ŽELEZNIČNÍ STAVBY II

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ

OTTO PLÁŠEK, PAVEL ZVĚŘINA, RICHARD SVOBODA, VOJTĚCH LANGER

ŽELEZNIČNÍ STAVBY II MODUL 6 BEZSTYKOVÁ KOLEJ

STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

ŽELEZNIČNÍ STAVBY II · Modul 6

© Otto Plášek, Pavel Zvěřina, Richard Svoboda, Vojtěch Langer, Brno 2006

- 2 (34) -

Bezstyková kolej

OBSAH Úvod....................................................................................................................4 Cíle ...............................................................................................................4 Požadované znalosti .......................................................................................4 Doba potřebná ke studiu .................................................................................4 Klíčová slova ..................................................................................................4 9 Bezstyková kolej ...........................................................................................5 9.1 Vývoj a typy bezstykové koleje ............................................................5 9.2 Výpočet osových sil ..............................................................................7 9.2.1 Rozložení osových sil po délce bezstykové koleje ...............10 9.3 Poruchy bezstykové koleje..................................................................11 9.3.1 Vybočení koleje ....................................................................11 9.3.2 Lom kolejnic .........................................................................12 9.4 Teorie stability bezstykové koleje.......................................................13 9.4.1 Vybočení bezstykové koleje indukované jízdou vlaků.........22 9.5 Podmínky pro zřizování bezstykové koleje ........................................24 9.5.1 Železniční svršek ..................................................................25 9.5.2 Bezstyková kolej na poddolovaném území...........................27 9.5.3 Upínací teplota ......................................................................27 9.6 Technologie zřizování bezstykové koleje ...........................................28 9.6.1 Technologie svařování kolejnic ............................................30 Závěr.................................................................................................................33 Shrnutí ..........................................................................................................33 Studijní prameny ..........................................................................................33 Seznam použité literatury....................................................................33 Seznam doplňkové studijní literatury .................................................33 Odkazy na další studijní zdroje a prameny .........................................33 Klíč .............................................................................................................34

- 3 (34) -


Úvod Cíle V tomto bloku se soustředíte na bezstykovou kolej. Nejprve si vysvětlíme základní principy. Na ně naváže výklad teoretických základů bezstykové koleje a také jejích poruch. Druhá část je zaměřena na praktickou znalost podmínek pro zřizování bezstykové koleje a technologie její zřizování.

Požadované znalosti Kromě základních znalostí terminologie z oblasti železničního svršku a spodku zde již budete potřebovat znalost konstrukce železničního svršku z předchozích modulů. Pro pochopení teoretických základů bezstykové koleje budete potřebovat znalosti pružnosti a pevnosti a stavební mechaniky.

Doba potřebná ke studiu Studium modulu si rozdělte na dva bloky: • Terino osových sil v bezstykové koleji, poruchy bezstykové koleje a stabilita bezstykové koleje • Podmínky pro zřizování bezstykové koleje a technologie její zřizování. Studium prvního bloku je opět náročnější na pochopení teorie. Při studiu nespěchejte a všechny nejasnosti konzultujte s vedoucím kurzu. Nastudovanou látku pečlivě procvičte na konkrétních příkladech. Druhý blok pro prostudování procvičte na kontrolních otázkách. Celkově by Vám měl tento modul zabrat 9 hodin studia.

Klíčová slova bezstyková kolej, stabilita bezstykové koleje, upínací teplota, neutrálná teplota, vybočení koleje, lom kolejnice

- 4 (34) -

Závěr

9

Bezstyková kolej

V počátcích železničního stavitelství byla zakotvena zásada, že kolejnici musí být umožněna volná dilatace tak, aby v ní nevznikaly žádné osové síly od změny délky kolejnice vyvolané teplotními změnami. Kolejnicový styk je však slabé místo v konstrukci kolejového roštu. Je charakterizován snížením parametrů průřezových charakteristik ve svislém i příčném směru. Kolejnicové styky jsou zdrojem zvýšeného hluku a dynamického namáhání. Jsou náročné na údržbové práce a jejich kvalitu. Odstraněním kolejnicového styku dochází ke snižování nákladů na údržbu, podle některých pramenů až o 20 %. Zřízení koleje bez kolejnicových styků – bezstykové koleje – však vede k jejímu zatížení značnými osovými silami od změny teploty. Bezstyková kolej je kolej s průběžně svařenými kolejnicemi v kolejích i výhybkách. Za bezstykovou kolej se podle předpisu ČD S3/2 považuje kolej delší než 150 m. Osová síla v bezstykové koleji je zásadní faktor ovlivňující vznikající poruchy, jak lomy kolejnic v zimním období, tak ztrátu stability a následné vybočení koleje v letním období. Proto je velmi důležité zjistit velikosti sil, které v bezstykové koleji vznikají, a jejich rozdělení po délce koleje, ať už měřením nebo výpočtem. Velikost osových sil může být odvozena a spočítána, pokud je známa aktuální hodnota neutrální teploty. Nedestruktivní metody měření osových sil či neutrální teploty byly předmětem výzkumů. Velmi důležitá je také distribuce podélných osových sil vzhledem k různým podmínkám, v nichž se bezstyková kolej nachází – výhybkové konstrukce, mostní konstrukce, tunely, dilatační zařízení, různé sluneční osvícení či zastínění. Značný vliv na rozložení sil má také stav štěrkového lože a závady na železničním spodku. Dalšími výraznými vlivy jsou provozní účinky, brždění a rozjíždění vlakových souprav. Znalost a pochopení těchto vlivů umožňuje nalezení nebezpečných míst na trati a účinnou prevenci.

9.1

Vývoj a typy bezstykové koleje

Kolejnice ve stykované koleji jsou odděleny dilatačními spárami, které umožňují změnu délky kolejnic ∆l = l ⋅ α t ⋅ (T − TN ) (1)

kde ∆l ....................................prodloužení kolejnice [m] l.......................................délka kolejnice [m] αt .....................................součinitel teplotní roztažnosti [K-1], pro kolejnicovou ocel se uvažuje αt = 1,15.10-5 K-1 (používají se i hodnoty vyšší, až do 1,2.10-5 K-1) T .....................................aktuální teplota kolejnice [°C] TN ....................................neutrální teplota kolejnice [°C]

- 5 (34) -


Neutrální teplota je teplota, při níž je osová síla v daném úseku koleje nulová. Původní hodnota neutrální teploty je teplota upínací, tj. teplota při zřízení bezstykové koleje. Tato teplota se však vlivem údržby, odstraňování závad, špatného stavu upevnění a následným putováním kolejnic, po dobu životnosti bezstykové koleje mění. Vzhledem k dynamickým účinkům byla stanovena pro dilatační spáru maximální hodnota 20 mm. Pro rozsah teplot -30°C až +60 °C vychází délka kolejnice 19,3 m, po zaokrouhlení 20 m. Tato délka nebyla dlouhou dobu překračována. Se zavedením dokonalejších systémů upevnění kolejnice na pražci se ukázalo, že dilatační spáry se neuzavírají ani při vyšších teplotách a že upevnění klade účinný odpor proti posunutí kolejnice v podélném směru. Tato skutečnost umožnila používání kolejnic větší délky (25 – 30 m) s tím, že se připustilo uzavření dilatačních spár při teplotě kolejnicové oceli 30 °C. Vlivem provozu a putování kolejnic však v mnoha případech dochází k uzavírání dilatačních spár při teplotě nižší. Zvyšováním teploty kolejnicové oceli po uzavření dilatačních spár vznikají v koleji podélné osové síly, kolejový rošt je namáhán na vzpěr. Zkušenosti potvrdily, že konstrukce koleje vykazuje dostatečnou odolnost proti vybočení, pokud je zřízena za určených podmínek a je správně udržována. Odolnost proti vybočení je dána roštovou tuhostí konstrukce koleje, příčnými a podélnými odpory štěrkového lože. Během vývoje byly dle konstrukce použity dva druhy bezstykové koleje: Bezstyková kolej s kolejnicemi pevně ukotvenými v podélném směru pouze v krátké střední části uprostřed délky, ve zbývající části kolejnice volně dilatují. Tento typ bezstykové koleje vyžaduje na koncích kolejnic dilatační zařízení se značným rozsahem posunů. Tento typ je pouze historický, od jeho používání se záhy upustilo. Bezstyková kolej s pevným upevněním kolejnic po celé délce, dělí se dál podle způsobu ukončení: • kolej s dilatačním zařízením na konci • kolej s částečně regulovaným napětím • kolej s plným napětím od teplotních změn.

