cấu tạo kết cấu tầng trên đường sắt

Để đảm bảo cho đoàn tàu chuyển động an toàn kết cấu tầng trên đờng sắt có hai ýnghĩa chính : - Truyền áp lực bánh xe của đoàn tàu đến các bộ phận của kết cấu tầng trên và nền đờng - Dẫn

Cấu tạo tầng trên Đường Sắt

I Khái niệm chung

Trong thời gian hiện nay đờng sắt của tất cả trên thế giới đều cấu tạo tầng trên

đờng sắt gồm các yếu tố sau:( Hình 1- 1)

Hình 1-1: Cấu tạo kết cấu tầng trên Đờng sắt

Ngoài ra còn có thiết bị phòng xô, ghi, ghi giao cắt, tà vẹt ghi và tà vẹt trêncầu

Để đảm bảo cho đoàn tàu chuyển động an toàn kết cấu tầng trên đờng sắt có hai ýnghĩa chính :

- Truyền áp lực bánh xe của đoàn tàu đến các bộ phận của kết cấu tầng trên và nền

đờng

- Dẫn hớng cho đoàn tàu chuyển động theo đờng ray

Do vậy để đạt đợc ý nghĩa trên kết cấu tầng trên đờng sắt cần phải có độ bềnvững trong quá trình đoàn tàu chuyển động và kéo dài thời gian sử dụng các bộphận tầng trên đờng sắt

1.1.1.Công dụng của ray và yêu cầu về ray

Ray là bộ phận quan trọng nhất của tâng trên đờng sắt dùng để đỡ và dẫn hớngcho bánh xe, trực tiếp nhận lực của bánh xe và truyền lực đó xuống tà vẹt

Khi tàu chạy giữa bánh xe và ray cần có lực ma sát, lực này rất cần để cho bánh

xe của đầu máy bám vào đờng ray Muốn vậy cần có sự bám lăn tốt khi mặt lăn củabánh ray phải nhám Nhng lực ma sát không có lợi gì cho các bánh xe khi chuyển

động, vì lực ma sát sinh ra lực cản của đoàn tàu Muốn cho lực cản nhỏ để ít gây trởngại cho các bánh xe chạy thì mặt lăn của đầu máy lại cần nhẵn Nhng ngợc lại khi

mở máy hoặc đóng máy thì cần cho mặt ray nhám để có ma sát thì bánh xe mớibám đợc vào ray

Khi chế tạo ray không có gì đặc biệt cho mặt lăn của đầu máy, mà mặt lăn của

nó đủ đảm bảo cho sức bám lăn của bánh cái đầu máy và lực cản vừa phải khônglớn lắm Khi cần thiết tăng lực bám cho bánh chủ động của đầu máy dùng bộ phậnrải cát lên mặt ray phía trớc bánh chủ động và cũng có thể tăng lực bám bằng cáchtẩy sạch chất dầu mỡ ở mặt lăn đầu ray bằng một thứ chất lỏng đặc biệt Đờng sắtSetéc pa – si phíc (nớc Mỹ) đã dùng phơng pháp này để gia công ray nên đã tăngtrọng lợng đoàn tàu lên 16,4 %

Trong quá trình đoàn tàu chuyển động lực tác dụng của bánh xe làm ray bị uốn(ray đặt lên gối tựa đàn hồi) Vậy, muốn chống lại lực uốn thì ray phải đủ cứng vàgiảm bớt lực đập của bánh xe vào ray thì phải có đủ độ dẻo

Muốn cho ray không bị lực dập quá mạnh thì vật liệu để chế tạo ray phải có độdai

Tóm lại, ray khi chế tạo cần thoã mãn những điều kiện sau :

- Mặt lăn đầu ray cần phải nhám và nhẵn

- Cứng và dẻo (dễ uốn )

- Rắn và dai ( không giòn)

Những yêu cầu nêu trên rất mâu thuẫn với nhau cho nên trong khi chế tạoray gặp nhiều khó khăn – mặc dù chế tạo ray có nhiều tiến bộ nhng việc chếtạo ray vẫn cha đợc giải quyết hoàn chỉnh để phù hợp với thực tế

