Устройство железнодорожного пути

Карьерные железнодорожные пути по назначению и месту расположе-ния в карьере, а также условиям эксплуатации подразделяются на временные (со сроком службы до 1 года), перемещаемые по мере подвигания фронта горных работ, и постоянные (со сроком службы более 1 года). К времен-ным(передвижным) путям относят погрузочные пути добычных и вскрыш-ных уступов (т.е. забойные пути), разгрузочные пути породных отвалов и от-валов бедных руд (отвальные пути), а также пути скользящих и тупиковых съездов (пути по борту карьера, соединяющие траншейные и забойные пути, внутрикарьерных постов и разъездов и др.).

К постоянным(стационарным) путям относят главные траншейные пути, поверхностные пути к пунктам разгрузки поездов, станционные (как главные и приемно-отправочные, так и экипировочные пути, пути ремонта и

осмотра состава), а также пути ремонтных площадок, звеносборочных баз, хозяйственных грузов и др.

На карьерах эксплуатируется большое количество железно-дорожных путей, из которых 30-35 % - передвижные. Большая часть карьерных путей имеет балластное основание из щебня и гравия. Около 30 % всех путей уложены на криволинейных участках и более 20 % из них имеют уклоны, превышающие 10 ‰.

Различия в условиях эксплуатации передвижных и стационарных путей обусловливают различные ограничения скоростей движения по ним. Так, по передвижным участкам пути максимальная скорость движения состава огра-ничивается 15-25 км/ч (есть участки, где эти цифры еще меньше ~5 км/ч). На стационарных путях в траншеях и на поверхностных перегонах длиной 3 км и более, расположенных на незастроенной территории, скорость ограничива-ется 45-65 км/ч, а на застроенной территории составляет 25-40 км/ч.

При движении по стационарным путям скорость локомотива с вагона­ми, укрепленными сзади, ограничивают до 40 км/ч, а с вагонами вперед - до 25 км/ч. Скорость следования поезда при приеме на станцию должна быть не более 20 км/ч.

В зависимости от годового грузооборота Г стационарные пути подраз-деляются на три категории: I - Г > 22 млн т брутто (υ < 65 км/ч), II -Г = 10-22 млн т (υ < 40 км/ч), III - Г < 10 млн т (υ < 25 км/ч).

Железнодорожный путь состоит из нижнего и верхнего строений. К нижнему строениюотносится земляное полотно (рис. 6.1) с искусственными сооружениями (мостами, путепроводами, эстакадами) и водоотводными сис­темами (трубами, лотками, канавами, кюветами).

Земляное полотно по форме поперечного профиля сооружают в виде насыпей (рис. 6.1, а), выемок (рис. 6.1, б), нулевых мест (рис. 6.1, в), полуна-сыпей (рис. 6.1, г), полувыемок (рис. 6.1, д), полунасыпей-полувыемок (рис. 6.1, е).

Для отсыпки насыпей применяются материалы, обеспечивающие проч-ность и устойчивость земляного полотна. Это предварительно разрыхленные скальные дренирующие породы: галечные, гравийные, песчаные (за исклю-чением пылевидных песков) грунты; шлаки; слабо дренирующие супеси; глины; легкие суглинки, содержащие не менее 50 % частиц крупнее 0,25 мм и не более 6 % глинистых частиц менее 0,050 мм; лёссовидные грунты

Рис. 2.1. Типы поперечного профиля земляного полотна

Часть земляного полотна, на которой размещается верхнее строение пути, называется основной площадкой. Ширина основной площадки (рис. 2.1) зависит от ширины колеи, числа путей и характеристики грунта.

На отвалах, где применяются одноковшовые экскаваторы, в местах раз-грузки думпкаров расстояние от оси железнодорожного пути до верхней бровки должно быть при грузоподъемности думпкара до 60 т не менее 1600 мм, а при грузоподъемности свыше 60 т - 1800 мм.

При отработке уступов экскаваторами с верхней погрузкой расстояние от бровки уступа до оси железнодорожного пути устанавливается не менее 2,5 м.