Dilatační zařízení na konci bezstykové koleje umožňuje posuny konců kolejnic, předchází se přetěsnění styků a nadměrnému otvírání dilatačních spár, snižuje se riziko poruch. U koleje s částečně regulovaným napětím se na koncích bezstykové koleje vkládají tři vyrovnávací kolejová pole, která jsou tvořená kolejnicemi normální délky. Před příchodem letního období se tyto kolejnice vyměňují za kratší, aby se umožnil větší posun konců kolejnic. U koleje s plným napětím se na koncích zřizují běžné kolejnicové styky. Tento typ je nejrozšířenější

- 6 (34) -

Závěr

9.2

Výpočet osových sil

Při výpočtu osových sil se vychází z řešení rovnice rovnováhy pro infinitní element náhradního prutu, představujícího v ose koleje kolejový rošt. V tomto náhradním prutu vzniká osová síla Nx. Element je namáhán od teploty a od vnějšího zatížení qx. Proti posunutí koleje působí odpor rx. Podélný odpor brání dilatačnímu pohybu kolejnic a změně délky kolejnic od teplotních změn. Na jeho velikost má vliv odpor proti posunutí kolejnic v upevňovadlech a odpor proti podélnému posunutí kolejového roštu v kolejovém loži. Situace elementu tohoto prutu je na Obr. 1.

x

rx

Nx -z

Nx+dNx qx dx

Obr. 1 – Element prutu (koleje)

Rovnice rovnováhy má po úpravě tento tvar dN x = rx − q x dx (2)

Po dosazení do (2) z elementárních rovnic analýzy prutu N du − α t ⋅ (T − TN ) = x dx EA (3)

získáme základní diferenciální rovnici EA

d 2u = rx − q x dx 2 (4)

kde A .....................................plocha průřezu dvou kolejnic [m2] E .....................................modul pružnosti, pro kolejnicovou ocel E = 2,1.1011 Pa u......................................posunutí průřezu v ose koleje [m]

V dalším nebude uvažováno podélné zatížení qx představující např. brzdné a rozjezdové síly. Pro řešení této rovnice je zásadní průběh podélného odporu rx jako funkce posunutí u. Skutečný průběh podélného odporu proti posunutí koleje se nahrazuje matematickou funkcí. Skutečné průběhy podélného odporu a náhradní matematické funkce jsou detailně popsány v následujících kapitolách. Nejednodušší vyjádření podélného odporu rx jako funkce posunutí u je • rx = 0

pro u = 0

• rx = r0 ⋅ sign(TN − T )

pro u ≠ 0 (5)

- 7 (34) -


tj. kladných hodnot odpor rx nabývá při tahových osových napětích, záporných hodnot při tlakových. Standard Českých drah stanoví nejmenší hodnoty podélných odporů v provozované koleji 7 kN na kolejnici v uzlu upevnění a 10 kN.m-1 proti posunutí kolejového roštu v kolejovém loži. Pro u = 0, tj. pro střední část koleje dosazením do elementární rovnice analýzy prutu (3) získáme hodnoty vnitřní osové síly a odpovídajícího napětí N x = EAα t (TN − T ) (6)

σ x = Eα t (TN − T )

(7)

Tyto vztahy odpovídají chování oboustranně vetknutého prutu a platí pro střední část bezstykové koleje, která je bez posunů. Změna teploty kolejnice o každý 1 °C se projeví změnou napětí σx přibližně o 2,4 MPa, podélné osové síly přibližně o 19 kN pro kolejnice UIC 60 a 15 kN pro kolejnice tvaru S 49. Na koncích bezstykové koleje se nachází oblast, kde dochází k posunutím průřezů kolejnice, tj. u ≠ 0. Tato oblast je tzv. dýchající konec o délce lk, pro kterou platí lk

R + ∫ rx dx = EAα t (TN − T ) 0

R = RS ⋅ sign(TN − T ) (8)

kde R ................................... osová síla v koncovém průřezu bezstykové koleje představující třecí odpor kolejnicových spojek a při vyčerpání dilatační spáry kontaktní sílu [N] RS ................................... velikost osové síly v koncovém průřezu [N]

Dýchající konec je část bezstykové koleje na jejím začátku a konci, mezi nimi je zpravidla střední část. V dýchajícím konci dochází v důsledku teplotních změn k dilatačním pohybům kolejnic. Pohyby se projeví změnou velikosti koncové spáry nebo polohou hrotu v dilatačním zařízení. Délka dýchajícího konce závisí na podélném odporu koleje a velikosti síly v koncovém průřezu. Pro výpočet délky dýchajícího konce, kde u ≠ 0, platí lk =

EAα t (TN − T ) − R rx (9)

Dýchající konec se uvažuje zpravidla v délce 75 m. Po dvojí integraci a úpravě základní diferenciální rovnice (4) získáme vztah

u=

rx 2 x + c1 x + c2 2 EA (10)

- 8 (34) -

Závěr

Integrační konstanty c1 a c2 odpovídají příslušným okrajovým podmínkám du (0) R = + α t (T − TN ) dx EA

dosazením z (3) (11)

u(lk ) = 0 (12)

Po dosazení těchto okrajových podmínek do (10) a úpravou získáme řešení u=

rx (x − lk )2 2 EA (13)

Záporné hodnoty posunutí znamenají viz Obr. 2 prodloužení dýchajícího konce, kladné hodnoty zkrácení. Pro příslušné napětí a vnitřní sílu pak po úpravě platí vztahy

σx =

rx ⋅ x + R ; N x = rx ⋅ x + R A (14)

Typické průběhy osových sil a posunů pro dýchající konec jsou uvedeny na Obr. 2. Nx ěh Průb

Nx EAα t(TN -T)

R

x

2

r0.lk 2EA

Průběh u lk

u

Obr. 2 – Průběh osových sil a napětí v dýchajícím konci

Z výše uvedených vztahů je zřejmé několik důležitých okolností: • 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.

