[11-2023] Анализ температурной работы звеньевого пути в пределах климатических зон

[Admin]

Анализ температурной работы звеньевого пути в пределах климатических зон

МАТВЕЦОВ В.И., канд. техн, наук

Определение номинальных стыковых зазоров при укладке звеньевого пути должно производиться расчетом, который учитывает длину рельсов, размер конструктивного зазора, годовую амплитуду изменения температур на конкретном участке сети, фактическую и экстремальную температуры. При этом расчет базируется на следующих требованиях:
стыковые болты не должны подвергаться изгибу зимой из-за значительных растягивающих сил;
температурные сжимающие напряжения в рельсах не должны превышать допустимых значений, обеспечивающих поперечную устойчивость пути летом;
конструктивный зазор должен полностью компенсировать температурные перемещения концов рельсов (его неполное использование приводит к увеличению продольных сжимающих сил).
Проверим соответствие перечисленных требований современным нормативам установки стыковых зазоров на звеньевом пути с 25-метровыми рельсами.

Вся сеть Российских железных дорог разделена на три климатические зоны (регионы), согласно которым и осуществляется установка зазоров звеньевого пути. Первая зона — самая суровая — включает пункты, в которых годовая амплитуда колебания температуры рельсов превышает 100 °C, вторая зона — умеренная — распространяется на территории с амплитудой от 80 до 100 °C, а третья — южная — имеет наименьшую амплитуду — менее 80 °C (южная зона крайне мала и практически отсутствует на дорогах РФ). В границах каждой зоны рекомендуется содержать одинаковые стыковые зазоры, устанавливая их нулевые значения соответственно при температурах 30, 40 и 50 °C.
Максимальная расчетная температура на дорогах ОАО «РЖД» варьирует от 49 до 67 °C. Учитывая существующие требования к установке нулевых зазоров, наибольшие фактические перепады температур на сжатие в указанных зонах могут достигать 37, 27 и 17 °C соответственно (при идеальной точности первоначальной установки зазоров и последующего их содержания). Данные перепады температур вызывают торцевое давление и возникновение сжимающих сил в рельсовой нити. Максимально возможные сжимающие температурные силы достигают в трех рассмат
риваемых зонах соответственно 1517, 1107 и 697 кН в момент наступления максимальной расчетной температуры. Отступления и ошибки при укладке пути и его содержании вызывают дополнительные температурные силы, которые при рельсах типа Р65 составляют 140 кН на каждый миллиметр ошибки при установке фактических зазоров.
Минимальная расчетная температура рельсов на сети колеблется от -28 до -60 °C. При этом выполнение существующих требований к величинам зазоров при 25-метровых рельсах в указанных зонах приводит к тому, что зимой при температуре ниже -41, -31 и -21 °C после раскрытия стыка более конструктивного значения, болты включаются в работу на изгиб. В растянутых сверх нормы стыках с торцов рельсов возникают козырьки (наплывы) металла, которые летом, с появлением и ростом торцевого давления, провоцируют выколи в верхней части головки по поверхности катания длиной 15—20 мм под колесами подвижного состава. Эти выколы, естественно, увеличивают зазоры в стыках, что приводит к дальнейшему усилению динамического воздействия подвижного состава на рельсы в стыковой зоне и преждевременному выходу их из строя.

Наибольшие перепады температуры, создающие изгиб болтов в первой и второй зонах, могут достигать 19 и 29 °C (при идеальной установке зазоров), что вызывает растягивающие температурные силы 780 и 1190 кН соответственно. Такие силы в момент наступления минимальных расчетных или близких к ним температур после среза болтов приведут к разрыву стыков, что напрямую угрожает безопасности движения поездов. С учетом ошибок и отступлений в установке и содержании зазоров растягивающие температурные силы могут значительно возрасти и еще в большей степени осложнить условия работы и эксплуатации звеньевого пути.
Проанализируем последствия, к которым приводит выполнение существующих требований по первоначальной установки стыковых зазоров 25-метровых рельсов на сети дорог ОАО «РЖД». Для наглядности разберем последствия назначения одинаковых зазоров в пределах первого и второго климатических регионов, диапазон крайних температур которых одинаков и равняется 20 °C. Получается, что согласно действующим нормативам участки звеньевого пути с 25-метровыми рельсами, находящиеся на противоположных границах зон, должны быть уложены с одинаковыми зазорами при разности в 20 °C, так как годовая температурная амплитуда первой зоны изменяется от 100 до 120 °C, а второй от 80 до 100 °C. Какие при этом температурные силы и деформации возникнут в рельсах?
В звеньевом пути, расположенном в регионе у нижней границы годовой температурной амплитуды, температурные силы при рельсах типа Р65 будут меньше на 41x20 = 820 кН по сравнению с силами, возникшими в пути, находящемся у верхней границы амплитуды (см. рисунок). Соответственно будут отличаться друг от друга сжимающие и растягивающие температурные силы, зависящие от экстремальных значений температур на границах регионов.