Для предохранения земляного полотна от разрушительного действия поверхностных и грунтовых вод предусматривают водоотводные сооруже-ния, что имеет большое значение в карьерных условиях, особенно для отвода воды от земляного полотна забойных и отвальных путей.

Водоотводные сооружения выполняют в виде кюветов, лотков и нагор-ных канав (рис. 2.1)

При необходимости осушения выемки от грунтовых вод сооружают лотки глубиной 2 м.

Нагорные канавы для ограждения земляного полотна от поверхностных вод в выемках и на станциях выполняют глубиной и шириной по дну не ме-нее 0,6 м, с продольными уклоном - не менее 2 ‰.

При пересечении железной дорогой различных препятствий (рек, овра-гов, автомобильных и железных дорог и т.д.) возводятся искусственные со-оружения: мосты, путепроводы, эстакады, виадуки, тоннели и т.д.

К верхнему строениюпути относятся рельсы со стыковыми и проме-жуточными скреплениями, шпалы и балластный слой, противоугонные уст-ройства.

Рельсы служат для направления движущихся колес подвижного соста­ва, восприятия и передачи давления нижележащим элементам верхнего и нижнего строения пути. Вертикальные (в основном) и горизонтальные уси-лия, передаваемые рельсам, вызывают их изгиб в вертикальной и горизон-тальной плоскостях, а также кручение, смятие и истирание. Поэтому за осно­ву рельса приняты двутавровые сечения, как обладающие наибольшим со-противлением изгибу. На железных дорогах применяют широкоподош-венные рельсы, состоящие из головки 1, шейки 2 и подошвы 3 (рис. 6.2). Тип рельса определяется массой, кг, одного метра длины.

Рис. 2.2. Сечение рельса

На карьерных железнодорожных путях используют широкоподошвен-ные рельсы как новые - стандартные, так и старогодные, снимаемые с маги-стральных железных дорог.

На путях с широкой колеей преимущественно используются рельсы Р-43, Р-50, Р-65, Р-75.

Длина рельсов, выпускаемых в настоящее время, составляет, в основ­ном, 25 м, что обеспечивает высокую надежность работы и стабилизацию пу-тевой решетки. Однако в некоторых случаях на забойных и отвальных путях при их передвижке и удлинении возникает необходимость применения рель-сов длиной 12,5 м.

При годовом грузообороте более 3-5 млн т брутто рекомендуется укла-дывать рельсы Р-50, при 15-30 млн т брутто - Р-65. При грузообороте более 30 млн т брутто в год и нагрузках на ось состава 300 кН и более - рельсы Р-75.

Шпалы служат для соединения рельсовых нитей железнодорожной ко-леи и для передачи давления от подвижного состава на балластный слой. Шпалы карьерных железнодорожных путей изготавливают из дерева, желе-зобетона и металла.

Деревянные шпалы выпускаются двух видов: обрезные (А), у которых пропилены все четыре стороны, и необрезные (Б), у которых пропилены только постели. В зависимости от размеров поперечного сечения шпалы под-разделяют на три типа (I, II и III). Толщина шпалы в зависимости от ее типа равна 180-150 мм, ширина верхней постели - 165-150 мм, нижней - 250-230 мм. Длина всех типов шпал равна 2750 мм, а шпал, изготовленных по спецза-казу, может быть равна 2800 мм и 3000 мм. Масса деревянных непропитан-ных шпал в сухом состоянии, соответственно, I, II и III типов составляет 59-46 кг, а пропитанных - 70-55 кг.

Шпалы I типа укладывают при грузонапряженности пути более 10 млн т брутто в год и нагрузке от оси подвижного состава более 250 кН, шпалы II типа - при грузонапряженности более 10 млн т брутто в год и на­грузке от оси подвижного состава менее 250 кН, III типа - при грузонапря­женности менее 10 млн т брутто в год.

Шпалы выходят из строя, в основном, из-за механического износа, осо-бенно на передвижных путях. Из-за большого расхода шпал в карьерах необ-ходимо проводить мероприятия по увеличению их срока службы: пропитку антисептиками, обвязку концов шпал стальной полосой или проволокой и др.