- 9 (34) -


9.2.1

Rozložení osových sil po délce bezstykové koleje

Bezstyková kolej není vystavena po celé délce stejnému teplotnímu zatížení. Nastává množství situací: různé oslunění, zastínění mraky či okolím, tunely, okolí tunelových portálů, mosty. Proměnné teplotní zatížení vyvolává také proměnné osové síly a související podélné posuny kolejnic. Ty, jak bylo uvedeno výše, dále závisí na podélném odporu koleje, který je po délce také proměnný, je ovlivněn použitou konstrukcí železničního svršku a jeho stavem, vloženými konstrukcemi železničních přejezdů, konstrukcí železničního svršku na mostních konstrukcích apod. Uvedené vlivy mohou vést ke koncentraci napětí a sil v částech bezstykové koleje. Taková místa jsou potenciálně nebezpečná z hlediska vybočení či lomů kolejnic. Příklad 9.2.1

Stanovte délku dýchajícího konce, posun konce bezstykové koleje, maximální vnitřní sílu a jí odpovídající napětí, jestliže r0 = 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, αt = 1,15.10-5 K-1 a R = 400.103 N. Kontrolní otázky

Co je to bezstyková kolej?

- 10 (34) -

Závěr

9.3

Poruchy bezstykové koleje

Existují dvě základní kategorie poruch konstrukce bezstykové koleje: • vybočení koleje • lom kolejnice

9.3.1

Vybočení koleje

Odstranění dilatačních spár svařením kolejnicových styků vede při teplotním zatížení bezstykové koleje ke značnému namáhání, jak bylo popsáno výše. Při kladném teplotním přírůstku vznikají v kolejnicích tlakové účinky, kolejový rošt je namáhán na vzpěr a hrozí ztráta jeho stability a následné vybočení bezstykové koleje. Výsledné boční výchylky jsou značné, zhruba 0,5 – 0,75 m, vlnová délka poruchy se pohybuje v rozmezí 8 – 20 m v závislosti na konstrukci koleje. Takto deformovaná geometrická poloha koleje je velmi nebezpečná, v případě přejezdu kolejových vozidel končí téměř bez výjimky vykolejením, často s tragickými následky a značnou škodou. K vybočení dochází zpravidla ve vodorovné rovině, ve svislé rovině je méně časté vzhledem k vlastní hmotnosti a vyšší tuhosti kolejnic v tomto směru. V případě takového vybočení ve svislé rovině má kolej tendenci vybočit i ve vodorovné rovině. Typické tvary koleje po vybočení jsou uvedeny na Obr. 3 a Obr. 4. Deformovaný tvar může odpovídat poloviční sinusoidě, případně je složením více vln ve tvaru sinusoidy. Vlny mohou být symetrické nebo anti-symetrické kolem středového bodu. Tvar výsledné deformační křivky je závislý na průběhu počátečních imperfekcí geometrické polohy koleje. V případě vybočení koleje dochází k uvolnění podélných posunů koleje a zóny za deformačními vlnami přebírají chování dýchajícího konce bezstykové koleje – dýchající zóny. V těchto zónách nedochází k bočním posunům a mají délku odpovídající vztahům uvedeným výše. Zásadní vliv na stabilitu bezstykové koleje má zatížení kolejovými vozidly. Samotné teplotní zatížení vytváří předpoklady pro vybočení koleje, vybočí-li kolej, hovoříme o tzv. „statickém“ vybočení koleje. Vybočení koleje při kombinaci teplotního zatížení a zatížení kolejovou dopravou představuje tzv. „dynamické“ vybočení. Odolnost proti dynamickému vybočení je nižší než proti statickému. Teplotní zatížení

Vlastní hmotnost

Obr. 3 – Vybočení kolejového roštu ve svislé rovině

- 11 (34) -


Teplotní zatížení kolejnice pražec

Příčný odpor Torzní odpor

Podélný odpor

y, v

x, u

Zóna vybočení

Symetrický tvar, jedna půlvlna

Dýchající zóna

y, v x, u

Anti - symetrický tvar

y, v

L 2 Zóna vybočení

Dýchající zóna

x, u

L 2

Symetrický tvar, tři půlvlny

y, v x, u

L1 2 L 2

Obr. 4 - Tvary vybočení bezstykové koleje ve vodorovné rovině

9.3.2

Lom kolejnic

Bezstyková kolej není vystavena pouze tlakovému namáhání, je vystavena také tahovým silám. Maximální tahová síla v bezstykové koleji vzniká při nejnižších teplotách kolejnic. Tato síla může způsobit lom kolejnice, který nastává v místech metalurgických nebo jiných vad. 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. Další výhodou je snadná indikace lomu kolejnic zabezpečovacím zařízením s kolejovými obvody. Z těchto důvodů se rozmezí upínacích teplot většinou posouvá směrem k vyšším teplotám tak, aby se zamezilo nebezpečnému vybočení koleje. Teorie osových sil v bezstykové koleji po lomu je totožná s teorií osových sil v dýchajícím konci tak, jak byla uvedena v předcházející kapitole. Síla R na nově vzniklém konci bezstykové koleje v průřezu, přilehlém lomové spáře, je rovna nule. - 12 (34) -

Závěr

9.4

Teorie stability bezstykové koleje

Většina vybočení bezstykové koleje připadá na vrub dynamického vybočení. Na statické analýze lze instruktivně ukázat mechanismus vybočení, protože je podstatně jednodušší. Vyloučeno bude také vybočení ve svislé rovině jako málo pravděpodobné. Podstatný vliv na vybočení koleje mají počáteční příčné odchylky v0, na délce L0 s amplitudou δ0 od ideální geometrické polohy koleje. Experimenty a měřeními se ukázalo, že existuje kritická teplota TB, při které dojde k náhlému a načnému nárůstu boční výchylky v na délce vlny L, dokud není dosaženo nového rovnovážného stavu po vybočení. Další teplotní zatížení způsobí opět jen postupný nárůst výchylek. Tento typický průběh maximálních posunů v v závislosti na teplotě je na Obr. 5.

vB vC

boční výchylka v počáteční příčná výchylka v0

P

P L0

Přírustek teploty

L

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

B C

v0

vB

vC

Boční výchylka v

Obr. 5 - Průběh boční výchylky při vybočení bezstykové koleje

- 13 (34) -


Teplotní přírůstek

Teoreticky lze mezi body B a C nalézt pro odpovídající výchylku v příslušné teplotní zatížení. Tyto rovnovážné stavy nelze při jednoduchých pokusech zaznamenat. Na Obr. 6 je kompletní teoretická křivka výchylky v v závislosti na teplotním přírůstku.

TB,MIN

C

B

TB,MAX

A S

Boční výchylka v

Obr. 6 – Teoretická křivka pro explozivní vybočení

Všechny rovnovážné stavy mezi body B a S jsou nestabilní, stavy mezi body S a C jsou stabilní. Teplota odpovídající bodu S je definován jako TB,MIN, minimální teplota vybočení. Teplota odpovídající bodu B je definována jako TB,MAX, maximální teplota vybočení. Praktický význam minimální teploty vybočení TB,MIN spočívá v tom, že při nárůstu teploty z bodu A křivky může po dosažení této teploty kolej vybočit při dostatečném vnějším impulsu (např. zatížení kolejovými vozidly). Kolej bez přispění vnějších sil vybočí v bodě B při teplotě TB,MAX. Typickým znakem pro explozivní vybočení koleje je náhlý pokles osových sil v zóně vybočení, okolní zóny mají chování dýchajících konců. Průběh osových sil v koleji po vybočení je na Obr. 7. Před vybočením

