Bezstyková kolej. (Continuous Welded Rail) Otto Plášek, doc. Ing. Ph.D. Ústav železničních konstrukcí a staveb

Transkript

1 (Continuous Welded Rail) Otto Plášek, doc. Ing. Ph.D. Ústav železničních konstrukcí a staveb

2 Co je bezstyková kolej? Kolej s průběžně svařenými kolejnicemi o délce nejméně: q 150 m (podle předpisu SŽDC S3/2 ) Co musí splňovat bezstyková kolej: q q q q mít dostatečný podélný odpor proti posunutí kolejnic v uzlu upevnění a kolejového roštu v kolejovém loži, aby docházelo v minimální míře k putování kolejnic; mít dostatečný příčný odpor, aby byla zajištěna příčná stabilita kolejového roštu proti vybočení; mít dostatečnou hmotnost drážního svršku, aby byla zajištěna stabilita proti vybočení směrem vzhůru; mít zajištěnou dohlédací činnost a být udržována v dobrém technickém stavu, zejména: držebnost upevňovadel; bez závažných závad v geometrické poloze koleje

3 Osové síly v bezstykové koleji Kolejnice může volně dilatovat a pohybovat se: Prodloužení kolejnice od teplotní změny: Δl = l α t ( T T ) N

4 Osové síly v bezstykové koleji Kolejnice nemůže volně dilatovat a pohybovat se: Kolejnice se neprodlouží ani nezkrátí, ale vzniknou v ní deformace: ε = Δl l = l α t ( T T N ) l = α t ( T T N ) Pozn.: Tuto deformaci nelze mechanicky nedestruktivně měřit!

5 Osové síly v bezstykové koleji Kolejnice nemůže volně dilatovat a pohybovat se: V důsledku poměrné deformace vzniknou v kolejnicích napětí: Odpovídající síla: ( ) σ = E ε = E α t T T N N = σ A = E A α t ( T T N ) Část koleje, kde kolejnice nemůže volně dilatovat a pohybovat se, nazýváme střední část bezstykové koleje. e musí mít střední část

6 Osové síly v bezstykové koleji Osová síla ve střední části bezstykové koleje závisí na: rozdílu teplot; průřezové ploše kolejnic; materiálových charakteristikách na modulu pružnosti materiálu E a součiniteli teplotní roztažnosti α t. Osová ve střední části bezstykové koleje nezávisí na: délce bezstykové koleje. N = σ A = E A α t ( T T N ) Pozn.: Žlábkové kolejnice mají vyšší hmotnost na 1 m délky, tj. větší průřezovou plochu než Vignolovy (širokopatní) kolejnice a v bezstykové koleji budou vznikat větší síly

7 Změna osové síly v bezstykové koleji vlivem posunutí ve směrovém oblouku Jevem, charakteristickým pro kolej s malým příčným odporem, jsou patrné příčné pohyby v závislosti na teplotě. Tyto pohyby jsou nežádoucí, i když ve svém důsledku snižují osové síly v kolejnicích. Snížení osových sil je nepřímo úměrné poloměru oblouku a přímo úměrné posunutí. Změna neutrální teploty v závislosti na příčném posunu: ΔT N = v c R α t Např. pro poloměr R = 500 m, α t = 1, K -1 a posun koleje dovnitř o v c = 0,05 m dojde ke snížení neutrální teploty kolejnic o ΔT N = 8,7 C. Pro poloměr R = 50 m a posun koleje dovnitř o v c = 0,01 m dojde ke snížení neutrální teploty kolejnic o ΔT N = 17,4 C

8 Změna osové síly v bezstykové koleji vlivem posunutí ve směrovém oblouku

9 Dýchající konec bezstykové koleje Kolejnice není na konci vetknutá, ale má možnost dilatovat: R r x Místo vetknutí podélné síly přenáší: podélný odpor v uzlech upevnění nebo v uložení kolejového roštu r x ; kolejnicové spojky nebo kontakt čel kolejnic, přenášená síla R. Oblast, kde se kolejnice pohybují, je dýchající konec bezstykové koleje