Долговечность стационарных путей повышается с применением железо-бетонных шпал. Использование их на передвижных путях затруднено вслед-ствие их значительной массы и необходимости тщательного выравнивания зем­ляного полотна и балластной призмы во избежание излома шпал.

В эксплуатации находятся железобетонные шпалы, армированные проволочными струнами (струннобетонные - С-56-1, С-56-2, С-56-2М, С-56-3, С-56-ЗМ), масса которых составляет 250 кг.

В настоящее время выпускаются струннобетонные шпалы ШС-1 и ШС-2 (рис. 2.3).

Рис. 6.3. Струннобетонная шпала: 1 - арматура; 2 - закладочная шайба

Железобетонные шпалы укладывают в путь под рельсы Р-50, Р-65 и Р-75 на щебеночный и асбестовый балласт на прямых и кривых (радиусом не менее 350 м) участках пути I и II категории.

Металлические шпалы, имеющие ограниченное применение, выполня-ются сварными из листовой стали с ребрами жесткости.

Число шпал на 1 км пути (называемое эпюрой шпал) зависит от на-грузки на ось подвижного состава, грузонапряженности дороги, типа рель-сов, скорости движения поездов и для колеи 1520 мм принимается равным 1440, 1600, 1840, 2000 шт/км. На криволинейных участках стационарных пу­тей число шпал на 1 км увеличивают по сравнению с примыкающим прямым участком до ближайшего большего значения.

Рельсовые скрепления разделяют на промежуточные и стыковые.

Промежуточные рельсовые скрепления, служащие для соединения рельсов со шпалами, состоят из подкладок, прикрепителей, в качестве кото-рых применяют костыли, шурупы, клеммные или закладные болты и проти-воугоны.

Подкладки под рельсы служат для передачи давления от рельсов на шпалы. Применение подкладки уменьшает износ шпал и увеличивает сопро-тивление боковому сдвигу рельсов, а значит, срок службы. Уклон подкладок 1:20 обеспечивает подуклонку рельсов, равную уклону поверхности катания колес подвижного состава.

Прокладки под подошву рельса или под подкладку (резиновые или де-ревянные) обеспечивают смягчение ударов от подвижного состава.

Промежуточные рельсовые скрепления (рис. 2.4) подразделяют на нераздельные, при которых рельс и подкладка прикрепляются к шпале одним и тем же прикрепителем (костылем или шурупом), раздельные, когда рельс и подкладка крепятся одним прикрепителем (например, клеммой и болтом), а подкладка к шпале прикрепляется другим (шурупом или болтом), и смешан-ные, при которых рельсы к шпале крепятся нераздельным способом, а подкладка дополнительно прикрепляется к шпале отдельным прикрепителем (костылем или шурупом). Раздельные скрепления повышают устойчивость пути как в горизонтальном, так и в продольном направлениях.

При деревянных шпалах иногда делают костыльное скрепление, но по­сле многократного прохода поездов и передвижек путей костыли наддерги-ваются и прокладка свободно вибрирует между рельсом и шпалой, вызывая износ последних. Поэтому более рациональны обшивочные костыли, кото-рые прижимают прокладку к шпале независимо от основных костылей (рис. 2.4, а), или установка вместо обшивочных костылей пружинных рас-порных (рис. 2.4, б).

Раздельное скрепление (рис. 2.4, в) отличается тем, что прокладка при­крепляется к шпале шурупами, а рельс к подкладке - клеммами. Устойчивая работа узла крепления достигается применением пружинных клемм (рис. 2.4, г).

Основные типы раздельных скреплений для железобетонных шпал по-казаны на рис. 2.4, д,е, рис 2.4, ж, з. Все перечисленные скрепления имеют много болтов, которые в процессе эксплуатации необходимо часто подтяги-вать и смазывать. Интересны специальные типы скреплений для металличе-ских и железобетонных шпал с минимальным количеством деталей (рис. 2.4, и, к).

Стыковые рельсовые скрепления (рис. 2.5) предназначены для соеди-нения рельсов между собой. Они состоят из накладок и болтов с гайками и шайбами (рис. 2.5, а).

