Infrastruktura transportu kolejowego. Wykład 2 Rodzaje i elementy składowe konstrukcji nawierzchni kolejowych

Transkrypt

1 Infrastruktura transportu kolejowego Wykład 2 Rodzaje i elementy składowe konstrukcji nawierzchni kolejowych

2 Nawierzchnia kolejowa Zespół konstrukcyjny ułożony na podtorzu, który umożliwia prowadzenie pojazdów po szynach przenosi na podtorze obciążenia statyczne i dynamiczne spowodowane ruchem pojazdów kolejowych Rodzaje nawierzchni: klasyczna (podsypkowa) niekonwencjonalna (bezpodsypkowa) System "FF Bögl"

3 Nawierzchnia klasyczna Elementy nawierzchni : 1. szyny kolejowe 2. podkłady 3. przytwierdzenia szyn do podkładów 4. podsypka 5. ew. warstwa ochronna

4 Szyny kolejowe Budowa szyny: główka bezpośrednio współpracuje z kołami pojazdu, ma kształt dostosowany do obręczy kół szyjka łączy główkę ze stopką, musi mieć odpowiednią sztywność giętną stopka zapewnia oparcie szyny na podkładach Rola szyn: prowadzą zestawy kołowe pojazdów bezpośrednio przenoszą obciążenie naciskami statycznymi i dynamicznymi kół pojazdu szynowego i przekazują to obciążenie na podkłady przewodzą prąd zasilający (zwrotny) w przypadku trakcji elektrycznej

5 Ułożenie szyn Pochylenie boczne szyn Zużycie obręczy kół Szyny są układane w pochyleniu bocznym ku środkowi toru ze względu na stożkowatość obręczy kół pojazdów szynowych. Kształt stożkowy powierzchni tocznych kół zapobiega siodłowemu zużyciu obręczy, umożliwia tzw. samonaprowadzanie. Wady: ślizganie się kół (szczególnie w łukach) i powstawanie ruchu wężykowego Wężykowanie pojazdu szynowego

6 Typy szyn kolejowych 60E1 (inaczej UIC 60) Wymagane cechy szyn: odporność na zużycie i zmianę kształtu, odpowiednia wytrzymałość zmęczeniowa w warunkach dynamicznych 49E1 (inaczej S49)

7 Charakterystyki szyn Parametr Typ UIC 60 Typ S49 Powierzchnia przekroju [mm 2 ] 7686, ,00 Masa 1 metra szyny [kg] 60,34 49,43 Moment bezwładności I x [m 4 ] 3055, ,00 Moment bezwładności I y [m 4 ] 513,00 320,00 Wskaźnik wytrzymałości W x [m 3 ] 335,50 240,00 Szyny produkowane są ze stali niskostopowych, średniowęglowych, zaliczanych do materiałów trudno-spawalnych Standardowa stal szynowa: St90: wytrzymałość na rozciąganie R m = 880 MPa St110: wytrzymałość na rozciąganie R m = 1100 MPa wymagana granica plastyczności R e 0,64 R m

8 Połączenia odcinków szyn Złącza łubkowe odcinki szyny są połączone za pomocą łubków cztero- lub sześciootworowych oraz śrub łubkowych styk wiszący (niepodparty) styk podparty łącznik szynowy 1. łubek czterootworowy 2. śruby łubkowe z nakrętkami 3. przerwa międzyszynowa 4. podkładki żebrowe na podkładach Źródło:

9 Połączenia odcinków szyn 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 stalowymi Złącze z łubkami 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

10 Połączenia odcinków szyn Izolowane złącza 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. łubek wzmocniony 2. śruba sprężająca z nakrętką 3. podkładka 4. przekładka izolacyjna podłużna 5. przekładka izolacyjna poprzeczna 6. tulejka izolacyjna 7. zaprawa klejowa (żywica + utwardzacz) Faza montażu

11 Tor bezstykowy Tor bezstykowy: powstaje w wyniku trwałego połączenia odcinków szyn o normatywnej długości (zgrzewania elektrooporowego, spawania termitowego lub łukowego). Długość toru bezstykowego jest ograniczona jedynie warunkami układu torowego wymagającego przecięcia toku szynowego (np. w celu założenie styku izolowanego, ułożenia rozjazdu niespawanego itp ).