10 Dýchající konec bezstykové koleje R r x Délka dýchajícího konce l k = EAα t ( T N T ) R r x Posunutí koleje Napětí a síla u = rx 2EA ( x l ) 2 rx x + R σ x = ; N x = rx x + A Pozn.: Nejmenší hodnoty podélného odporu dle SŽDC S3/2 v provozované koleji 7 kn na kolejnici v uzlu upevnění nebo 10 kn.m -1 proti posunutí kolejového roštu v kolejovém loži k R

11 Průběh osových sil a napětí v dýchajícím konci Nx Průběh Nx EAα (T -T) t N 2 r0.lk 2EA R Průběh u x lk u Skutečný průběh sil a posunutí v dýchajícím konci závisí na historii teplotního zatěžování!

12 Závěry z výpočtu osových sil Napětí a osová síla ve střední části bezstykové koleje je přímo úměrná teplotnímu přírůstku a nezávisí na délce bezstykové koleje. Délka dýchajícího konce je přímo úměrná teplotnímu rozdílu a nepřímo úměrná podélnému odporu koleje. Posun dýchajícího konce bezstykové koleje je nepřímo úměrný podélnému odporu koleje a roste se čtvercem teplotního rozdílu. Příklad: Předpokládejme r x = 15 kn.m -1, T N = 23 C, T = -10 C, pro dvě kolejnice UIC 60 je A = 1, m 2, E = Pa, a t = 1, K -1 a R = N. Dosazením do vztahů získáme délku dýchajícího konce l k = 54,9 m, zkrácení konce bezstykové koleje u = 7 mm, maximální vnitřní sílu kn a odpovídající napětí 79,7 MPa

13 Poruchy bezstykové koleje n n Lom kolejnice Vybočení koleje

14 Lom kolejnice Vzniklá spára po lomu kolejnice je zpravidla malá, asi 75 mm. Vliv na velikost spáry po lomu má podélný odpor koleje, tj. držebnost upevňovadel, kvalitní kolejové lože. Lom kolejnice zpravidla nezpůsobí vykolejení kolejového vozidla a nemá tak katastrofické následky jako vybočení. Lom kolejnice může být snadno indikován zabezpečovacím zařízením s kolejovými obvody. Teorie osových sil v bezstykové koleji po lomu je totožná s teorií osových sil v dýchajícím konci, přitom síla R na nově vzniklém konci bezstykové koleje v průřezu se uvažuje rovna nule

15 Tvary vybočení bezstykové koleje Teplotní zatížení Ve svislé rovině Vlastní hmotnost Ve vodorovné rovině Teplotní zatížení kolejnice pražec Symetrický tvar, jedna půlvlna Torzní odpor y, v x, u y, v Příčný odpor Podélný odpor Zóna vybočení Dýchající zóna boční výchylky jsou značné, zhruba 0,5 0,75 m; vlnová délka poruchy se pohybuje v rozmezí 8 20 m; Anti - symetrický tvar x, u L 2 y, v Zóna vybočení Dýchající zóna x, u Symetrický tvar, tři půlvlny y, v x, u L 2 L 2 1 L

16 Vybočení kolejnic ve svislém směru Foto:

17 Příčný odpor koleje kn.m (r = k.v) Běžná hodnota -1 7 kn.m Příčný odpor r [kn.m ] Minimální hodnota dle ČD S3 pro betonové pražce Příčná výchylka v [mm]! r

18 Průběh boční výchylky při vybočení bezstykové koleje vb vc boční výchylka v počáteční příčná výchylka v0 P L L0 P Podstatný vliv na vybočení koleje mají počáteční příčné odchylky v 0, na délce L 0 s amplitudou δ 0 od ideální geometrické polohy koleje; Přírustek teploty Stav před vybočením B Nárůst boční výchylky v průběhu vybočení Stav po vybočení C v0 vb vc Boční výchylka v

19 Teoretická křivka pro explozivní vybočení Teplotní přírůstek T B,MAX T B,MIN A B S C Boční výchylka v

20 Průběh osových sil v koleji po vybočení Před vybočením Po vybočení Nmax Dýchající zóna No Zóna vybočení Dýchající zóna Nmax L0 L