Khi tàu chạy bánh xe truyền lực thẳng đứng và lực nằm ngang xuống ray Lực ngang đợc hình thành khi tàu chạy ở đờng cong và toa xe xê dịchngang, các lực này luôn luôn thay đổi gây nên những rung động làm cho ray lúnxuống trên các chỗ gối tựa đàn hồi (tà vẹt) làm ray uốn cong theo mặt thẳng

đứng và nằm ngang Bởi vậy làm thanh ray bị vặn đi, bị đập bẹp, bị mài mòn và

Ray để rộng rất cứng theo mặt phẳng thẳng đứng và nhất là theo mặt nằmngang, đảm bảo sự ổn định lớn cho cự li đờng ray.Trọng lợng, hình dáng và chấtlợng thép có liên quan chặt chẽ với nhau và phụ thuộc vào tải trọng trục, tốc độ

và cờng độ vận chuyển của tuyến đờng

Những mối tơng quan phụ thuộc đó nh sau:

1 Tải trọng của bánh càng lớn, vận tốc tàu chạy càng cao thì mô men quántính, mô men chống đỡ của ray càng phải lớn Do vậy thép chế tạo ray càngphải chắc, có thể chịu đợc lực uốn, nghĩa là ray càng phải nặng thì mới đảmbảo sức kháng cự tức thời của ray

2 Tải trọng động của bánh xe lớn thì áp lực của bánh xe truyền cho ray trêndiện tích nhỏ càng cao, nên chất thép chế tạo ray cũng phải rắn để không bịdập

3 Cờng độ vận chuyển của tuyến đờng càng lớn thì chất thép chế tạo ray càngphải có sức chống mòn cao để thời hạn sử dụng của ray đợc dài, cờng độ vậnchuyển lớn thì tải trọng động của bánh cũng lớn

4 Trong những điều kiện chế tạo ray hiện tại thì độ chắc khi chịu uốn tĩnh củathép chế tạo ray chủ yếu là tỷ lệ than C trong thép quyết định

Lợng than ở trong thép luyện mác tanh từ 0,40 - 0,63% có thể tăng sứcchống mòn lên 7 lần, còn khi thay đổi lợng than từ 0,63 - 0,76% thì chỉ tăngkhoảng 30% Nếu lợng than trong thép càng lớn thì trong những điều kiện nh nhauray càng dòn Tính dòn của thép khi có tác dụng lực xung kích sẽ nguy hiểm ởvùng kéo dãn hơn là vùng khác

ứng suất kéo tối đa xuất hiện ở đế ray, vì vậy muốn giảm ứng suất kéo ở đếray thì phải tăng trọng lợng kim loại ở đế ray so với đầu ray và trong thép càng cónhiều than thì càng phải tăng lợng kim loại Lợng than trong thép càng nhiều, kimloại càng dòn thì ứng suất nội trong ray phát sinh càng lớn khi uốn

5 Lợng than càng nhiều ở thép thì càng dễ có ứng suất tập trung cho nên càngphải thay đổi hình dạng ray từ đầu tới đế ray một cách từ từ

6 Lợng than ở thép ray càng nhiều thì cần chú ý làm nguội ray từ từ ở giai đoạnnhiệt độ giới hạn hay là càng cần giữ ray ở trạng thái nhiệt độ không đổi trong lònhiệt độ thấp để tránh hiện tợng xuất hiện các điểm trắng Hiện tợng các điểm trắng

là hiện tợng phát sinh các vết nứt hỏng cực nhỏ ở trong kim loại, khi ray bị hoạt tảilàm cho chấn động thì các chỗ nứt hỏng này phát triển dần và liên kết với nhau lại

nó sẽ làm yếu tiết diện ngang của ray và làm ray bị hỏng dới tác dụng của tải trọng,

ở những chỗ gẫy của các thanh ray nh thế ta nhìn thấy những điểm màu trắng hoặctối nhng mặt rất nhẵn, đó là do khi ray bị rung thì các chỗ chấm đó lúc bị ép, lúc bịgiãn ra các chỗ nứt bị cọ xát hoá thành ra trơn nhẵn

