pobierz

Koleje – podstawy
Wykład 3
Elementy drogi kolejowej. Klasyczna
nawierzchnia kolejowa (podsypkowa)
dr hab. inż. Danuta Bryja, prof. nadzw. PWr
Elementy drogi kolejowej
Najważniejsze elementy
drogi kolejowej na szlaku:




nawierzchnia kolejowa
i podtorze
urządzenia trakcji
elektrycznej
urządzenia sterowania
ruchem kolejowym (srk)
obiekty inżynieryjne
1. oś toru, 2. obrys skrajni, 3. słup trakcyjny,
4. semafor, 5. nawierzchnia, 6. podtorze,
7. podłoże, 8. torowisko, 9. skarpa przekopu,
10. rów odwadniający, 11. dren,
12. sieć trakcyjna
Droga kolejowa na nasypie
Droga kolejowa w przekopie
Skrajnia budowli
Skrajnia budowli – wolna przestrzeń określona linią
wyznaczającą minimalne odległości pomiędzy pojazdem
kolejowym a obiektami i urządzeniami infrastruktury
kolejowej, niezbędne dla zapewnienia bezpiecznego
i bezkolizyjnego prowadzenia ruchu pojazdów kolejowych
Skrajnia budowli jest linią
graniczną, której nie powinna
przekroczyć żadna część
budowli i urządzeń.
Wymiary skrajni w kierunku
poziomym mierzy się od osi
toru, w kierunku pionowym
- od górnej krawędzi główki
szyny.
Przykład skrajni
(skrajnia B, obecnie nieaktualna)
Nawierzchnia kolejowa
Zadania nawierzchni:


umożliwienie prowadzenia pojazdów po szynach
przenoszenie na podtorze obciążeń statycznych
i dynamicznych spowodowanych ruchem pojazdów
kolejowych
1
Elementy nawierzchni klasycznej
(podsypkowej):
szyny kolejowe
2. podkłady
3. przytwierdzenia szyn
do podkładów
4. podsypka
5. ew. warstwa ochronna
4
1.
3
2
2
1
1
3
4
5
Szyny kolejowe
Rola szyn:
prowadzą zestawy kołowe
 bezpośrednio przenoszą obciążenie naciskami
statycznymi i oddziaływaniami dynamicznymi kół
pojazdu szynowego
 przekazują obciążenia pojazdami
kolejowymi bezpośrednio na podkłady
 przewodzą prąd zasilający (powrotny)
w przypadku trakcji elektrycznej