12 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.

13 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 bezstykowy Tor wymaga starannego utrzymania, a zwłaszcza niedopuszczenia do koncentracji naprężeń grożących wyboczeniem (naprężenia termiczne i naprężenia wskutek pełzania toków szynowych

14 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 utrzymują geometrię toru (dzięki zagłębieniu w podsypce blokują przesunięcia toru w kierunku poziomym, poprzecznym do osi toru) zapewniają stały rozstaw szyn tłumią drgania szyn przekazywane na podsypkę

15 Podkłady Rodzaje podkładów : drewniane betonowe (strunobetonowe lub żelbetowe w zależności od typu zbrojenia) stalowe stalowo-betonowe (dwublokowe) kompozytowe (z tworzyw sztucznych)

16 Podkłady drewniane Belki wykonywane z drewna 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: częste ścinanie wkrętów, korozja biologiczna, koszty użycia drewna, mały współczynnik tarcia przez co nie nadają się do toru bezstykowego

17 Podkłady drewniane Pod względem kształtu podkłady drewniane dzielą się na belkowe (B) i obłe (O). Charakterystyki: masa kg, długość 2,60 m (IB, IIB, IIO) i 2,50 m (IIIB, IIIO, IVO), wskaźnik wytrzymałości W x = od 6, do 8, m 3

18 Podkłady betonowe Belki betonowe o kształcie 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

19 Zalety: Podkłady betonowe niska cena, duża wytrzymałość, niewielkie przewodnictwo elektryczne, stwarzają duży opór na przesunięcie ze względu na dużą masę utrzymują geometrię toru lepiej od 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)

20 Przytwierdzenia szyn Elementy nawierzchni kolejowej służące do połączenia szyn z podkładami lub szyn z innymi podporami. Ogólnie dzielą się na: przytwierdzenia sztywne 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.

21 Przytwierdzenia szyn Przytwierdzenie bezpośrednie : sztywne Szyny są przymocowane do podkładów tymi samymi wkrętami co podkładka. Wymiana szyny z tym przytwierdzeniem wymaga 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

22 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) podkładka żebrowa b) łapki sztywne c) wkręty d) śruby stopowe

23 Przytwierdzenia szyn Przytwierdzenie pośrednie typu Skl: sprężystosztywne Przytwierdzenie szyn do podkładów za pomocą łapek sprężystych. Łapki są osadzone w wycięciach żeber podkładki. Części składowe: a) podkładka żebrowa b) łapki sprężyste c) wkręty d) śruby stopowe b c a d c b

24 Przytwierdzenia szyn Przytwierdzenie pośrednie typu SB : sprężyste Przytwierdzenie szyn do podkładów lub innych podpór za pomocą łapek sprężystych. Łapki są zamocowane w kotwach osadzonych w podkładach betonowych lub innych podporach. Części składowe: a) kotwy b) łapki sprężyste c) wkładka izolacyjna (amortyzacyjna) d) przekładka podszynowa SB-3 c d a b

25 Przytwierdzenia szyn Przytwierdzenie pośrednie typu Nabla : sprężyste Części składowe: a) podkładka z PE b) łapka sprężysta c) wkręt d) przekładka podszynowa c b a d Odpowiedniki polskich przytwierdzeń sprężystych typu SB: Pandrol Fast Clip (system angielski), Vossloh (system niemiecki)

26 Podsypka Warstwa zagęszczonego tłucznia ułożona pod podkładami na torowisku, wypełniająca przestrzeń między podkładami. a b c d e f a) szyna b) podkład c) podsypka d) ława torowiska e) warstwa ochronna f) 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.

27 Podsypka Rola podsypki: przeniesienie nacisków przekazywanych przez podkłady na torowisko, możliwie równomierny rozkład nacisków podkładów na powierzchnię torowiska, 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.

