиусом 600 м напряжения выше 130 - 210 МПа. Все эти напряжения не превышают допускаемых, поэтому ограничений в скорости не требуется. Напряжения в деревянной шпале под подкладкой равны 1,3 МПа, под шпалой в балласте - 0,23 МПа.
При скорости 100 км/ч и деревянных шпалах вертикальный прогиб рельса при остальных условиях этого примера достигает 3,7 мм, а при железобетонных шпалах - 0,8 мм.
Напряжения под шпалой зависят от формы ее изгиба (рис. 4.4). При движении тепловоза ТЭП10 по пути с рельсами Р65, железобетонными шпалами (1840 шт/км) в прямой напряжения в рельсах будут 56 - 85 МПа (скорость 120 - 140 км/ч). Эти напряжения намного меньше допускаемых, так как путь более мощный, чем в предыдущем примере, хотя скорости движения выше.
Были проделаны опыты со скоростным вагоном-лабораторией с авиационным реактивным двигателем. На одном из участков Приднепровской дороги этот вагон развивал скорость до 250 км/ч. Нагрузка от колесной пары вагона на рельсы была 150 кН, поэтому напряжения в рельсах были очень малы - от 55 до 70 МПа. Главное здесь, на что следует обратить внимание, - это сравнительно небольшое нарастание напряжений в таком весьма большом диапазоне скоростей.
До сих пор рассматривались напряжения в рельсах, возникающие при их изгибе. Однако есть еще и другие виды напряжений, которые могут быть весьма опасными. В местах резкого изменения очертаний рельсов (например, переход от головки к шейке) и вокруг болтовых отверстий возникает концентрация местных напряжений. Чтобы уменьшить их, делают более плавные переходы по профилю рельса и стараются улучшить форму болтовых отверстий. Например, круглые отверстия лучше прежних овальных.
Особенно значительны контактные напряжения, образующиеся в месте контакта колеса и рельса. Контактная площадка очень мала (около 1,5 см²), поэтому большие нагрузки на эту площадку вызывают огромные напряжения в металле, достигающие 1500 - 2300 МПа. Из-за этих напряжений интенсивно развиваются контактные разрушения, особенно по наружным нитям кривых малого радиуса.
Контактные напряжения способствуют появлению дефектов 11.1, 11.2, 21.1, 21.2 (см. рис. 2.5). Чтобы уменьшить развитие этих дефектов, необходимы отличное текущее содержание пути и ходовых частей подвижного состава, а также повышение качества рельсовой стали.
