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

Bezstyková kolej (Continuous Welded Rail)

Otto Plášek, doc. Ing. Ph.D. Ústav železničních konstrukcí a staveb

Co je bezstyková kolej? n 

Kolej s průběžně svařenými kolejnicemi o délce nejméně: q 

n 

150 m (podle předpisu SŽDC S3/2 Bezstyková kolej)

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: n  n 

držebnost upevňovadel; bez závažných závad v geometrické poloze koleje.

Bezstyková kolej 19. 11. 2014

2

Osové síly v bezstykové koleji Kolejnice může volně dilatovat a pohybovat se:

Prodloužení kolejnice od teplotní změny:

Δl = l ⋅ α t ⋅ (T − TN )


3

Osové síly v bezstykové koleji Kolejnice nemůže volně dilatovat a pohybovat se:

Kolejnice se neprodlouží ani nezkrátí, ale vzniknou v ní deformace:

Δl l ⋅ α t ⋅ (T − TN ) ε =− = = −α t ⋅ (T − TN ) l l Pozn.: Tuto deformaci nelze mechanicky nedestruktivně měřit! Bezstyková kolej 19. 11. 2014

4

Osové síly v bezstykové koleji Kolejnice nemůže volně dilatovat a pohybovat se:

V důsledku poměrné deformace vzniknou v kolejnicích napětí:

σ = E ⋅ ε = −E ⋅ α t ⋅ (T − TN ) Odpovídající síla:

N = σ ⋅ A = −E ⋅ A ⋅ α t ⋅ (T − TN )

Část koleje, kde kolejnice nemůže volně dilatovat a pohybovat se, nazýváme střední část bezstykové koleje. Bezstyková koleje musí mít střední část. Bezstyková kolej 19. 11. 2014

5

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 αt. Osová ve střední části bezstykové koleje nezávisí na: §  délce bezstykové koleje.

N = σ ⋅ A = −E ⋅ A ⋅ α t ⋅ (T − TN ) 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. Bezstyková kolej 19. 11. 2014

6

Změna osové síly v bezstykové koleji vlivem posunutí ve směrovém oblouku n 

n 

n 

n 

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:

vc ΔTN = R ⋅ αt Např. pro poloměr R = 500 m, αt = 1,15.10-5 K-1 a posun koleje dovnitř o vc = 0,05 m dojde ke snížení neutrální teploty kolejnic o ΔTN = 8,7 °C. Pro poloměr R = 50 m a posun koleje dovnitř o vc = 0,01 m dojde ke snížení neutrální teploty kolejnic o ΔTN = 17,4 °C. Bezstyková kolej 19. 11. 2014

7

Změna osové síly v bezstykové koleji vlivem posunutí ve směrovém oblouku


8

Dýchající konec bezstykové koleje Kolejnice není na konci vetknutá, ale má možnost dilatovat:

rx

R

Místo vetknutí podélné síly přenáší: §  podélný odpor v uzlech upevnění nebo v uložení kolejového roštu rx; §  kolejnicové spojky nebo kontakt čel kolejnic, přenášená síla R. Oblast, kde se kolejnice pohybují, je dýchající konec bezstykové koleje. Bezstyková kolej 19. 11. 2014

9

Dýchající konec bezstykové koleje

rx

R

EAα t (TN − T ) − R rx

Délka dýchajícího konce

lk =

Posunutí koleje

rx (x − lk )2 u= 2 EA

Napětí a síla

σx =

rx ⋅ x + R ; N x = rx ⋅ x + R 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. Bezstyková kolej 19. 11. 2014

10

Průběh osových sil a napětí v dýchajícím konci Nx

ěh Průb

Nx EAα t(TN -T)

R

x

2

r0.lk 2EA

Průběh u lk

u

Skutečný průběh sil a posunutí v dýchajícím konci závisí na historii teplotního zatěžování!


11

Závěry z výpočtu osových sil

n 

n 

n 

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 rx = 15 kN.m-1, TN = 23 °C, T = -10 °C, pro dvě kolejnice UIC 60 je A = 1,535.10-2 m2, E = 210.109 Pa, at = 1,15.10-5 K-1 a R = 400.103 N. Dosazením do vztahů získáme délku dýchajícího konce lk = 54,9 m, zkrácení konce bezstykové koleje u = 7 mm, maximální vnitřní sílu 1 223 kN a odpovídající napětí 79,7 MPa.


12

Poruchy bezstykové koleje

n  n 

Lom kolejnice Vybočení koleje


13

Lom kolejnice

n  n 

n 

n 

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.