Po vybočení

Nmax

Zóna vybočení

Dýchající zóna No

L0 L

Obr. 7 – Průběh osových sil v koleji po vybočení

- 14 (34) -

Dýchající zóna

Nmax

Závěr

Diferenciální rovnice Řešení stabilitního problému spočívá v řešení rovnic rovnováhy pro podélný a příčný směr. Při odvození diferenciálních rovnic pro příčný směr nelze zavést předpoklad o velmi malých posunech a deformacích, a tedy zanedbat v geometricko-deformačních rovnicích druhé mocniny derivací složek posunutí. V analýze prutu platí rovnice pro podélnou deformaci du 1  d (v + v0 )  + ⋅ εx =  − α t ⋅ (T − TN ) dx 2  dx  2

2

1  dv  pro ⋅  0  ≈ 0 2  dx  2

du 1  dv  dv dv0 + ⋅  + ⋅ − α t ⋅ (T − TN ) εx = dx 2  dx  dx dx (15) v......................................funkce boční výchylky (v ose y) [m] v0.....................................funkce počáteční boční výchylky [m]

Rovnice (15) vyjadřuje vztah mezi podélnou deformací a posuny. V zóně vybočení předpokládáme konstantní osovou sílu Nx a neuvažujeme působení podélného odporu. Pro tzv. podélný ohyb platí pro ohybový moment na přetvořeném prutu v souladu s teorií 2. řádu Mz = Mz

(1)

+ Mz

(2 )

= Mz

(1)

± N x ⋅ (v + v0 ) (16)

kde horní (dolní) znaménko odpovídá tlaku (tahu). Po dosazení z elementární diferenciální rovnice analýzy prutu −Mz

(1)

= EI z ⋅

d 2v dx 2 (17)

získáme rovnici

EI z ⋅

d 2v m N x ⋅ (v + v0 ) = − M z dx 2 (18)

Předpokládáme, že pro příčný odpor proti vybočení platí rovnice rovnováhy elementu

drxy d 2M z = ry + − qy 2 dx dx (19) ry .....................................funkce ry (v) pro příčný odpor

 dv   pro torzní tuhost upevnění  dx 

rxy ....................................funkce rxy 

qy ....................................příčné spojité zatížení

- 15 (34) -


x qy Qy Mz+dMz

Mz dx

Qy+dQy

ry

-y

Obr. 8 – Element prutu

Po dvojí derivaci diferenciální rovnice (18) za předpokladu, že Nx je konstantní a neuvažujeme počáteční imperfekci v0 , získáme základní diferenciální rovnici pro zónu vybočení

EI z ⋅

drxy d 4v d 2v N ± ⋅ = q y − ry − x 4 2 dx dx dx (20)

V dýchající zóně před a za vybočením řešíme stejné rovnice jako pro dýchající konec bezstykové koleje a předpokládáme v = 0.

Kritická osová síla Výpočet kritické osové síly závisí na uvažovaných okrajových podmínkách. V nejjednodušším případě předpokládáme přímý prut zatížený osovou silou. Tento model je vyobrazený na Obr. 10 Zavedeme-li počátek souřadné soustavy do středu zóny vybočení jsou okrajové podmínky

 L  L v −  = 0; v  = 0  2 2 (21)

Uvažujeme nejprve příčný odpor konstantní pro body koleje, které vykazují příčný posun, a nulový pro body, které příčný posun nevykazují.

ry = 0

pro v = 0

ry = r0 ⋅ sign v

pro v ≠ 0 (22)

Podle standardu Českých drah je průměrná hodnota příčných odporů r0 = 7 kN.m-1 (4,2 kN na pražec) u koleje s betonovými pražci nebo 5 kN.m-1 (3,0 kN na pražec) u koleje s dřevěnými pražci. Velikost příčného odporu závisí na hmotnosti a druhu pražců a na parametrech kolejového lože (na tloušťce, příčném řezu, vlastnostech kameniva a míře stabilizace).

- 16 (34) -

(r = k .v )

Závěr

-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]

Obr. 9 – Typický průběh příčného odporu v závislosti na příčné výchylce koleje

Dále předpokládejme, že příčné zatížení qy = 0 a odpor v uzlu upevnění zanedbáme. Pro kritickou sílu, při níž dojde ke ztrátě stability, je možné odvodit stejný vztah jako pro kritickou sílu prutu bez příčného odporu a řešení se redukuje na známý výpočet kritického břemene pro stabilitu štíhlého prutu dle Eulera

n 2π 2 N k = EI z 2 L (23) L ....................................délka vlny při vybočení [m] n......................................počet vln

Z tohoto důvodu je do výpočtu nutno zavést počáteční směrovou výchylku v0. Tento případ je pojednán později, viz. Obr. 12. ry=k.v

y, v x, u

Nx

Nx

L/2 L

Obr. 10 – Vybočení přímého prutu s příčným odporem lineárně závislým na výchylce

- 17 (34) -


Je zřejmé, že toto řešení nepostihuje reálné chování bezstykové koleje, u které kritická osová síla závisí na příčném odporu. Uvažujme proto lineární závislost příčného odporu na příčném posunu podle Obr. 10, která pro malé posuny lépe vystihuje chování konstrukce koleje

ry (v ) = k .v (24)

kde k .................................... vyjadřuje lineární závislost odporu na příčném posunu [N.m-2]

Rovnice (20) pro namáhání vzpěrem přejde ve tvar (koeficienty α a β jsou použity vzhledem k řešení rovnice) 2 N d 4v k 2 d v α + + 4 β 4 v = 0; α 2 = x ; 4 β 4 = 4 2 EI z EI z dx dx

(25)

Odtud lze pro ohybovou čáru v, kritickou osovou sílu Nk a kritický přírůstek teploty ∆Tk odvodit vztah v = v A sin

Nk L2 n 2π 2 n 2π 2 ; = + ; ∆Tk = k N EI k z 2 2 2 2 α t EA nπ L L (26)

kde n..................................... počet vln na tvaru vybočení, přirozené číslo 1,2,3 … vA ................................... výchylka po vybočení [m] L..................................... délka vlny [m]

Ze vztahu (26) je zřejmé, že pro k = 0 se výraz redukuje na předchozí případ. Číslo n, pro které je kritická síla Nk nejmenší se zjistí

dN k 2nπ 2 2 L2 k L4 4 = EI z − = 0 ; = n k k EI z π 4 dn n 3π 2 L2 (27) Nk ................................... kritická síla, při které dojde k vybočení koleje [kN]

Protože číslo n je číslo přirozené, je nutné nejbližší přirozená čísla číslu vypočtenému podle (27) dosadit do (26) a rozhodnout, pro které je Nk nižší. Pro většinu případů je n = 1. Podobně stanovíme kritickou délku Lk, pro kterou je Nk nejmenší

dN k EI z 2 n 2π 2 2L = − EI z + k 2 2 = 0; Lk = n ⋅ π ⋅ 4 3 dL k L nπ (28) Lk ................................... kritická délka vlny, při které je kritická síla Nk nejmenší [m]

- 18 (34) -

Závěr

Kritická osová síla

Koeficient lineárního odporu k [Nm-2]

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

0

1000-2000 0-1000

Délka L [m]

Obr. 11 – Závislost kritické síly na délce vlny a koeficientu lineární závislosti

Vzhledem k tomu, že délka vlny Lk je prostým násobkem čísla n a ve vztahu (26) jsou hodnoty L a n vždy v poměru stejných mocnin, budou hodnoty Nk pro všechna čísla n stejná N k = 2 ⋅ EI z k ; ∆Tk =

2 ⋅ EI z k

α t EA (29)

∆Tk ..................................kritický přírůstek teploty, při kterém dojde k vybočení koleje [kN]

