Konstrukce železničního svršku

Konstrukce železničního svršku Základní konstrukční prvky. Kolejnice

Otto Plášek, doc. Ing. Ph.D. Ústav železničních konstrukcí a staveb Tato prezentace byla vytvořen pro studijní účely studentů 4. ročníku bakalářského studia oboru „Konstrukce a dopravní stavby“ na Fakultě stavební VUT v Brně a nesmí být použita k žádným jiným účelům. Některé pasáže mohou být bez komentáře podané na přednášce málo srozumitelné.

Konstrukce železničního svršku. Kolejnice

Železniční svršek Železniční svršek (permanent way) je část trati, která plní nosnou a vodící funkci (guidance and support) pro jízdu drážního vozidla

Kolová síla: Q = 100 kN

Plocha A H = 1 cm

Styčná plocha

A rs = 200 cm 2 A bs= 750 cm 2 A sb= 1500

cm 2

A = 10000

cm 2

Kolo / kolejnice

σ H = 1000 MPa

Kolejnice / podložka / podkladnice

σ rs = 2,5 MPa

Podkladnice / pražec

σ bs= 0,7 MPa

Pražec / kolejové lože

σ sb= 0,3 MPa

Kolejové lože / konstrukční vrstvy

σ = 50 kPa

Klasická konstrukce (conventional permanent way, ballasted track)

Hlavní napětí

2

kolejnice, kolejnicové podpory, drobné kolejivo, upevňovadla a kolejové lože

Moderní konstrukce (ballastless track, slab track)

bez kolejového lože Konstrukce železničního svršku. Kolejnice

Součásti železničního svršku

Kolejnice (rails) Kolejnicové podpory (rail support)

Drobné kolejivo Upevňovadla (rail fastening) Kolejové lože (ballast bed)


Součásti železničního svršku

Kolejnicové podpory (rail supports)

příčný pražec (sleeper, tie, timber,

bearer)

podélný pražec (longitunidal …) deskový pražec (slab sleeper) rámový pražec (frame …) betonová deska osamělá podpora

Drobné kolejivo

Upevňovadla (rail fastening)

Podkladnice (baseplate), můstkové desky (rail joint bridge) svěrky (clip) Spojky (fishplate) pryžové, penefolové a polyetylénové podložky vodící vložky izolátory

hřeby, vrtule (coach srew) Spony (clamp) spojkové a svěrkové šrouby pružné kroužky zajišťovací kroužky podložky distanční kroužky

Kolejové lože (ballast bed)


Funkce kolejnic

přejímá kolové síly a roznáší je na kolejnicové podpory, zpravidla příčné pražce vede dvojkolí v příčném směru, přenáší příčné síly a roznáší je na kolejnicové podpory tvoří hladkou jízdní dráhu a prostřednictvím adheze přejímá brzdné a rozjezdové síly na elektrizovaných tratích plní funkci zpětného vedení pro napájení je součástí kolejových obvodů zabezpečovacích zařízení.


Tvary kolejnic

Vignolovy (Širokopatní) Žlábková Bloková Speciální profily Jeřábová

flat-bottom rail

V železniční koleji se soustředilo užívání kolejnic na kolejnice širokopatní, v tramvajové koleji na stojinové žlábkové nebo blokové kolejnice. Mimoto se používají pro výhybkové konstrukce jazykové a srdcovkové kolejnice, blokové kolejnice u pevné jízdní dráhy a speciální kolejnice pro jeřábové dráhy.

rail section for crossing

grooved rail

webless grooved rail

vignole rail Konstrukce železničního svršku. Kolejnice

crane rail

Historické tvary kolejnic

Ploché, úhelníkové a páskové kolejnice byly zpravidla osazovány na dřevěné hranoly. Funkci dřevěného hranolu převzala čtvercová kolejnice. Tato kolejnice byla nahrazeny vhodnějším – hřibovitým průřezem. Tento tvar kolejnic byl v minulosti velmi oblíbený zejména ve Velké Británii a dodnes se je možné tyto kolejnice v koleji nalézt. Na podpory se tyto kolejnice ukládají do speciálních stoliček. Nevýhody hřibových kolejnic – nevhodné rozložení hmoty po výšce průřezu a obtížné ukládání na podpory – odstranila kolejnice širokopatní.