28 Podsypka Właściwości podsypki zależą od: rodzaju materiału skalnego (skład mineralogiczny i chemiczny), 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 sprężystoplastycznym, tzn. doznaje odkształceń trwałych. Odkształcenia trwałe kumulują się. Narastanie odkształceń trwałych postępuje bardzo szybko, gdy podsypka jest zanieczyszczona.

29 Podsypka Podsypka musi być co pewien okres czasu czyszczona. 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. 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.

30 Podsypka Do oczyszczania tłucznia wykorzystuje się specjalne maszyny - oczyszczarki tłucznia - które jadąc po torowisku czyszczą tłuczeń nawierzchni torowej.

31 Warstwa ochronna Warstwa drobnego materiału kamiennego (pospółki, grysu, niesortu), ułożona pod podsypką na torowisku Zadania warstwy ochronnej (filtracyjnej): zabezpieczenie podsypki przed przenikaniem cząstek gruntu z podtorza, rozłożenie nacisków przekazywanych przez podsypkę na większą powierzchnię torowiska, polepszenie parametrów dynamicznych podtorza, polepszenie warunków filtracji na styku podtorza z podsypką, odprowadzenie wód opadowych, ochrona podtorza przed przemarzaniem.

32 Nawierzchnie bezpodsypkowe Elementy nawierzchni : System Edilon typu EBS szyny przytwierdzenia sprężyste płyty, belki lub bloki z betonu zbrojonego lub sprężonego ew. warstwa wibroizolacyjna (np. mata gumowa, warstwa elastomeru) podbudowa czyli warstwa gruntu stabilizowanego (zazwyczaj cementem) lub chudego betonu ew. warstwa ochronna System Shinkansen

33 Cechy charakterystyczne konstrukcji Nawierzchnie bezpodsypkowe Podłoże toru jest konstrukcją wielowarstwową, sztywności poszczególnych warstw (mierzone modułami odkształcenia E i ) są różne, maleją wraz z głębokością. Górną warstwą jest płyta betonowa lub bitumiczna warstwa nośna. System Getrac

34 Nawierzchnie bezpodsypkowe Cechy charakterystyczne konstrukcji Warstwy konstrukcyjne są wykonywane z materiałów o takiej wytrzymałości, która zapewnia pracę nawierzchni w zakresie odkształceń sprężystych tzn. bez kumulacji odkształceń trwałych. Rolę podsypki w zakresie tłumienia drgań i ograniczenia emisji akustycznej pełnią: warstwa bitumiczna lub cementowo-bitumiczna, ewentualnie dodatkowa warstwa np. elastomerowa, korkowo-polimerowa, mata gumowa, itp.). System Rheda 2000 tunel w węźle berlińskim

35 Nawierzchnie bezpodsypkowe Zastosowania: System Edilon typu ERS w tunelach, na mostach, wiaduktach i estakadach na odcinkach przejściowych między podtorzem ziemnym i obiektami inżynieryjnymi na stacjach i przystankach w obrębie aglomeracji miejskich na szlakach linii kolejowych dużych prędkości, alternatywnie do nawierzchni podsypkowych (najwcześniej zastosowano nawierzchnie bezpodsypkowe na liniach kolei japońskich Shinkansen)

36 Nawierzchnie bezpodsypkowe Zalety: niewielkie koszty utrzymania, duża trwałość (oceniana na co najmniej 60 lat) możliwość zmniejszenia wysokości konstrukcji duże opory boczne duża dokładność ułożenia szyn odporność na zanieczyszczenia dostępność na rynku wielu (co najmniej kilkunastu) systemów konstrukcyjnych, oferowanych przez różnych producentów System Rheda 2000"

37 Nawierzchnie bezpodsypkowe Wady: duży koszt budowy (średnia europejska ok Euro za metr, a ok. 400 Euro za metr nawierzchnie klasyczne) wady ukryte (niewidoczne uszkodzenia) duże wymagania w zakresie osiadań podtorza (podtorze musi być wzmocnione, bardzo dobrze zagęszczone i odwodnione) trudność napraw i długi czas ich wykonania (szczególnie w przypadku napraw związanych z osiadaniem podtorza) konieczność dokładnego zbadania podłoża, wykonania badań właściwości i oceny nośności gruntu