Budowa szyny:
główka – bezpośrednio współpracuje z kołami pojazdu, ma kształt
dostosowany do przekroju kół
szyjka – łączy główkę ze stopką, musi mieć odpowiednią sztywność
na zginanie (sztywność giętną)
stopka – oparcie szyny na podkładach
Typy szyn kolejowych
60E1 (inaczej UIC 60)
Wymagane cechy szyn:
odporność na zużycie i zmianę
kształtu, wytrzymałość zmęczeniowa
w warunkach dynamicznych
49E1 (inaczej S49)
Charakterystyki szyn
Parametr
Powierzchnia przekroju [mm2]
Masa 1 metra szyny [kg]
Typ 60E1
Typ 49E1
7686,00
6297,00
60,34
49,43
Moment bezwładności Ix
[m4]
3055,00
1819,00
Moment bezwładności Iy
[m4]
513,00
320,00
335,50
240,00
Wskaźnik wytrzymałości Wx [m3]
Szyny produkowane są ze stali niskostopowych, średniowęglowych, zaliczanych do materiałów trudno-spawalnych
Standardowa stal szynowa:
St90: wytrzymałość na rozciąganie Rm = 880 MPa
St110: wytrzymałość na rozciąganie Rm = 1100 MPa
wymagana granica plastyczności Re ≅ 0,64 Rm
Pochylenie boczne szyn
Pochylenie boczne szyn
Zużycie siodłowe
obręczy kół (rys. a)
Szyny układane są w pochyleniu bocznym
ku środkowi toru, ze względu na
stożkowatość kół pojazdów szynowych.
Kształt stożkowy (1:20) powierzchni tocznych
kół zapobiega siodłowemu zużyciu obręczy
(niedopuszczalne, bo powoduje znaczny
wzrost sił dynamicznych), umożliwia tzw.
samonaprowadzanie.
Wady: ślizganie się kół (szczególnie na
łukach) i powstawanie ruchu wężykowego
Wężykowanie pojazdu szynowego
Połączenia szyn (styki)
Połączenia (złącza) łubkowe – odcinki szyny są połączone
za pomocą łubków cztero- lub sześciootworowych oraz śrub
łubkowych
– styk wiszący (niepodparty)
– styk podparty
1. łubek czterootworowy
2. śruby łubkowe z nakrętkami
3. przerwa międzyszynowa
4. podkładki żebrowe na podkładach
Źródło: www.transportszynowy.pl
łącznik szynowy
Połączenia szyn (styki)
Izolowane złącza łubkowe  dzielą toki szynowe na
odcinki niezależne elektrycznie
Stosowane są na liniach zelektryfikowanych wyposażonych w układy
kontroli zajętości odstępów linii. Przejeżdżający tabor kolejowy zwiera
zestawami kołowymi odizolowane toki szyn, co stanowi sygnał zajętości
odstępu przez tabor.
Złącze z łubkami
Złącze z łubkami stalowymi
z tworzywa sztucznego
Poprzeczna (pionowa)
przekładka izolacyjna
(a) przekładka poprzeczna,
(b) wkładka podłużna,
(c) tuleja izolacyjna śruby
(a) przekładka poprzeczna,
(b) łubek z tworzywa sztucznego,
(c) blaszka dociskowa
(d) tuleja izolacyjna śruby
Połączenia odcinków szyn
Izolowane złącza szynowe klejono-sprężone
Złącze składa się z dwóch łubków sześciootworowych lub
czterootworowych, śrub sprężających, przekładki izolacyjnej
podłużnej i poprzecznej, tulejki izolacyjnej oraz zaprawy
klejowej.
Części składowe:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
łubek wzmocniony
śruba sprężająca z nakrętką
podkładka
przekładka izolacyjna podłużna
przekładka izolacyjna poprzeczna
tulejka izolacyjna
zaprawa klejowa (żywica + utwardzacz)
Faza montażu
Tor bezstykowy
Tor bezstykowy: tor, który powstaje w wyniku trwałego
połączenia odcinków szyn o normatywnej długości
(zespawania bądź zgrzania bezpośrednio w torze).
Długość toru bezstykowego
jest ograniczona jedynie
warunkami układu torowego
wymagającego przecięcia
toku szynowego
(np. założenie styku
izolowanego,
ułożenia rozjazdu
niespawanego itp. ).
Tor bezstykowy
Spawanie termitowe metodą SoWoS
Metoda polega na nałożeniu na miejsce łączenia formy spawalniczej
odpowiadającej przekrojowi szyny danego typu. Następnie łączone
szyny podgrzewa się palnikiem i w formę spawalniczą wlewa się
spoiwo spawalnicze (termit), którego nadlew po zastygnięciu się
obcina. Kolejnym krokiem jest szlifowanie miejsca łączenia.
www.transportszynowy.pl
Tor bezstykowy
Zalety:





spokojna jazda (brak stukotu na połączeniach szyn)
mniejsze zużycie szyn i kół taboru (większa trwałość)
redukcja drgań i hałasu przy przejeździe pociągu
mniejsze zużycie materiałów (brak łubków, śrub łubkowych
i podkładów podzłączowych)
mniejsze nakłady na utrzymanie nawierzchni
Wady:
Tor wymaga starannego utrzymania,
a zwłaszcza niedopuszczenia do
wyboczenia wskutek koncentracji
naprężeń (naprężenia termiczne
i naprężenia wynikające z pełzania toków
szynowych)
Podkłady
Belki poprzeczne do osi toru, do których za pomocą
specjalnych przytwierdzeń mocuje się szyny
Rola podkładów:
przejmują naciski szyn i przekazują je
na podsypkę
 zagłębione w podsypce czoła podkładów stanowią podparcie
szyn w płaszczyźnie poziomej (w kierunku podłużnym
i poprzecznym do osi toru – szczególnie na łukach poziomych)
 zapewniają stały rozstaw szyn
 tłumią drgania szyn przekazywane na podsypkę (poprawa
własności tłumiących podkładów przez zastosowanie zelówek)