Názvosloví – části kolejnice Šířka hlavy Temeno hlavy kolejnice

Hlava kolejnice (rail head) Stojina (rail web) Pata kolejnice (flange of rail, rail foot)

tloušťka stojiny stojina

Výška kolejnice

Základní části kolejnice

pata

hlava

Pojížděná hrana kolejnice

Šířka paty kolejnice

Hlava kolejnice. Tvar hlavy je ovlivněn tvarem okolku a nákolku, který je mezinárodně stanoven. Zaoblení mezi temenem kolejnice a pojížděnou hranou je obvykle tvořeno obloukem o poloměru 13 mm, temeno obloukem o poloměru 300 mm. Boční části kolejnicových hlav jsou šikmé ve sklonu 20:1 a protože se kolejnice upevňují na podkladnici nebo úložné ploše pražce ve sklonu, je pojížděná hrana téměř svislá. Přechod hlavy do stojiny je plynulý stejně jako přechod stojiny do paty. Spodní část hlavy a horní část paty mají úklon a umožňují řádné dosednutí kolejnicových spojek. Pata kolejnice. Tvar paty kolejnice odpovídá přírubě nosníku, do které je soustředěn materiál. Rozměry paty kolejnice musí být takové, aby kolejnice byla schopna vzdorovat všem zatížením. Pata slouží k upevnění kolejnice k pražci nebo k podkladnici. Horní plocha paty je lomená, nebo o jednom sklonu. Šířka paty je vždy menší než výška kolejnice, poměr šířky paty a výšky kolejnice je u evropských kolejnic v rozmezí 0,8 až 0,9.


Užívané Vignolovy (širokopatní) kolejnice R 65 UIC 60 S 49 Xa A

Xa A T R 65 49 E1 (S 49) 60 E1 (UIC 60), 60 E2

Uložení kolejnic na podporách. Kolejnice jsou v koleji uloženy zpravidla v úklonu 1:20 nebo 1:40. Ve výhybkách, kolejových křižovatkách, kolejových spojkách, na točnách a přesuvnách jsou kolejnice uloženy bez úklonu. Přechod z úklonu 1:20 do polohy bez úklonu se zřizuje použitím přechodových podkladnic s úklonem 1:40 a 1:80. Přechod z úklonu 1:40 do polohy bez úklonu se zřizuje podobně s použitím přechodových podkladnic 1:80. Přechod z úklonu 1:20 do úklonu 1:40 se zřizuje bez zvláštní úpravy. Pokud je vzdálenost mezi koncovými styky konstrukcí menší než 25 m pro rychlost V ≤ 90 km.h-1 nebo menší než 40 m pro rychlosti vyšší, ukládají se kolejnice bez úklonu.


Rozměry Vignolových (širokopatních) kolejnic

H

K1 K2

C2 C1

D

F

YH

S

B

Tvar

Výška

Šířka paty

Šířka hlavy

Šířka hlavy

Tloušťka stojiny

Celková výška hlavy

Výška hlavy

VÝŠKA PATY

Tloušťka paty

H

B

C1

C2

S

K1

K2

F

D

[mm]

[mm]

[mm]

[mm]

[mm]

[mm]

[mm]

[mm]

[mm]

[kg]

60 E 1 (UIC 60)

172

150

72

74,3

16,5

51

37,5

31,5

11,5

60,21

60 E 2

172

150

72

74,3

16,5

51

31,5

11,5

60,07

49 E 1 (S 49 )

149

125

67

70

14

51,5

39,8

27,5

10,5

49,43

R 65

180

150

72,8

75

18

44,9

35,5

30

11,2

64,98

T

150

128

65,5

68

15

50,5

39,2

27,5

10,5

49,99

A

140

112

68

68

14

45

36,5

24

10

44,35

Xa

125

110

58

58

12

44

32,4

25

8

35,65


Hmotnost 1 m délky

Porovnání kolejnice 60 E 1 a 60 E 2

Zdroj [5]


Výroba kolejnic

výroba surového železa ve vysoké peci výroba kolejnicové oceli

kontinuální lití nebo lití ingotů

Ze surového železa se vyrobí ocel v kyslíkových konvertorech přidáním přesně odměřeného množství přísad, tekutý kov je nejprve zbaven příměsí síry, při vakuování oceli se do tekuté oceli vhání argon, který je v horní části vakuovacího zařízení odsáván spolu se strhávaným vodíkem V současné době se kolejnice vyrábějí pomocí kontinuálního lití, výhodou této technologie je odlití ocelových prutů pro válcování, které mají homogenní vlastnosti

válcování kolejnic chladnutí a rovnání kolejnic řezání a vrtání kolejnic zkoušky kolejnic přejímka Konstrukce železničního svršku. Kolejnice

Výroba kolejnic

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Vysoká pec Odsíření tekutého kovu Kyslíkový konvertor Vakuování Kontinuální lití Výheň Hrubé válcování Válcování

Obrázky [2], www.voestalpine.com, www.tstg.de Konstrukce železničního svršku. Kolejnice

Výroba kolejnic

9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.

