Температурные силы и их воздействие на путь

Изменение температуры рельсов, особенно длинных рельсовых плетей, могут создать большие продольные температурные силы и напряжения в рельсах. Большие температурные изменения могут привести к потере устойчивости рельсовой плети или ее разрыву.

Если в пути не было бы сил сопротивления изменению длины рельсов, то длина рельсовой плети измениться на величину:

,

где - коэффициент линейного расширения рельсовой стали 11, 8*10^-8;

- длина рельса;

- изменение температуры.

Различают стыковые и погонные силы сопротивления изменению длины рельса.

Rн – стыковые сопротивления.

Заданные сопротивления зависят от многих факторов:

- особенности конструкции;

- способов закрепления;

- степени затяжки стыковых болтов.

В зимнее время стыковые сопротивления больше чем в летнее.

Rп – погонные силы сопротивления со стороны промежуточных скреплений, которые в зимнее время больше чем в летнее.

Так как путь рассматривается как балка на сплошном упругом основании, то погонные силы сопротивления относят к единице рельсовой плети.

Построим температурную диаграмму работы рельсов.

По оси абсцисс откладывается температура рельса – t.

По оси ординат изменение длины рельса Л, мм.

Допустимое изменение длины рельса ограничено экстремальными значениями величины стыковых зазоров.

Обозначим через Tmax и Tmin максимальную и минимальную температуру рельсов в заданном цикле температур. Изменение длины рельсов происходит в ту и другую сторону. Предположим, что рельсы уложены при температуре tc, при этом величина стыкового зазора равна Лс.

Если бы не было сил сопротивления изменению длины рельсов, то изменение длины рельсов подчинялось бы линейному закону т.е.

При изменении температуры с учетом сил сопротивления температурная диаграмма будет иметь следующий вид (см. рисунок выше).

Рассмотрим процесс укорочения рельса, а соответственно увеличение стыкового зазора вначале при изменении температурных напряжений (изменении температур).

На участке tн-л – накладки-летние изменение длины рельсов не происходит. В них накапливаются напряжения за счет сопротивления в стыках.

Затем при изменении температуры на величину больше чем tн-л начнется уменьшение длины рельса при преодолении погонных сил сопротивления, это изменение происходит по закону квадратной параболы. Как только будут преодолены погонные силы сопротивления, изменение длины рельса подчиняется закону свободного укорочения.

Это укорочение будет происходить до тех пор, пока не произойдет перехода с летних условий на зимние. Для этого должно произойти изменение температуры рельса на величину tн-з – tн-л.

Дальнейшее изменение длины рельса будет происходить по закону квадратной параболы, при изменении температуры на tп-з – tп-л.

Дальнейшее изменение длины рельса будет происходить по линейному закону.

На участке t2 температурные силы воспринимаются стыковыми болтами.

При увеличении t: в начале компенсируются напряжения в стыковых болтах;

затем, чтобы произошло изменение длины рельса необходимо преодолеть или компенсировать вначале двойное сопротивление в накладках (связанное с понижением t, а затем с повышением t);

при дальнейшем повышении температуры, изменение длины рельсов подчиняется закону квадратной параболы на участке 2tп-з.

Когда погонные силы сопротивления будут преодолены, изменение длины рельса подчиняется линейному закону, т.е. будет свободное. При переходе с зимних, на летние условия произойдет изменение длины рельса без изменения t.

Л=[(t_н-з-t_н-л)+(t_п-з-t_п-л)]*α *L,

Далее изменение длины рельса будет происходить по линейному закону до тех пор, пока величина стыкового зазора не будет равна 0.

На участке t1 возникают продольные температурные силы, которые воспринимаются торцами рельсов до Tmax.

В дальнейшем при уменьшении t компенсируются продольные температурные силы на участке t1, затем двойные температурные силы 2tн-л, затем двойные погонные силы 2tп-л.

Получим температурную диаграмму работы рельсовых плетей и составим уравнение температурного баланса рельса:

Tmax-Tmin=t1+2* t_н-л+ t_п-л+(t_н-з-t_н-л)+(t_п-з-t_п-л)/2+Л/(α *L)+t2,

Tmax-Tmin=t1+t2+ (t_н-л- t_н-з)+(t_п-з+t_п-л)/2+Л/(α *L),

Если среднегодовые значения температур в зависимости от сил сопротивления в стыках обозначить:

tн=(t_н-з+t_н-л)/2, а погонные температурные силы сопротивления обозначить:

tп=(t_п-з+t_п-л)/2, то получим зависимость – уравнение годового теплового баланса.

Tmax-Tmin=t1+t2+2* tн+tп+Л/(α *L),