На перемещаемых путях при передвижке путепередвигателями цик-личного действия используют плоские или фартучные накладки. При пере-мещении путей путепередвигателями непрерывного действия применяют на­кладки специальной формы, позволяющие оставить свободной нижнюю часть головки рельса для пропуска зажимных роликов путепередвигателя (рис. 2.5, б).

Противоугоны (пружинные или самозаклинивающиеся) применяются для предохранения железнодорожного пути от угона.

Балласт служит для равномерного распределения давления, смягчения ударов от подвижного состава, отвода поверхностных вод, защиты земляного полотна от промерзания, увеличения сопротивления сдвигу рельсошпальной решетки.

Для балласта используют щебень с размером фракций 25–70 мм (в том числе и из металлургических шлаков); гравий, сортированный с разме-ром фракций 5–60 мм; крупнозернистый песок с частицами 1–3 мм и даже 1-0,5 мм, а также асбестовые отходы и шлаки от сгорания каменного угля

Балластная призма железнодорожного пути имеет ширину (измеряется поверху), равную 3,1 м при однопутной линии, 7,2 м - при двухпутной и 12,2 м - при трехпутной линиях.

Толщина балластной призмы из щебня равна 0,25 и 0,15 м, а песчаной подушки (обычно укладываемой на стационарных путях) - 0,20 м. Откосы балластной призмы имеют крутизну 1:1,5, а песчаной подушки 1:2. Если земляное полотно состоит из скальных, крупнообломочных и песчаных грунтов, то щебеночный и асбестовый балласт укладывают без подушки.

На открытых горных разработках применяют стандартные широкую- 1520 мм и узкую- 750 мм колеи. Ограниченное применение имеют колеи шириной 1000 и 900 мм. В большинстве других стран стандартной является колея шириной 1435 мм.

На криволинейных участках для облегчения прохождения подвижного состава уширение колеи выполняется в зависимости от радиуса кривой, но не может выходить за пределы 1540 мм. На путях с перемещаемой рельсо-шпальной решеткой на прямых и криволинейных участках применяется ко­лея одинаковой ширины (1530 мм) с отклонениями по уширению +6 мм, по сужению -4 мм.

Во избежание чрезмерного давления на наружный рельс при прохож-дении криволинейных участков малого радиуса у внутренней рельсовой нит­ки при радиусах 120 м и менее должны укладываться контррельсы, которые принимают на себя боковое давление и отжимают колесную пару от наруж-ного рельса. Однако при этом увеличивается сопротивление движению поез-дов в кривых.

На прямых участках пути верх головок рельсов обеих нитей должен быть на одном уровне. Допустимые отклонения на стационарных путях со-ставляют до 4-8 мм, на передвижных - до 20 мм.

На кривых участках выполняется возвышение наружного рельса над внутренним для компенсации возникающей центробежной силы. Допускае-мое возвышение для широкой колеи равно 150 мм, для узкой - 40 мм. Возвышение рельса осуществляется поднятием на балласт наружных концов шпал или приданием уклона основной площадке.

а

б

в

г

д

е

и

з

к

Рис. 2.4. Промежуточные рельсовые скрепления: а - смешанное скрепление (типа ДО) с обшивочными костылями; б - смешанное скрепление (типа ДО) с распорными кос­тылями; в - раздельное скрепление с жесткой клеммой (тип Д2); г - раздельное скрепле­ние с пружинной клеммой (тип Д4); д, е, ж, з - скрепление для железобетонных шпал, со-ответственно, типа КБ, ЖБ, ЖБР и БП; и, к - специальные типы скреплений (с минималь-ным количеством крепежных деталей), соответственно, для металлических шпал - РСМ-65: 7 - подкладка; 2 - закладная клемма; 3 - металлическая шпала и железобетонных -РСЖ-65: 1 - подкладка; 2 - прокладка под подкладку; 3 и 5 - закладные клемма и шайба; 4 - пружинная скоба

Рис. 2.5. Стык с двухголовыми накладками

Для перевода подвижного состава с одного пути на другой применяются стрелочные переводы. Стрелочный перевод (рис. 2.6) состоит из остряков (перьев) 1, рамных рельсов 2, переводной кривой 3, контррельсов 4, необходи-мых для удержания ребер колес при прохождении мертвого пространства 5, крестовины 6 с сердечником. За крестовиной располагается предельный столбик 7, указывающий место остановки локомотива при ожидании встреч-ного поезда. Положение предельных столбиков определяет полезную длину пути на станциях и разъездах. Все эти элементы стрелочного перевода можно объединить в три узла: стрелка, крестовинная часть и соединительные пути.