Na Obr. 11 je graficky znázorněna závislost kritické síly na délce vlny a koeficientu lineární závislosti. Vyšší osové síly než 2500 kN nebyly uvažovány, protože ve skutečnosti prakticky nemohou nastat. Uvažujme hodnotu příčného odporu podle (22) a okrajové podmínky, které odpovídají reálnému tvaru vybočení bezstykové koleje podle Obr. 12  L  L dv −  dv  2 2  L  L v −  =  = 0; v  =   = 0 dx dx  2 2 (30)

ry = r0.sign v

v0

y, v x, u

Nx

L/3 L/2 L

Obr. 12 – Vybočení bezstykové koleje

- 19 (34) -

Nx


Kritická délka vlny, kritická osová síla a kritický přírůstek teploty jsou v tomto případě [8] Lk = 7,75 ⋅ 4

EI z v0 EI z r0 Nk EI ; N k = 2,96 ⋅ = 177 2 z ; ∆Tk = v0 r0 α t EA Lk (31)

Diferenciální rovnice pro kolej v oblouku Pro sestavení podobných rovnic jako u přímé koleje se zavádí polární soustava s tangenciální souřadnicí θ a radiální R. Uvažuje se kolej s konstantní hodnotou R. Zavádí se podobné předpoklady pro dýchající zónu a zónu vybočení bezstykové koleje jako pro přímou kolej. Pro tangenciální deformaci platí 2

1  du 1 dv dv0  1  1 dv  εθ =  + v +  − α t (T − TN )  + 2 R  dθ R dθ dθ  2  R dθ  (32) R .................................... radiální souřadnice, poloměr oblouku [m] v ..................................... funkce boční výchylky (v ose y) [m] v0 .................................... funkce počáteční boční výchylky [m]

Pro příčný směr platí rovnice rovnováhy dr EI z d 4 v N θ d 2 (v + v0 ) N θ ± 2 − = q R − rR − θR 4 4 2 R dθ dθ R dθ R rR .................................... funkce rR (v) příčného odporu koleje [N.m-1]

 dv   torzní tuhosti upevňovadel  dθ 

rθR .................................. funkce rθR 

qR ................................... příčné spojité zatížení

- 20 (34) -

(33)

Závěr

Výše uvedené diferenciální rovnice pro deformační křivku bezstykové koleje lze řešit několika způsoby. Obvyklé metody uvedené v literatuře používají řešení za pomocí Fourierových řad. Pro výpočet konstrukce bezstykové koleje se zahrnutou nelinearitou problému je vhodná také metoda konečných prvků. Výsledné řešení pro nejjednodušší tvar vlny vybočení podle [8] má tvar 2

 8 EI z  16 EI z ⋅ r0 Nk 8 EI z 2 EI z  + Nk = − +  ; Lk = 2π ; ∆Tk = R ⋅ v0 v0 Nk α t EA  R ⋅ v0  (34)

Významný vliv má počáteční imperfekce geometrické polohy koleje v0. S rostoucí amplitudou výchylky v0 klesají kritické teploty, přitom tento pokles je výraznější se stoupající hodnotou amplitudy. Vliv má také délka vlny počáteční imperfekce 2.L0. S rostoucí délkou vlny se zvyšuje kritická teplota.

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

90 100 110 120 130

Počáteční výchylka v0 [mm] Kritický přírůstek Tk

Kritická délka Lk

Obr. 13 – Závislost Tk a Lk na počáteční výchylce v0

- 21 (34) -

[m]

20

90

k

100

Kritická délka L

Kritický přírůstek ∆T [°C]

k

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


Na stabilitu bezstykové koleje má patrný vliv poloměr oblouku, kde dochází k poklesu vzpěrné pevnosti. Dalším 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. Na efektivní snížení osových sil je však zapotřebí posun koleje řádově o centimetry, což je však možné pouze pro extrémně nízký příčný odpor po celé délce koleje v oblouku. Změna neutrální teploty v závislosti na příčném posunu vyplývá z (35). Pokud uvažujeme v0 = 0 a příčný posun vc, je změna neutrální teploty v daném bodě ∆TN =

vc R ⋅α t (35)

kde ∆TN ................................ změna neutrální teploty [°C] vc .................................... posun koleje směrem ven z oblouku [m] αt .................................... součinitel teplotní roztažnosti [K-1]

9.4.1

Vybočení bezstykové koleje indukované jízdou vlaků

Výše popsaný mechanismus vybočení koleje nezahrnuje vliv dynamického provozního zatížení. Tento vliv však v praxi nelze zanedbat z těchto důvodů: • většina vybočení bezstykové koleje nastává za jízdy vlaku • dynamické zkoušky, provedené v minulosti, prokázaly, že zatížení kolejovými vozidly významně snižuje příčnou tuhost kolejového roštu a odolnost proti vybočení. Příčné pohyby bezstykové koleje teplotně a provozně zatížené Bezstyková kolej, zřízená v daném bodě s výchylkou δ0 s upínací teplotou TN, je namáhána řadou po sobě jdoucích teplotních zatížení (T1, T2...Tn) a účinky projíždějících vlaků. Typický průběh nárůstu boční výchylky v závislosti na teplotě je schématicky na Obr. 14.

- 22 (34) -

Teplotní přírůstek

Závěr

C

B TB T3 T2

S

T1 Přírůstky boční výchylky Počáteční imperfekce

Vybočení

Boční výchylka

Obr. 14 – Průběh boční výchylky u dynamicky zatěžované bezstykové koleje

Vliv svislého zatížení Kromě příčných sil na styku kolo-kolejnice (vodicí, rámové síly) má na příčnou stabilitu vliv dynamické svislé zatížení od kolejového vozidla. Tento vliv se realizuje prostřednictvím třecí složky příčného odporu koleje na ložné ploše pražce. Je nutné si uvědomit, že při zdvihání kolejového roštu je kontaktní napětí na styku pražec štěrkové lože rovno nule (štěrk není schopen přenášet tahová napětí), a tím je rovna nule i třecí síla na této ploše. Na Obr. 15 je znázorněn schematicky průběh svislé deformace pro dvě vozidla. Oslabení příčného odporu při nadzdvižení kolejového roštu lze pozorovat ve třech oblastech: • přední zdvihová vlna před kolejovými vozidly • střední zdvihová vlna pod kolejovými vozidly, mezi podvozky, ke zdvihu nedochází mezi jednotlivými nápravami podvozku • zadní zdvihová vlna za kolejovými vozidly. Směr jízdy Oblast sníženého příčného odporu

Zadní zdvihová vlna

Kolová síla Vzdálenost otočných čepů

P P

P

P

Zatlačení

Vmax

Střední zdvihová vlna

P Zdvih

P P

P Vmax

Střední zdvihová vlna Oblast zvýšeného příčného odporu

Přední zdvihová vlna

Obr. 15 - Průběh svislého zatlačení koleje pod jedoucím vlakem

- 23 (34) -


Hodnoty a průběh svislého zatlačení je ovlivněn jednak parametry kolejových vozidel, tj. nápravové hmotnosti, vzdálenosti náprav a rozvor podvozků, jednak parametry konstrukce koleje, jako je typ použitých kolejnic a pražců, tuhost upevnění, modul přetvoření pražcového podloží. Příklad .9.4.1:

Předpokládejme k = 200 kN.m-2, pro kolejnice UIC 60 na betonových pražcích Iz = 3000.10-8 m4, A = 1,535.10-2 m2, E = 2,1.1011 Pa, αt = 1,15.10-5 K1 . Spočítejte velikost kritického břemene a kritický přírůstek teploty pro počet vln n=1. Příklad 9.4.2:

Spočítejte délku vlny, kritickou osovou sílu a kritický přírůstek teploty pro r0 = 7 kN.m-1, pro kolejnice UIC 60 na betonových pražcích v0 = 15 mm, Iz = 3000.10 -8 m4, A = 1,535.10-2 m2, E = 2,1.1011 Pa, αt = 1,15.10-5 K-1. Příklad 9.4.3:

Spočítejte kritickou délku vlny, kritickou sílu a kritický přírůstek teploty pro kolej v oblouku R = 500 m, r0 = 7 kN.m-1, kolejnice UIC 60 na betonových pražcích v0 = 15 mm, Iz = 3000.10-8 m4, A = 1,535.10-2 m2, E = 2,1.1011 Pa, αt = 1,15.10-5 K-1. Příklad 9.4.4:

Spočítejte změnu neutrální teploty při posunu koleje vně o vc = 0,05 m pro poloměr R = 500 m, αt = 1,15.10-5 K-1. Kontrolní otázky

K jakým poruchám bezstykové koleje může dojít? Která porucha bezstykové koleje se vyskytuje v létě a která v zimě a proč? Kdy dochází nejčastěji k vybočení bezstykové koleje?

9.5

Podmínky pro zřizování bezstykové koleje

Podmínky pro zřizování bezstykové koleje stanoví národní standardy, pro České dráhy jsou uvedeny v předpisu ČD S 3/2 „Bezstyková kolej“. Při zřizování a udržování bezstykové koleje musí být podle tohoto předpisu dodrženy podmínky pro: • konstrukci železničního svršku a výhybek podle předpisu ČD S3 Železniční svršek • kvalifikované řízení a kontrolu prací • kvalifikovaný dozor objednatele a dohled správce dopravní cesty při realizaci a přejímání stavby • dokladování a evidenci údajů o zřizování a udržování bezstykové koleje.

- 24 (34) -

Závěr

9.5.1

Železniční svršek

Bezstyková kolej se smí zřizovat z kolejnic tvaru UIC 60, S 49, T a R 65. Při zřizování bezstykové koleje z nových kolejnic se používají neděrované kolejnice. Použijí-li se výjimečně kolejnice s otvory, musí být vzdálenost otvoru od čela kolejnice nejméně 85 mm u kolejnic tvaru UIC 60 a R 65 a 100 mm pro kolejnice tvaru S 49 a T. • Pro zřizování bezstykové koleje jsou přípustné bezpodkladnicové systémy upevnění a upevnění se žebrovými i rozponovými podkladnicemi s těmito omezeními: • kolejnice tvaru R 65 nesmějí být upevněny na rozponových podkladnicích s výjimkou ostatních staničních kolejí • nesmí být použito tuhých svěrek typu ŽS 3, (tyto svěrky trpí konstrukční vadou a nezaručují dostatečný podélný odpor v uzlu upevnění kolejnice). Z hlediska použití příčných pražců se bezstyková kolej smí zřizovat: • v hlavních kolejích a v kolejích s otevřeným kolejovým ložem s dřevěnými a ocelovými pražci o rozdělení nejméně „d“ (611 mm) a hustším, nebo s betonovými pražci o rozdělení nejméně „c“ (674,5 mm) a hustším • v ostatních kolejích se zapuštěným kolejovým ložem s dřevěnými, ocelovými a betonovými pražci s rozdělením nejméně „c“ a hustším. 1,75 1,70

1,70 c

a

p

0,10

b

1 1

:1

5 ,2

:1

,2 5

min. 0.40

Xa Xb Xc 3,00

Obr. 16 - Zvětšení šířky pláně tělesa žel. spodku pro bezstykovou kolej [19]

Převýšení [mm]

Xa [mm]

Xb [mm]

Xc [mm]

30

2400

2450

2570

80

2520

2570

2700

150

2690

2750

2870

Tab. 1 – Určení šířky pláně tělesa žel. spodku pro bezstykovou kolej pro vybraná převýšení

- 25 (34) -


Rozměry otevřeného kolejového lože jsou na Obr. 16. V ostatních kolejích se zapuštěným kolejovým ložem se smí bezstyková kolej zřizovat v přímé a v obloucích r ≥ 180 m. Pražce

dřevěné

Směrové poměry pro zřizování bezstykové koleje Kolejnice Rozdělení Nejmenší poloměr oblouku (m) pražců Profil kolejového lože A B C bez kotev s pražcovými kotvami na každém 3. 2. pražci pražci pražci 550 400 350 300 250 600 S 49, T UIC 60, R 65

betonové

všechny tvary

„c“ „d“

600

470

400

360

300

550 500

400 330

330 270

280 230

250 200

Pozn.: Profil kolejového lože A, B a C znázorňuje Obr. 16 Tab. 2 – Nejmenší poloměry oblouků pro zřizování bezstykové koleje

Bezstyková kolej je mimořádně citlivá na příčné odchylky geometrie. V předchozí kapitole bylo poukázáno na zásadní vliv počátečních imperfekcí (amplitudy a délky vlny) na příčnou stabilitu proti vybočení koleje. Poloměr koleje je při posuzování stability bezstykové koleje v oblouku základním parametrem. Pražcové kotvy se používají v hlavních a předjízdných kolejích v obloucích a v ostatních kolejích v obloucích s převýšením koleje bez ohledu na tvar kolejového lože podle tabulky. V přechodnicích se pražcové kotvy montují až od bodu, kde křivost přechodnice odpovídá poloměru dle tabulky. V ostatních kolejích se zapuštěným kolejovým ložem se pražcové kotvy nepoužívají. Pražcové kotvy se zpravidla montují do střední části pražců, excentricky směrem k vnitřnímu kolejnicovému pásu, vždy se montují mimo pracovní prostor pěchů automatických strojních podbíječek. Podle místních poměrů a na základě rozhodnutí správce se montují na kolejnice opěrky, které mají za úkol zvýšit podélný odpor proti putování kolejnice. Dilatační spáry v kolejnicových stycích na konci bezstykové koleje se upravují podle teploty kolejnicové oceli podle Tab. 3. Podle rozhodnutí správce je možné koncovou dilatační spáru nahradit vložením kolejnicového dilatačního zařízení s dilatací 100 mm. Teplota kolejnic [°C] > +30 +21 až +30 +11 až +20 +3 až +10 -2 až -3

Velikost dilatační spáry [mm] 0 3 6 9 12

Tab. 3 – Velikost koncové dilatační spáry

- 26 (34) -

Závěr

Do bezstykové koleje je možné vevařovat lepené izolované styky (LIS) nebo v ní zřizovat ambulantní lepené izolované styky (A-LIS). Vevařený i ambulantní izolovaný styk je považován za průběžnou bezstykovou kolej. Zřizují-li se v bezstykové koleji klasické montované izolované styky s plastovými spojkami, musí být na každé straně od izolovaného styku ve vzdálenosti základní délky kolejnice zřízen kolejnicový ochranný styk s koncovou dilatační spárou.