21 Kritická osová síla Kritická osová síla Osová síla N [kn] Délka L [m] Koeficient lineárního odporu k [Nm -2 ] [kn] N k = 2 EI z k ; ΔT k = 2 EI α EA t z k

22 Závislost kritické teploty na počáteční výchylce L k EI zv0 EI zr0 EI z = 7,75 4 ; N k = 2,96 = 177 ; 2 r v L 0 0 k ΔT k N k = α EA t Průběh kritického přírůstku teploty a kritické délky v závislosti na počáteční výchylce Kritický přírůstek ΔT k [ C] Poloměr oblouku R = 500 m Odpor r 0 = 7 kn/m Počáteční výchylka v 0 [mm] Kritická délka L k [m] Kritický přírůstek Tk Kritická délka Lk

23 Podmínky pro zřizování BK na tramvajových tratí (dle ČSN ) Na tratích se zakrytým kolejovým ložem lze zřídit BK zpravidla bez omezení; Sporné ustanovení: při použití širokopatních kolejnic (např. S 49) se zřizuje v délce 600 m až 800 m. Ukončení dýchajícího konce před pevnými body (kolejové křížení a rozvětvení, přejezdy, mosty apod.) musí být vždy opatřeno dilatačním zařízením. Na tratích s otevřeným kolejovým ložem v přímé a v oblouku podle hodnot v tabulce: Pražce Kolejnice Rozdělení pražců Směrové poměry pro zřizování bezstykové koleje Normální profil kolejového lože NEJMENŠÍ POLOMĚR OBLOUKU (M) ROZŠÍŘENÍ A NAVÝŠENÍ KOLEJOVÉHO LOŽE bez kotev s pražcovými kotvami na každém 3. pražci 2. pražci pražci dřevěné ŠIROKOPAT NÍ ŽLÁBKOVÉ betonové VŠECHNY TVARY c d

24 Profil kolejového lože a pražcové kotvy 1,75 1,70 1,70 b a p 0,10 c 1 1 :1,2 5 :1,2 5 min Xa Xb Xc 3,00 Převýšení [mm] Xa [mm] Xb [mm] Xc [mm]

25 Pražcové kotvy Pražcové kotvy se používají v kolejích s příčnými pražci: q s otevřeným kolejovým ložem podle tabulky, q se zapuštěným kolejovým ložem s převýšením koleje podle sloupců 6 až 8 tabulky. V přechodnicích se pražcové kotvy montují až do místa, které odpovídá příslušnému poloměru ve sloupci 5 tabulky. Montáž a údržba pražcových kotev se provádí podle návodu výrobce a Technických podmínek dodacích. Pražcové kotvy se montují do střední části pražců, excentricky směrem k vnitřnímu kolejnicovému pásu, vždy mimo pracovní prostor pěchů automatické strojní podbíječky. U ocelových pražců Y se pražcové kotvy nepoužívají.

26 Dilatační zařízení n n n Mají jednoznačně nepříznivý vliv na stav krytu tramvajové trati. Jejich použití má negativní vliv na stav osových sil po délce koleje, protože vytváří prostor pro podélný posun průřezů kolejnic (putování kolejnic). Pokud už jsou kolejnicová dilatační zařízení použita, je nutné soustavně čistit šikmou spáru mezi konci obou kolejnicových pásů, aby při jejím stlačování nedocházelo ke směrovému vybočování kolejnice

27 Děkuji za pozornost doc. Ing. Otto Plášek, Ph.D. Ústav železničních konstrukcí a staveb Fakulta stavební VUT v Brně plasek.o@fce.vutbr.cz

28 Použitá a doporučená literatura [1] SŽDC s.o: Předpis S3 Železniční svršek. Schváleno generálním ředitelem SŽDC dne pod č.j.: 9675/08-OP, účinnost od 1. října 2008 [2] ESVELD, C., Modern Railway Track. Second Edition. Delft, MRT Production, 2001, 2nd ed. 654 p. ISBN [3] PLÁŠEK, O. Železniční stavby. Návody do cvičení. 2.doplněné vyd., Brno: CERM, s.r.o. Brno, str. ISBN X