Годовые деформации рельсов на противоположных границах региона будут отличаться друг от друга на 6 мм из расчета изменения длины 25-метрового рельса на 0,295 мм при изменении температуры на 1 °C. В итоге получаем, что в пределах одной зоны температурные силы отличаются друг от друга до 820 кН, а деформации рельсов — до 6 мм.
Разве это нормально? Где логика? Почему в пределах одного региона сжимающие и растягивающие температурные силы должны отличаться столь значительно? При этом после закрытия стыковых зазоров эти силы невозможно будет контролировать, так как звеньевой путь начнет работать в режиме бесстыкового. При отсутствии зазоров нельзя адекватно оценить напряженное состояние 25-метровых рельсов и угрозу выброса рельсошпальной решетки.
Можно поправить положение и сделать силы и деформации рельсов в пределах одного региона одинаковыми, если установить в нарушение действующей инструкции стыковые зазоры на пути, проходящим у нижней температурной границы, отличающимися на 6 мм от зазоров на пути, находящемся у верхней границы. Выходит, что для создания оптимальных условий эксплуатации 25-метровых рельсов в отдельных пунктах региона необходимо устанавливать стыковые зазоры, отличающиеся от рекомендуемых от 1 до 6 мм. При этом уравняются температурные силы и будет обеспечиваться оптимальная работа и условия эксплуатации звеньевого пути. Следовательно для противоположных границ первой и второй климатических зон действующие нормативы установки стыковых зазоров не обеспечивают оптимальной работы звеньевого пути и поэтому должны быть отменены.
Теперь рассмотрим, чем отличается температурная работа звеньевого пути в пунктах, близких к границам зон, и в пунктах, расположенных в середине зон, т. е. там, где годовые температурные амплитуды соответственно равны 90 и 110 °C. Для них разность амплитуд составляет ±10 °C (см. рисунок), а разность температурных сил — 41 * 10 = 410 кН, что вдвое меньше, чем для объектов, находящихся у противоположных границ зон. При этом вдвое уменьшается и разность деформаций 25-метрового рельса, которая составляет 0,295 х ю = 3 мм. Это говорит о том, что для улучшения работы звеньевого пути температурная градация зон должна быть уменьшена, т. е. их число увеличено. Однако это мы уже проходили: в первых инструктивных указаниях на укладку и содержание длинных рельсов, разработанных в 1941 г., вся сеть была разбита аж на 12 зон с разностью в 5 °C. Да, это позволяло добиться точности установки зазоров 1,5 мм при укладке пути и снизить разность температурных сил на крайних границах зон до 205 кН. Однако вряд ли следует признать целесообразным столь большое количество зон, которое еще более усложняет определение номинальных стыковых зазоров и соответствующих им температур.

Существует и еще один важный аргумент против увеличения числа зон. При сближении годовых амплитуд колебания температуры рельсов можно было бы предположить, что в пунктах с одинаковой амплитудой будут одинаковые температурные силы и деформации. Однако это справедливо только при условии, что в этих пунктах будут равны и экстремальные температуры. Во всех остальных случаях температурные сжимающие и растягивающие силы будут разными, но это уже отдельный разговор.
Приведенный анализ позволяет сделать вывод о порочности способа назначения зазоров по зонам, крупные они будут или мелкие. Поэтому надо принципиально изменить подход к определению номинального размера зазора. Для создания оптимальных условий эксплуатации звеньевого пути в каждом пункте следует устанавливать свои зазоры, отталкиваясь от