9.5.2

Bezstyková kolej na poddolovaném území

Bezstyková kolej se smí zřizovat na poddolovaném území s doznívajícími účinky důlní činnosti a nárůstem relativních poklesů, nepřesahujících 200 mm za rok. Aby bylo možné bezstykovou kolej na poddolovaném území zřídit, musí správce disponovat aktuálními informacemi o projevech důlní činnosti a s výhledovými záměry revíru. Měření dilatačních spár se provádí vždy při náhlých poklesech koleje a při komplexních prohlídkách trati. Kolej se musí směrově a výškově upravovat v období, kdy nedochází k náhlým teplotním změnám, rozdíl od upínací teploty nesmí být vyšší než +10 °C. Kolej smí být zvedána postupně se zdvihy nejvíce 50 mm. Další zdvih může následovat až po konsolidaci kolejového lože. Správce musí navíc vést evidenci o pravidelném měření poklesů, o udržovacích zásazích k úpravě nivelety a další technické informace.

9.5.3

Upínací teplota

Upínací teplota je teplota kolejnic, nebo teplota odpovídající uměle vyvolané změně délky kolejnicových pásů napínáním nebo ohřevem, při svaření závěrného svaru a upnutí těchto kolejnicových pásů. Dovolená upínací teplota je stanovené rozmezí teplot kolejnic, nebo teplot odpovídajících uměle vyvolané změně délky kolejnicových pásů, při níž smějí být kolejnicové pásy svařeny závěrnými svary a upnuty bez nutnosti dodatečných úprav napětí. Dovolená upínací teplota je od +17 do +23 °C. Levý i pravý kolejnicový pás se upíná při stejné teplotě. Připouští se rozdíl upínací teploty levého a pravého kolejnicového pásu 3 °C. Teplota kolejnic se měří kalibrovaným kolejnicovým teploměrem s přesností na 0,1 °C. Používá se digitální kontaktní teploměr, který se přikládá na zastíněnou část kolejnice. Kontrolní otázky

Z jakých tvarů kolejnic je možné zřizovat bezstykovou kolej? Jaké svěrky se nesmějí použít v bezstykové koleji? Jaká se dělají opatření pro zřízení bezstykové koleje v obloucích malého poloměru? Je možné zřídit bezstykovou kolej na poddolovaném území? Jestliže ano, za jakých podmínek? Jaký je rozdíl mezi upínací a neutrálnou teplotou? Jaká je povolená upínací teplota? Jakým způsobem se měří teplota kolejnic?

- 27 (34) -


9.6

Technologie zřizování bezstykové koleje

Kolejnice se svařují v koleji, na svařovacím roštu nebo ve stabilní svařovně. Bezstyková kolej v obloucích malého poloměru se přednostně zřizuje z kolejnicových pásů svařených na roštu nebo ve stabilní svařovně. Bezstyková kolej se zřizuje výhradně z kolejnicových pásů o délce nejvíce 450 m. V obloucích malého poloměru (r < 600 m) nesmí délka kolejnicových pásů překročit 250 m. Kolejnicové pásy svařené ve svařovně nebo na roštu se vyvezou do trati a v koleji se mohou vyměnit při teplotách kolejnic od -3 °C do + 40°C s úpravou dilatačních spár podle Tab. 3. Není-li z těchto pásů zřízena bezstyková kolej do 3 měsíců, musí být upravena jejich upínací teplota v mezích dovolené upínací teploty. Montážními svary se svařují kolejnice do dlouhých kolejnicových pásů. Závěrnými svary se svařují dlouhé kolejnicové pásy. Za závěrné svary se považují svary pro vzájemné svaření kolejnicových pásů, svary pro vevaření výhybky do bezstykové koleje, poslední svar při vevaření kolejnicové vložky nebo lepeného izolovaného styku do bezstykové koleje, poslední svar v kolejové spojce a poslední svar při svařování jednotlivých výhybek do skupiny. Závěrné svary se svařují při dovolené upínací teplotě. Při vyšších teplotách kolejnic se závěrné svary zřídit nesmějí. Zhotovení těchto svarů se posouvá do denní doby s nižšími teplotami (ranní nebo noční hodiny). Kolejnicové pásy se musí před svařováním závěrných svarů vždy uvolnit v celé délce a musí být umožněno volné a rovnoměrné zkrácení nebo prodloužení. Z tohoto důvodu se kolejnice ukládají v době svařování závěrných svarů na kluzné, válečkové nebo kuličkové podložky tak, aby se nedotýkaly kolejnicových podpor, a to s výjimkou 20 m dlouhého úseku před závěrným svarem. Při napínání kolejnice se v obloucích použijí boční válečkové opěry. Při nižších teplotách kolejnic než je upínací teplota je možné dosáhnout dovolené upínací teploty napínáním nebo ohřevem kolejnic od -3 °C, v obloucích malého poloměru od +10 °C. Při napínání kolejnicového pásu se jeden konec upne v kotevním úseku, tj. na 5 pražcích na každý 1 °C rozdílu teplot na jeden kolejnicový pás. Při současném napínání obou kolejnicových pásů se počet zdvojnásobí. Jako kotevní úsek může sloužit navazující úsek bezstykové koleje nebo svařená výhybka. Nutné prodloužení kolejnicového pásu se určuje podle (1). Za délku se dosazuje volná délka kolejnicového pásu od kotevního úseku ke svařovací spáře. Napínání kolejnice se kontroluje pomocí kontrolníchznaček na patě kolejnice. Kromě posunu kontrolních značek se sleduje prokluz kotevního úseku. Při napínání kolejnicového pásu je možné použít technologii jednostranného nebo oboustranného napínání. Při zřizování bezstykové koleje se používá technologie jednostranného napínání. Oboustranné napínání se používá při opravných pracích. Volná délka napínaného pásu nemá přesahovat 450 m, v obloucích malého poloměru nesmí přesahovat 250 m.

- 28 (34) -

Závěr

oboustranné napínání

kotevní úsek

kotevní úsek X

Y L (max 450 m)

jednostranné napínání

kotevní úsek

kotevní úsek L (max 450 m)

Obr. 17 – Jednostranné a oboustranné napínání bezstykové koleje

Napínání kolejnic je možné nahradit technologií ohřevu kolejnic. Povolený kolejnicový pás se ohřeje pojížděním zařízení pro ohřev kolejnic. Postupuje se od volného konce ke kotevnímu úseku a zpět. Délka úseku pro ohřev zpravidla nepřesahuje 150 m. Svary s nálitkem, výronkem nebo návarkem pod patou kolejnice musí být umístěny vždy v mezipražcovém prostoru. Tato podmínka v praxi způsobuje problémy, zejména jedná-li se o regenerované kolejnice svařené na svařovací základně a pokládané jako dlouhé kolejnicové pásy. K prokázání jakosti se svary kolejnic zkoušejí nedestruktivními metodami. V případě svařování kolejnic elektrickým obloukem a při svařování přechodových kolejnic odtavovacím stykovým svařováním musí být zkoušeny všechny svary ultrazvukovou metodou.