Válcování Odřezání konců kolejnic Ochlazovací stolice Rovnací stolice Kalení hlavy kolejnice Rovnací stolice Zkoušení kolejnic Rázová zkouška

Obrázky [2], www.voestalpine.com, www.tstg.de


Výroba kolejnic

17. 18. 19. 20.

Řezání a vrtání kolejnic Kalení konců kolejnic Konečná kontrola Sklad a expedice

Obrázky [2], www.voestalpine.com, www.tstg.de Konstrukce železničního svršku. Kolejnice

Zkoušky kolejnic

Defektoskopické Vylučovací (rázem, zkouška trhací a zkouška vločkovitosti ) Průkazné (Baumanova, Brinellova, ohýbací, opotřebitelnosti, vrubová, mikroskopická, leptací, chemický rozbor a další)

Výběr zkoušek je předepsán pro určitý počet kolejnic. Při zkoušce rázem se používá beran o hmotnosti 1000 kg, který dopadá z výšky 5,8 až 7,3 m (podle tvaru a jakosti kolejnice) na zkušební kus kolejnice o délce 1,4 m uložený patou na dvě podpory vzdálené 1 m. Při rázové zkoušce musí vzorek odolat úderu beranu bez lomu a příznaků porušení. Pro trhací zkoušku se z hlavy kolejnice vysoustruží zkušební tyč, na které se zjišťuje pevnost v tahu a tažnost. Vločkovitost se zjišťuje ultrazvukem nebo klasickou leptací metodou.


Materiál kolejnic (rail steel) Jakost kolejnicové oceli je definována chemickým složením a mechanickými vlastnostmi, tj. pevností v tahu a nejnižší tažností. Základním kolejnicovým materiálem je ocel jakosti 900 A. Tato jakost je srovnatelná s ocelí 95 ČSD - Vk, toleranční rozpětí rozhodujících prvků je však menší. Kolejnice se zvýšenou odolností proti otěru, legované nebo tepelně zpracované, se použijí jen v případech extrémního pojíždění. V těchto případech musí být zváženo, zda použití kolejnic vyšších pevností nepovede k rozvoji kolejnicových vad. Kolejnice pro koridory mají jednotnou jakost 900 A. Značka oceli (jakost)

Pevnost v tahu Rm [MPa]

Nejnižší tažnost A5 [%]

R320Cr

1080 a výše

9

110 ČSD – VkMnCr

981 a výše

9

R260

880 a výše

10

UIC 900 A

880 až 1030

10

95 ČSD – Vk

883 a výše

10

85 ČSD – Vk

834 až 882

11

R220

770 a výše

12

75 ČSD

734 a výše

10

Ekvivalentní oceli: R320Cr, 110 ČSD – VkMnCr, UIC 1100 R260, 95 ČSD – Vk, UIC 900 A, R220, 75 ČSD, UIC 700

Vlastnosti kolejnicové oceli se zlepší přidáním legujících prvků, především manganu, niklu, molybdenu, chromu aj. Často používaný mangan činí kolejnicovou ocel houževnatější, pevnější a odolnější proti obrusu. Uhlíkový koeficient: K = C + 0,25 ⋅ Mn

Pevnost a mez kluzu v závislosti na legovacích příměsích: Rm = 227 + 803 ⋅ C + 87 ⋅ Si + 115 ⋅ Mn + 133 ⋅ Cr + 891 ⋅ P + 614 ⋅ V ± 19

σ y = 101 + 469 ⋅ C + 36 ⋅ Si + 85 ⋅ Mn + 116 ⋅ Cr + 0 ⋅ P + 634 ⋅ V ± 21 Konstrukce železničního svršku. Kolejnice

Délky kolejnic

S 49 a UIC 60 mají základní délku 25,0 m R 65 – 20 a 25 m T – 25 a 30 m Odlišné délky kolejnic:

u přejezdů, na mostech, v tunelech, v přípojných kolejových polích výhybkových konstrukcí, na přechodu z nové koleje na starou, u koleje s vystřídanými kolejnicovými styky a u užitých kolejnic.