Podkłady
Rodzaje podkładów
w zależności od materiału:
 drewniane
betonowe (strunobetonowe
lub żelbetowe w zależności
od typu zbrojenia)
 stalowe
 stalowo-betonowe (dwublokowe)
 kompozytowe (z tworzyw sztucznych)

Podkłady drewniane
Belki wykonywane z drewna drzew iglastych (sosny) lub
liściastych (buku lub rzadziej dębu), nasyconego środkiem
przeciwgnilnym.
Trwałość:
ok. 18 lat – podkłady sosnowe
ok. 25 lat – podkłady bukowe
ok. 30 lat – podkłady dębowe
i z drewna azobe
Zalety:
nie przewodzą prądu (ważne ze względu na instalacje elektryczne na
kolei) i bardzo dobrze tłumią drgania, stosunkowo łatwe do wymiany
Wady:
korozja biologiczna, koszty użycia drewna, mały współczynnik tarcia
– przez co nie nadają się do toru bezstykowego, częste ścinanie
wkrętów
Podkłady drewniane
Pod względem kształtu podkłady drewniane dzielą się na
belkowe (B) i obłe (O).
Charakterystyki: masa 60-80 kg, długość 2,60 m (IB, IIB, IIO) i
2,50 m (IIIB, IIIO, IVO), wskaźnik wytrzymałości Wx = od 6,2 ∙ 10-4
do 8,3 ∙ 10-4 m3
Podkłady betonowe
Belki betonowe w postaci monobloków:
 podkłady strunobetonowe – wstępnie sprężone strunami
stalowymi, najczęściej stosowane
 podkłady żelbetowe – zbrojone klasycznie prętami
stalowym
Trwałość: ok. 40 lat (lepsza niż podkładów drewnianych)
Masa:
od 220 do 300 kg
Podkłady betonowe
Podkłady betonowe
Zalety:
niska cena, duża wytrzymałość,
niewielkie przewodnictwo elektryczne,
stwarzają duży opór na przesunięcie
ze względu na dużą masę,
utrzymują geometrię toru lepiej od
podkładów drewnianych
Wady:
duża sztywność zwiększająca oddziaływania dynamiczne,
tłumienie drgań i hałasu słabsze niż podkładów drewnianych,
podatność na uszkodzenia mechaniczne (kruchość, rysy i
pęknięcia w betonie), trudniejsza technologia budowy i
utrzymania nawierzchni (trudna wymiana)
Przytwierdzenia szyn
Elementy nawierzchni kolejowej służące do połączenia
szyn z podkładami lub szyn z innymi podporami
Ogólnie dzielą się na:
przytwierdzenia sztywne (śrubowe) i sprężyste
Rola przytwierdzeń:
 połączenie szyn z podkładami w poziomy ruszt ramowy
zagłębiony w podsypce
 zapewnienie odpowiedniego pochylenia stopy szyny (1:20,
1:40) w płaszczyźnie przekroju
 zapobieganie podłużnym ruchom szyn względem podkładów
 tłumienie drgań i hałasu – wkładki wibroizolacyjne i elementy
sprężyste w przytwierdzeniach sprężystych
Przytwierdzenia szyn
Przytwierdzenie bezpośrednie : sztywne
Szyny są przymocowane do podkładów tymi samymi
wkrętami co podkładka. Wymiana szyny z tym
przytwierdzeniem wymaga tylko odkręcenia wkrętów.
Jest to przytwierdzenie słabsze w porównaniu z
przytwierdzeniem pośrednim, nie zapewnia stałego docisku
szyny do podkładu, jest bardzo rzadko stosowane – tylko na
liniach o znaczeniu miejscowym.
Części składowe:
wkręty
 podkładka żebrowa