Obr. 18 – Napínání kolejnice

- 29 (34) -


Obr. 19 – Válečkové stoličky pod kolejnice při napínání

9.6.1

Technologie svařování kolejnic

Kolejnice se svařují dvěma základními technologiemi: • odtavovací stykové svařování • aluminotermické svařování. Tyto technologie v současné době doplňuje technologie svařování pomocí elektrod a plynotlakové svařování. Odtavovací stykové svařování Odtavovací stykové svařování je charakterizováno vznikem elektrického oblouku mezi konci kolejnic napájenými vysokými proudy. Konce kolejnic se následkem elektrického oblouku ohřívají a jsou svařovacím strojem tlačeny proti sobě. Při svařování jsou použity vysoké proudy a trvání elektrického oblouku je krátké. Zpravidla se používá stejnoměrné prohřívání celého průřezu kolejnic. Schéma průběhu svařování je na Obr. 20. Předehřívání

El. oblouk

Ohřev

El. oblouk Stlačení

El. proud

Posunutí

Kontaktní tlak

Tlak

0

20

40

Stlačení

60

80

100

120

140

čas [s]

Obr. 20 – Technologie odtavovacího stykového svařování

- 30 (34) -

160

T

Závěr

Metoda byla původně vyvinuta na ukrajinském Patonově ústavu. Od začátku sedmdesátých let se ke svařování používá střídavý proud, nejnovější svařovací stroje ke svařování používají také stejnosměrný proud. Touto technologií jsou zhotovovány vysoce kvalitní svary. Technologie se používá pro výstavbu vysokorychlostních tratí a tratí pro vysoké nápravové hmotnosti. Tato technologie svařování se používá ve stabilních svařovnách pro dílenské svary i v mobilních svařovnách pro svařování na trati. Aluminotermické svařování Aluminotermické svařování kolejnic je založeno na chemické slučitelnosti hliníku s kyslíkem. Tekutá ocel se uvolňuje za velkého a rychlého vývinu tepla z hořící termitové směsi, kterou tvoří směs oxidu železa a hliníkových granulí. Tekutá ocel se odlévá do pískových forem (křemičitý písek zpevněný CO2), které se nasazují na čela svařovaných kolejnic a jsou upevněny pomocí speciálních přípravků. Mezi čely kolejnic se ponechá předepsaná spára, která se pohybuje v závislosti na teplotě a typu kolejnice od 20 do 26 mm. Pro aluminotermické svařování je standardní svařovací spára 24 mm. Svary se širokou svařovací spárou až 75 mm se používají jako opravný prvek. Konce kolejnic musí být proti sobě správně vyrovnány. Konce kolejnic se předehřejí v prostoru forem na teplotu kolem 1 000 °C pomocí speciálních hořáků propanbutanovým plamenem. V suchých formách trvá předehřev 7 – 8 minut.

Obr. 21 – Schéma aluminotermického svařování – tavný kelímek a forma

Svar vzniká spojením oceli kolejnic a materiálu vzniklého z chemické reakce. Chemická reakce aluminotermického svařování probíhá za teploty kolem 2 500 až 3 000 °C a je dána rovnicí Fe2O3 + 2 Al = Al2O3 + 2 Fe + 850 kJ 1 kg termitové dávky = 476 g strusky + 524 g železa + 3970 kJ Složky nutné pro uskutečnění této reakce tvoří tzv. svařovací dávku. Železo vzniklé z termitové dávky by bylo příliš měkké na praktické použití. Z tohoto důvodu se přidávají další přísady zvyšující tvrdost a odolnost materiálu. Ocel

- 31 (34) -


přidaná do dávky snižuje teplotu při reakci a výsledná ocel má vyšší mez kluzu. Chemická reakce probíhá v tavném kelímku. Po nalití tekutého materiálu do dávky zůstane tekutá struska v horní části formy, protože je lehčí než ocel. Po ztuhnutí oceli se forma odstraní, a to nejprve jen v prostoru hlavy. Spodní část formy kryje stojinu a patu kolejnice a příznivě ovlivňuje chladnutí svaru. Po ochladnutí se svar seřízne pomocí hydraulického zařízení. Svar se obrousí pomocí speciálních brusek, kopírujících profil kolejnice. Každý svar je označen značkou zhotovitele. Průměrný čas, potřebný pro zřízení termitového svaru je 20 až 25 minut, u speciálních postupů je možné čas zkrátit až na 15 minut.

Kontrolní otázky

Jaké jsou možné způsoby svařování kolejnic? Lze zřídit bezstykovou kolej za jiných teplot než je rozsah povolených upínacích teplot? V případě, že ano, co musí být splněno nebo jakým způsobem si lze pomoci?

- 32 (34) -

Závěr

Závěr Shrnutí Tento modul rozhodně vyžadoval Vaše plné soustředění. Odměnou by Vám mělo být pochopení jevů v bezstykové koleji. S ohledem na to byste měli vnímat praktické podmínky pro zřizování bezstykové koleje. Seznámili jste se také s technologií zřizování bezstykové koleje. Nejlepší představu o způsobu zřizování Vám může přinést až stavební praxe. V této souvislosti Vám doporučujeme sledovat webové stránky Ústavu železničních konstrukcí a staveb, který příležitostně organizuje odborné exkurze.

Studijní prameny Seznam použité literatury [1]

ESVELD, C., Modern Railway Track. Second Edition. Delft, MRT – Production, 2001, 2nd ed. 654 str. ISBN 90-800324-3-3Pro seznam literatury je opět přichystán styl „Literatura“.

[2]

kolektiv: Technická příručka stavbyvedoucího pro práce na železničním svršku ČD v kolejích normálního rozchodu. ÚVAR – Servis, a.s., Brno, 2003, 2. vydání.

[3]

LICHTBERGER, B., Handbuch Gleis. Unterbau, Oberbau, Instandhaltung, Wirtschaftlichkeit. Tetzlaff Verlag Hamburg 2003, 562 str. ISBN 3-87814-803-8

[4]

TYC P., KUBÁT B., DOSTÁL K., HAVÍŘ B.: Železniční stavby. Projektování železničních tratí. Železniční spodek a svršek, Dh-Press, Bratislava 1993, 253 str. ISBN 80-855545-05-5

Seznam doplňkové studijní literatury [5]

Plášek, O. Železniční stavby. Návody do cvičení. 2. doplněné vyd., Brno: CERM, s.r.o. Brno, 2003. 110 str. ISBN 80–7204–267–X

[6]

Plášek, O., Zvěřina, P., Svoboda, R., Mockovčiak, M.: Železniční stavby. Železniční spodek a svršek. 1. vyd., Brno: CERM, 2004. 291 str. ISBN 80-214-2621-7

Odkazy na další studijní zdroje a prameny [7]

www.fce.vutbr.cz/zel/svoboda.r

- 33 (34) -


Klíč 9.1.1 Dosazením do vztahů získáme délku dýchajícího konce lk = 54,9 m, posun konce bezstykové koleje u = 7 mm, maximální vnitřní sílu 1223 kN a odpovídající napětí 79,7 MPa 9.4.1. Dosazením do vztahů získáme pro n = 1: Lk = 7,44 m, Nk = 2245 kN, ∆Tk = 60,6 °C. Uvažovaná hodnota k je bezpečně nízká, hodnoty r0 = 7 kN.m-1 bude dosaženo až po posunu kolejového roštu v = 35 mm. Ve skutečnosti bývá dosaženo hodnoty odporu r0 po několika milimetrech posunutí. Kritický přírůstek teploty ∆Tk = 60,6 °C prakticky odpovídá nejvyšší uvažované hodnotě teploty kolejnice. Podle výše uvedeného modelu a při zadaných parametrech je bezstyková kolej stabilní. 9.4.2 Dosazením do vztahů získáme Lk = 14,86 m, Nk = ∆Tk = 137 °C.

5075 kN,

9.4.3 Dosazením do vztahů získáme Lk = 13,13 m, Nk = 2882 kN, ∆Tk = 77,7 °C. Oproti přímé koleji došlo v oblouku o poloměru R = 500 m ke snížení kritického přírůstku teploty o 43 %. 9.4.4. Dojde ke zvýšení neutrální teploty kolejnic o ∆TN = 8,7 °C.

- 34 (34) -

ŽELEZNIČNÍ STAVBY II

Recommend Documents