Zkrácené kolejnice pro směrové oblouky Nejkratší kolejnice – 12,5 m Prozatímní nejkratší kolejnice – 3 m na tratích v RP1, 5 m v RP2 a 7,5 v RP3 Pro bezstykovou kolej – 36 a 75 m Pro koridory 25, 36 a 75 m nevrtané


Dodávání a značení kolejnic

Jakost kolejnic – barevná značka na hlavě čela Na stojině vypuklá značka s označení výrobce, dvojčíslím roku výroby, tvar kolejnic, R220 jedna vodorovná čárka 50 mm, R260 dvě vodorovné čárky, horní poloviční délky, R 320 Cr, 110 ČSD-VkMnCr třemi vodorovnými čárkami Číslo tavby je po max. 8 m na opačné straně jak vypouklé značky Konstrukce železničního svršku. Kolejnice

Zdroj [6]

Zkrácené kolejnice pro oblouky

plechové štítky s příslušným počtem otvorů barvou na čele kolejnice do roku 1994 se zkrácení kolejnice místo plechovými štítky označovalo kruhovými otvory v neutrálné ose kolejnice ve vzdálenosti 500 až 600 mm od čela kratších délek (méně než 24,80 m u tvaru S 49 a UIC 60 a méně než 19,80 m u R 65) jsou ve vzdálenosti cca 1 m od čela kolejnice označeny bílou barvou na stojině kolejnice údajem délky v mm. Oblouková kolejnice zkrácená o mm 50

Počet kruhových otvorů

Barevné označení čela paty

1

červená

100

2

bílá

150

3

zelená

200

4

žlutá


Ojetí kolejnic (headwear, headloss)

14

h je srovnané výškové ojetí [mm] hv je výškové ojetí, měřené v ose kolejnice [mm] s je boční ojetí, měřené vodorovně v úrovni 14 mm pod temenem ojeté kolejnice [mm]

n5 5°

hv

Srovnané výškové ojetí kolejnic mi

s

h = hv + 0,4 ⋅ s Největší dovolené ojetí [mm]

T, S 49, UIC 60

Tvar kolejnice R 65 A

Xa

Pouze svislé ojetí Při současném ojetí svislém i bočním - svislé - boční

20

18

20

17

14 18

14 18

12 18

10 14

Ke snížení ojetí kolejnic přispívá mazání styčné plochy kola a kolejnice mazivy, zejména ve směrových obloucích. Mazání se zajišťuje mazníky v koleji nebo mazáním kol hnacích vozidel. Doba životnosti kolejnice bez regenerace se stanovuje s ohledem na množství projeté zátěže. Je závislá na tvaru kolejnice a na použití bezstykové koleje. V běžných podmínkách se pohybuje mezi 500 až 700 mil. hrt projeté zátěže.


Kolejnicové styky Kolejnicový styk musí umožnit spojení dvou kolejnic tak, aby bylo zaručeno dokonalé spojení kolejnic a spojek, plynulost pojížděné hrany kolejnic a zajištěna dostatečná únosnost kolejnicového pásu. Konstrukce kolejnicových styků musí umožnit potřebnou dilataci kolejnic z teplotních změn. Na elektrizovaných tratích, na tratích se zabezpečovacím zařízením využívajících kolejové obvody, na tratích pojížděných vlaky s elektrickým vytápěním vozů musí kolejnicový styk zaručit i spolehlivou elektrickou vodivost.

Vstřícné Vystřídané Neuspořádané

Podporované Převislé


z/2

z/2

Kolejnicové styky

Izolované

montované lepené Lepené ambulantní

a)

b)

spojka z vrstveného dřeva

c)

alkamidová spojka

izolační vrstva ocelová spojka

polyamidový kroužek

Elektrovodné Přechodové

Kolej se zabezpečovacím zařízením s elektrickými kolejovými obvody vyžaduje použití izolovaného kolejnicového styku. Pro elektrické odizolování kolejnic se používají klasické montované izolované styky kolejnic s plastovými spojkami (polyamid s plnivy) a profilovou izolační vložkou. Odizolování spojkových šroubů není nutné. Tato konstrukce styku se používá ve stykované koleji, která nepřenáší podélné síly v kolejnici. V minulosti se ke konstrukci izolovaného styku používaly lepené vrstvené dřevěné spojky z bukových dýh tl. 1 mm. Izolační vložka byla vyrobena z textitu. V bezstykové koleji se používají lepené izolované styky (LIS). Lepený izolovaný styk se skládá ze dvou krátkých kolejnic, spojených ocelovými plochými spojkami. Spojky jsou vlepeny do spojkové komory spolu s izolační vrstvou ze sklotextilní tkaniny, prosycené epoxidovou pryskyřicí a jsou spojeny spojkovými šrouby. Na spojkové šrouby, kterých se používá šest, se navlékají polyamidové kroužky. LIS se dílensky vyrábějí v délkách 3,5 až 4,5 m z kolejnic běžné jakosti (900 A) a mohou mít tepelně upravenou hlavu. LIS se do kolejnicových pásů vevařují a přenášejí podélné síly. LIS je možné budovat i ambulantně (A-LIS) do rozřezu kolejnice. Použití ambulantních LIS je omezeno, protože nedosahují vlastností dílenských LIS. LIS je vhodné používat i ve stykované koleji Konstrukce železničního svršku. Kolejnice