Przytwierdzenia szyn
Przytwierdzenie pośrednie typu K : sztywne
Podkładka żebrowa przymocowana jest do podkładów
wkrętami, szyna zaś do podkładki za pomocą śrub
stopowych i łapek sztywnych.
Przytwierdzenie zalicza się do przytwierdzeń sztywnych
(połączenie śrubowe), mimo zastosowania pierścieni sprężystych
na śrubę stopową.
Części składowe:
a)
b)
c)
d)
podkładka żebrowa
łapki sztywne
wkręty
śruby stopowe
Przytwierdzenia szyn
Przytwierdzenie pośrednie typu Skl: sprężystośrubowe
Przytwierdzenie szyn do
podkładów za pomocą łapek
sprężystych. Łapki są
osadzone w wycięciach żeber
podkładki.
Części składowe:
a)
b)
c)
d)
podkładka żebrowa
łapki sprężyste
wkręty
śruby stopowe
d
b
c
b
a
c
Przytwierdzenia szyn
Przytwierdzenie pośrednie typu SB : sprężyste
Przytwierdzenie szyn do podkładów (wyłącznie
strunobetonowych) za pomocą łapek sprężystych. Łapki są
zamocowane w kotwach osadzonych w podkładach.
SB-3
Części składowe:
a)
b)
c)
d)
kotwy
łapki sprężyste
wkładka izolacyjna (amortyzacyjna)
przekładka podszynowa
b
c
d
a
Przytwierdzenia szyn
Przytwierdzenie typu Nabla : sprężyste
Części składowe:
a)
b)
c)
d)
podkładka z PE
łapka sprężysta
wkręt
przekładka
podszynowa
Odpowiedniki polskich
przytwierdzeń sprężystych typu SB:
Pandrol Fast Clip (system angielski),
Vossloh (system niemiecki)
c
b
a
d
Podsypka
Warstwa zagęszczonego tłucznia (rzadziej żużla
wielkopiecowego, żwiru lub pospółki) ułożona pod
podkładami na torowisku, wypełniająca przestrzeń między
podkładami
b
a
c
f
d
e
a)
b)
c)
d)
e)
f)
szyna
podkład
podsypka
ława torowiska
warstwa ochronna
korona torowiska
Najczęściej stosowaną podsypką jest tłuczeń (kruszywo
kamienne) o uziarnieniu 31,5 ÷ 50,0 mm.
Grubość warstwy podsypki jest przyjmowana
w granicach od 0,16 m do 0,35 m, w zależności od rodzaju
podkładów i klasy technicznej toru.
Podsypka
Rola podsypki:





przeniesienie nacisków przekazywanych przez podkłady
na torowisko
możliwie równomierny
rozkład nacisków podkładów
na powierzchnię torowiska
źródło: W. Koc i inni „Drogi szynowe”
odprowadzenie wód opadowych z otoczenia podkładów
na boki torowiska, aby utrzymać podtorze w możliwie
suchym stanie
przeciwdziałanie podłużnemu i poprzecznemu
przesunięciu rusztu torowego (utrzymanie podkładów
w położeniu zaprojektowanym)
tłumienie drgań toru, przekazywanych na podtorze
Podsypka
Właściwości podsypki zależą od:

rodzaju materiału skalnego (skład mineralogiczny
i chemiczny)
skały magmowe głębinowe (granity, dioryty, sjenity, gabra)
skały wylewne (bazalty i porfiry)
cech fizycznych (wytrzymałość mechaniczna, ścieralność,
kruchość, mrozoodporność)
 składu granulometrycznego (wielkość i kształt ziaren)
 zdolności filtracyjnych kruszywa