Рис. 2.6. Одиночный стрелочный перевод

Рамные рельсы, к которым прилегают остряки, являются продолжени-ем путевых рельсов. Они укладываются на специальные подкладки или на сплошные металлические листы. Остряки (рельсы, заостренные с одной сто­роны) служат для направления поезда на тот или иной путь. При любом по­ложении стрелки один из остряков прижимается к рамному рельсу, а другой - отодвигается, образуя зазор для прохода колес подвижного состава.

Переводной механизм 8 служит для перевода стрелки из одного поло­жения в другое. Стрелочные переводы укладываются на переводные брусья (длиной 2750-5500 мм), поперечное сечение которых то же, что и шпал. Стрелочный перевод называют правым (левым), если ответвленный путь, считая от стрелки к крестовине, отклоняется вправо (влево). Стрелочные переводы бывают симметричными (если оба пути отклоняются от перво-начального направления под одинаковыми углами) и несимметричными.

Стрелочные переводы являются пошерстными (более предпочтитель-ное движение), если поезда движутся от крестовины к стрелке, и противо-шерстными - при обратном движении.

Для обеспечения безопасного движения карьерных поездов необходи-ма взаимная увязка предельных очертаний элементов пути, постоянных со-оружений и подвижного состава. С этой целью устанавливают габариты. Раз-личают габариты приближения строений, подвижного состава и погрузки.

Габарит приближения строений- это предельное поперечное (пер-пендикулярное к оси пути) очертание, внутрь которого не должны заходить никакие части сооружений и устройств, находящихся вблизи железнодорож-ного полотна. Исключение могут составлять лишь устройства, предназначен-ные для непосредственного взаимодействия с подвижным составом (вагонные замедлители в рабочем состоянии, контактные провода с деталями крепления, поворачивающаяся часть колонки при наборе воды и др.).

На территории промышленных предприятий сооружения и устройства путей должны удовлетворять требованиям габарита приближения строений С_п.

Для отдельных путей, когда по условиям технологического процесса не могут быть выдержаны требования габарита С_п, устанавливают специальные габариты приближения строений, утвержденные руководителями соответст-вующих отраслей. Так, для путей погрузки горной массы в вагоны с автоса-мосвалов утвержден габарит приближения строений С_р.

Габарит подвижного состава- это предельное поперечное очертание, в котором, не выходя наружу, должен помещаться как груженый, так и по-рожний подвижной состав, установленный на прямом горизонтальном пути.

Для подвижного состава, допускаемого к обращению по путям общей сети железных дорог, а также внешним и внутренним путям промышленных и транспортных предприятий, установлены габариты Т и 1-Т. Причем габарит Т предназначен для вагонов, допускаемых к обращению только по отдельным замкнутым направлениям реконструируемых железных дорог, так как мак­симальный размер его по ширине равен 3750 мм, а габарит 1-Т предназначен для вагонов, допускаемых к обращению по всем дорогам Российской Феде-рации, так как максимальный размер его по ширине составляет только 3400 мм. Поэтому грузовые карьерные вагоны грузоподъемностью до 60 т выпус-каются габаритом 1-Т, а большей грузоподъемностью - обычно габаритом Т. Кроме того, вагоны с осевой нагрузкой, превышающей 220 кН, не допуска-ются к выходу на пути общего пользования, на карьерных же путях могут эксплуатироваться вагоны с нагрузкой от оси на рельсы до 350 кН.

Габарит погрузки -это предельное поперечное очертание, в котором, не выходя наружу, должен размещаться груз (с учетом упаковки и крепления) на открытом подвижном составе при нахождении его на прямом гори-зонтальном пути.