Montovaný izolovaný styk


Lepený izolovaný styk


Kolejnicové styky U tratí, kde kolejnice plní funkcí vodiče (zpětný proud u elektrizovaných tratí, kolejové obvody, elektrické vytápění) je nutné, aby kolejnicové pásy měly v celé délce co nejmenší elektrický odpor. Pro vodivá propojení kolejnic se používají propojky a lanová propojení s vodiči z měděných nebo ocelových lan, případně ocelových drátů. Vodiče propojek a lanových propojení jsou pro připojení ke kolejnicím zakončeny: • •

kuželovými kolíky nebo kabelovými oky pro rozebíratelné spoje, pájecími oky pro nerozebíratelné pájené spoje (systém Pinbranzing).

V minulosti používané přivařování propojek k hlavě kolejnice elektrickým obloukem je zakázáno. Elektrickým obloukem se mohou přivařovat propojky jen v místech dříve přivařených a odpadlých propojek. Propojka se dvěma dráty

Propojka s jedním lanem

Propojka se dvěma lany

délka (cm)

délka (cm)

délka (cm)

Při přechodu z jednoho tvaru kolejnic na jiný tvar se používají přechodové kolejnice nebo přechodové svary. V odůvodněných případech, zpravidla jako dočasné, se používají přechodové spojky. Jejich použití je omezeno: • •

u spojek UIC 60/S 49, UIC 60/T, R 65/S 49, R 65/T a T/Xa pouze pro RP 1 na dobu nejdéle čtrnácti dnů, u spojek S 49/T a UIC 60/R 65 pro rychlost do 120 km.h-1.

Spojky přechodového styku jsou ploché a upravené tak, aby pojížděná hrana obou spojovaných kolejnic byla výškově i směrově plynulá.


Spojky

Dilatační spáry mezi kolejnicemi Namáhání spojek, podélná dilatace Průřezy spojkami

Konstrukčně byly v minulosti spojky řešeny jako úhlové nebo dvojúhlové, v současné době se používají spojky ploché. Pro spojení kolejnic tvaru T se používají spojky T 1, T 4, v tunelech T 2 (kratší spojka s menší roztečí otvorů pro spojkové šrouby). Pro spojení kolejnic tvaru S 49 se užívají spojky T 4, S a S 1 (kratší spojka s menší roztečí otvorů pro spojkové šrouby). Pro kolejnice R 65 se užívají spojky R, pro kolejnice tvaru UIC 60 spojky U 60I.

a)

b)

c)

d)

Průřezy kolejnicových spojek a) spojka R, b) spojka U 60I, c) spojka S, d) spojka T 4


Nastavení spár kolejnicových styků Nastavení dilatační spáry při zřízení koleje je závislé na teplotě kolejnicové oceli. Největší dilatační spára ve stykované koleji je 20 mm. montážní spára

Teplota kolejnice od [°C] nižší

-24 -14 -6 +3 +11 +21 +30

do [°C] -25 -15 -7 +2 +10 +20 +30 vyšší

Velikost dilatačních spár pro kolejnice v délce [mm] 15 m 20 m 25 m 10 15 20 9 13 17 8 11 14 7 9 12 5 7 9 3 5 6 1 2 3 0 0 0

d1 d2

spojka

a

kolejnice sevřená spára

dřík šroubu

rozevřená spára

Spojkové šrouby jsou namáhány podle intenzity utažení tahem, matice spojkových šroubů je proti uvolňování zajištěna dvojitým pružným kroužkem. Po vyčerpání dilatační spáry při zkrácení kolejnic jsou spojkové šrouby namáhány také smykem. Spojkové šrouby jsou umístěny maticemi směrem k ose koleje, což umožňuje jejich snadnou vizuální kontrolu.


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 [4] KLIMEŠ, F.: Železniční stavitelství II. SNTL, ALFA, 2. přepracované vydání, Praha 1981, 312 str. [5] Voestalpine Schienen Gmbh: Profile Programm. Section Programm [6] SŽDC s.o: Služební rukověť. Výkresy materiálu pro železniční svršek. Kolej


Konstrukce železničního svršku

Recommend Documents