Podsypka jest najbardziej odkształcalnym elementem nawierzchni
kolejowej. Pracuje w stanie sprężysto-plastycznym, tzn. doznaje
odkształceń trwałych. Odkształcenia trwałe kumulują się.
Narastanie odkształceń trwałych postępuje bardzo szybko, gdy
podsypka jest zanieczyszczona.
Podsypka
Rodzaje zanieczyszczeń:
 pozostawiane przez człowieka (np. papierki i butelki
wyrzucane z okna pociągu)
 naturalne, takie jak np. ziemia,
trawa, liście, itp.
 zapylenie
 usypy miałkich towarów
z wagonów
Podsypka musi być co pewien okres
czasu czyszczona.
Zanieczyszczenia przy równoczesnym zawilgoceniu powodują
pokrycie ziaren tłucznia mazią, która zmniejsza tarcie między
ziarnami, ziarna łatwiej przesuwają się względem siebie, co może
powodować zwiększenie osiadań i zmianę profilu warstwy
tłuczniowej.
Podsypka
Do oczyszczania tłucznia wykorzystuje się specjalne
maszyny - oczyszczarki tłucznia - które jadąc po torach
czyszczą tłuczeń nawierzchni torowej. Maszyny te sięgają
przy oczyszczaniu poziomu ławy torowiska.
Standardy konstrukcyjne
nawierzchni
Wymagania dotyczące elementów konstrukcyjnych
nawierzchni są określone przez standardy konstrukcyjne.
Standardy konstrukcyjne nawierzchni określają:
 typ szyn,
 typ, rodzaj i rozstaw podkładów,
 typ przytwierdzeń i złączy,
 rodzaj i grubość warstwy podsypki.
Są przyporządkowane do danej klasy technicznej toru.
Wyróżnia się 6 klas technicznych torów. W każdej z nich
można stosować kilka równorzędnych standardów
konstrukcyjnych.
Klasy techniczne torów
Warunki klasyfikacji torów kolejowych
Klasy
techniczne
torów
Dopuszczalna
prędkość pociągów
[km/h]
Obciążenie
przewozami
w [Tg/rok]
Uwagi
1
2
3
4
0
200
nienormowane
1
120
140
160
powyżej 25
2
80
100
16-25
16-25
3
70
80
9-15
9-15
4
60
70
4-8
4-8
5
30
40
0-3
0-3
O zaklasyfikowaniu toru do
danej klasy decyduje jeden z
parametrów określonych w
kolumnach obok, przy czym
wyboru parametru należy
dokonywać z
uwzględnieniem analiz
niezawodności, dostępności i
podatności utrzymaniowej w
rozumieniu normy
PN-EN 50126 „Zastosowania
kolejowe – specyfikacja
niezawodności, dostępności i
podatności utrzymaniowej ...”
Przykład standardu konstrukcyjnego
Standard konstrukcyjny dla toru klasy 0
Wariant
Typ szyny
Rodzaj
podkładów
Maksymalny
rozstaw
podkładów
[m]
Rodzaj
przytwierdzenia
Minimalna
grubość
podsypki pod
podkładem
[m]
1
2
3
4
5
6
0.1
nowe
UIC60 dla
v>200 km/h
PS-93
PS-94
0,60
SB
0,35
0.2
nowe
UIC60 dla
v>200 km/h
I/B, II/B
twarde
0,60
Skl
typu K
0,30
Instrukcja PKP PLK Id-1 (D-1) „Warunki techniczne utrzymania
nawierzchni na liniach kolejowych" proponuje od 2 to 6 wariantów
standardu konstrukcyjnego nawierzchni dla każdej klasy toru.
Kategorie linii kolejowych
Parametry eksploatacyjne linii kolejowych
L.p.
Kategoria linii kolejowej
Obciążenie
przewozami
T [Tg/rok]
Prędkość
maksymalna
vmax [km/h]
Prędkość maks.
pociągów
towarowych
vt [km/h]
1
2
3
4
5
T  25
120 < vmax  200
80 < vt  120
1
Magistralne (0)
2
Pierwszorzędne (1)
10  T < 25
80 < vmax  120
60 < vt  80
3
Drugorzędne (2)
3  T < 10
60 < vmax  80
50 < vt  60
4
Znaczenia miejscowego (3)
T<3
vmax  60
vt  50
Spełnienie jednego z warunków wymienionych w tabeli jest
wystarczające do zakwalifikowania linii do odpowiedniej kategorii.
Każdej kategorii linii kolejowej odpowiada określony standard
nawierzchni kolejowej, ukształtowanie geometryczne trasy,
urządzenia srk.