Трассирование железнодорожных путей в карьерах связывается со способом вскрытия месторождения, который, в свою очередь, определяется раз-мерами и условиями залегания месторождения и рельефом местности.

Трассой называется линия, определяющая положение оси железнодорожного пути в пространстве. Проекция трассы на горизонтальную плос-кость называется планом пути, проекция развернутой трассы на вертикальную плоскость - продольным профилем пути.

План трассы определяется размерами карьерного поля, глубиной карь-ера и элементами продольного профиля. Трасса в плане имеет простой вид, если она имеет одно направление на всем протяжении.

При необходимости преодолевать значительную разность отметок в пределах карьерного поля трассу приходится искусственно развивать. Если протяженность трассы больше длины борта карьера, то возможны два слу-чая:

1) когда трасса размещается на одном борту карьера и отдельные ее прямые отрезки соединяются между собой тупиками, реже петлями;

2) когда трасса переводится с одного борта карьера на другой, образуя спираль.

Прямые участки пути в плане соединяются круговыми кривыми раз-личного радиуса. Для придания подвижному составу спокойного хода пря-мые участки пути с круговыми кривыми соединяют посредством переходных кривых, радиус которых плавно изменяется от бесконечности до радиуса кривой. По условиям движения желательно при трассировании линии при-менять возможно большие радиусы кривых, так как при этом повышаются скорость движения и плавность хода поездов, однако в условиях карьеров это приводит к значительному увеличению объема горно-капитальных работ.

Наименьший радиус кривой назначается в соответствии с типом под-вижного состава и главным образом локомотивов, так как вагоны допускают обычно меньшие радиусы. Минимальный радиус кривых на стационарных путях широкой колеи не должен быть менее 200 м. На передвижных путях минимальные радиусы принимаются в пределах 100-150 м.

Железнодорожный путь в вертикальной плоскости состоит из горизон­тальных (площадки) и наклонных (уклоны) участков.

В зависимости от направления движения уклон может быть подъемом или спуском. Уклон пути iизмеряется в тысячных долях и определяется как отношение разности отметок конца и начала участка пути hк горизонтальной проекции этого участка L. Например, если h= 40 м, а L= 1000, то

Угол α мал, поэтому длину горизонтальной проекции принимают рав-ной длине пути. Уклоны обозначаются как десятичной дробью, так и числом тысячных (промилле), например, величина 0,040 обозначается 40 ‰.

Для тяговых и эксплуатационных расчетов железнодорожного транс-порта решающее значение имеет руководящий уклон. Руководящим уклоном /_p называется наибольший затяжной уклон пути, по которому устанавливает-ся масса поезда при движении с установившейся скоростью.

Руководящий уклон выбирается на основании технико-экономического сравнения вариантов. Согласно правилам технической эксплуатации, руко­водящий уклон при электровозной тяге не должен превышать 45 ‰.

Положение железнодорожного пути в вертикальной плоскости харак-теризуется продольным профилем. Продольный профиль линии вычерчива-ется в следующих масштабах: горизонтальном - 1:10000 или 1:5000 и верти-кальном - 1:1000 или 1:500, т.е. с искажением 1:10. Отдельные участки про-дольного профиля с постоянным уклоном называются элементами профиля. Сопряжение элементов продольного профиля карьерных путей без переход-ных кривых допускается, если разность уклонов смежных элементов не пре-вышает 8-9 ‰. Радиус вертикальных кривых может быть принят равным 2000 м.

Контрольные вопросы

1. Какова область применения железнодорожного транспорта?

2. Каковы достоинства и недостатки железнодорожного транспорта?

3. Из каких элементов состоит рельсовый путь?

4. Какие допуски применяются по ширине колеи и высоте рельсов?

5. Что такое план и продольный профиль пути?

6. Как определяется величина уклона железнодорожного пути?

7. Какие типы рельсов, шпал и скреплений применяются на карьерном железнодорожном транспорте?

8. Из каких элементов состоит стрелочный перевод? Что называется маркой стрелочного перевода?

9. Какова последовательность операций при укладке и передвижке
рельсовых путей?

10.В чем заключается принципиальное различие между переукладкой и
передвижкой железнодорожного пути?