14

Tvary vybočení bezstykové koleje Teplotní zatížení

Ve svislé rovině Vlastní hmotnost

Ve vodorovné rovině

Teplotní zatížení kolejnice pražec

Příčný odpor Torzní odpor

Podélný odpor

y, v

n  x, u

Zóna vybočení

Symetrický tvar, jedna půlvlna

Dýchající zóna

n 

boční výchylky jsou značné, zhruba 0,5 – 0,75 m; vlnová délka poruchy se pohybuje v rozmezí 8 – 20 m;

y, v

Anti - symetrický tvar

x, u y, v

L 2 Zóna vybočení

Dýchající zóna

x, u

Symetrický tvar, tři půlvlny

L 2 y, v x, u

L1 2 L 2


15

Vybočení kolejnic ve svislém směru

Foto: www.prazsketramvaje.cz


16

(r = k .

v)

Příčný odpor koleje

-1

10 kN.m

Běžná hodnota

-1

Minimální hodnota dle ČD S3 pro betonové pražce r0

-1

Příčný odpor r [kN.m ]

7 kN.m

0

10

20

30

Příčná výchylka v [mm] !


17

Průběh boční výchylky při vybočení bezstykové koleje vB vC

boční výchylka v počáteční příčná výchylka v0

P

P

n  L0

Přírustek teploty

L

Podstatný vliv na vybočení koleje mají počáteční příčné odchylky v0, na délce L0 s amplitudou δ0 od ideální geometrické polohy koleje;

Nárůst boční výchylky v průběhu vybočení Stav před vybočením Stav po vybočení

B C

v0

vB

vC

Boční výchylka v


18

Teplotní přírůstek

Teoretická křivka pro explozivní vybočení

TB,MIN

C

B

TB,MAX

A S

Boční výchylka v


19

Průběh osových sil v koleji po vybočení

Před vybočením

Po vybočení

Nmax

Zóna vybočení

Dýchající zóna

Dýchající zóna

Nmax

No

L0 L


20

Kritická osová síla

Kritická osová síla

Koeficient lineárního odporu -2 k [Nm ]

Osová síla N [kN]

200000 3000

160000 120000

2000

80000

1000 0

[kN] 2000-3000

40000 0

5

10 15 20 25 30 35 40 45

1000-2000

0

0-1000

Délka L [m]

N k = 2 ⋅ EI z k ; ΔTk =

2 ⋅ EI z k

α t EA


21

Závislost kritické teploty na počáteční výchylce Lk = 7,75 ⋅ 4

EI z v0 EI z r0 Nk EI ; N k = 2,96 ⋅ = 177 2z ; ΔTk = r0 v0 α t EA Lk

100

20

90

18

80

16

70

14

60

12

50

10

40

8

Poloměr oblouku R = 500 m Odpor r 0 = 7 kN/m

30 20

6 4

10

2

0

0 0

10 20

30 40

50 60

70 80

Kritická délka L k [m]

Kritický přírůstekΔT [°C]

k

Průběh kritického přírůstku teploty a kritické délky v závislosti na počáteční výchylce

90 100 110 120 130

Počáteční výchylka v0 [mm] Kritický přírůstek Tk

Kritická délka Lk


22

Podmínky pro zřizování BK na tramvajových tratí (dle ČSN 73 6405) n  n 

n 

n 

Na tratích se zakrytým kolejovým ložem lze zřídit BK zpravidla bez omezení; Sporné ustanovení: Bezstyková kolej 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

Směrové poměry pro zřizování bezstykové koleje NEJMENŠÍ POLOMĚR OBLOUKU (M) Rozdělení

pražců

dřevěné

betonové

ŠIROKOPAT NÍ ŽLÁBKOVÉ VŠECHNY TVARY

„c“ „d“

ROZŠÍŘENÍ A NAVÝŠENÍ KOLEJOVÉHO LOŽE

Normální profil kolejového lože

bez kotev

550

s pražcovými kotvami na každém 3. pražci

2. pražci

pražci

400

350

300

250

600

470

400

360

300

550 500

400 330

330 270

280 230

250 200


23

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. 0.40

Xa Xb Xc 3,00

Převýšení [mm] 30 80 150

Xa [mm] 2400 2520 2690

Xb [mm] 2450 2570 2750

Bezstyková kolej

Xc [mm] 2570 2700 2870

Pražcové kotvy n 

Pražcové kotvy se používají v kolejích s příčnými pražci: q  q 

n 

n 

n 

n 

s otevřeným kolejovým ložem podle tabulky, 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. Bezstyková kolej

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.


26

Děkuji za pozornost doc. Ing. Otto Plášek, Ph.D. Ústav železničních konstrukcí a staveb Fakulta stavební VUT v Brně email: [email protected]


27

Použitá a doporučená literatura

[1] SŽDC s.o: Předpis S3 Železniční svršek. Schváleno generálním ředitelem SŽDC dne 3.6.2008 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 90-800324-3-3 [3] PLÁŠEK, O. Železniční stavby. Návody do cvičení. 2.doplněné vyd., Brno: CERM, s.r.o. Brno, 2003. 110 str. ISBN 80-7204-267-X


28

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

Recommend Documents