Các điểm trắng xuất hiện chủ yếu là do khí hyđrô hoà tan trong thép thoát ra.Khí hyđrô (H 2 ) hoà tan vào thép khi luyện thép từ quặng ẩm và sắt vụn rỉ, khinhiệt độ 70 0 C thì thép chứa nhiều H 2 nhất Nhiệt độ giảm thì độ hoà tan của H

2 cũng giảm đi Khi H 2 thoát khỏi thép gây nên những ứng suất nội trong kimloại và trong nhiều trờng hợp hình thành các điểm trắng

7 Lợng than C chứa càng nhiều ở trong thép ray cần phải giữ đúng thành phầnhoá học, đặc biệt đối với các chất hỗn hợp lân P và lu huỳnh S vì chất này ảnhhởng rất lớn đến chất lợng thép ray

Quá trình chế tạo thép trong lò quay khoảng dài mấy chục phút, còn chế tạothép lò Mác tanh kéo dài hàng mấy giờ Nh vậy theo phơng pháp Mac tanh có khảnăng điều hoà các thành phần hoá học khi cần thiết Do vậy khi chế tạo theo kiểu lòquay thì bắt buộc phải cho phép sai số lớn về thành phần hoá học, nhng ray P38 vàP43 lợng than C trong thép xê dịch 0,23%, còn theo kiểu lò Mác tanh thì chỉ cần0,13% Nếu có nhiều than trong thép ray nên dùng phơng pháp theo kiểu lò Máctanh

8/ Càng nhiều than C trong thép ray thì càng phải chú ý quá trình chế tạo, l ợng

C nhiều trong thép ray thì kim loại càng dễ có hiện tợng gây ứng suát tập trung,những chỗ này dễ làm cho ray bị h hỏng

Vậy khi chế tạo ray thì các tạp chất bị đốt cháy một phần, chất Fe cũng bị

đốt cháy thành chất ôxy hoá, chất ôxy hoá này hoà tan ở kim loại lỏng và có thểlàm cho kim loại không thích hợp cho việc chế tạo sau này Vì vậy kim loại trớc khirót vào khuôn, phải khử O 2 nghĩa là giải phóng O 2 khỏi chất ôxy hoá, bằngcách cho những chất hút O 2 Nếu thép cha khử hết ôxy thì sẽ kém dẻo, kém daikhi bị dập và khi nhiệt độ thấp Khi sử dụng ray càng lâu ngày, thì tính chất càng bịgiảm Do vậy phải chú ý tới việc khử ôxy và đổ thép từ từ vào khuôn Song khi khử

ôxy không nên làm bẩn kim loại nhất là đối với chất khử ôxy họ chất nhôm Vìtrong trờng hợp này thép bị bẩn, cho nên phải hạn chế bớt chất nhôm bằng cáchcho vào thép chất khử ôxy là gang đặc biệt (trong gang có nhiều Mn)

Khi chế tạo ray loại nặng phải làm những thỏi thép lớn Ví dụ ở Liên xô (cũ)khi chế tạo ray P65 và P75 dùng thỏi thép nặng 9,6 tấn thép để chế tạo ray mang kíhiệu Fe 3 C

Bảng phân bố thép ở bộ phận ray và thành phần hoá học của các loại ray tiêuchuẩn chế tạo tai Liên Xô (Cũ) Bảng (1-1)

Bảng 1-1

bảng tổng hợp thành phần hoá học trong ray

0,75-0,28

0,69-1,05

0,75-0,28

0,13-0,03

1.1.2 Trọng lợng của ray.

Trọng lợng của ray đợc xác định trên cơ sở tải trọng trục, tốc độ chuyển động

của đoàn tàu năng lực vận chuyển, chất lợng chế tạo ray và mặt cắt ngang của ray.Theo tài liệu nghiên cứu của giáo s Sa-khu-nhi-an đã xác định trọng lợng của ray

a- là hệ số phụ thuộc vào đầu máy và toa xe

Đối với đầu máy a= 1,13

Đối với toa xe a= 1,20

T max - Cờng độ vận chuyển, TTkm/km/năm

V - Tốc độ chuyển động của đoàn tàu: km/h

p – Tải trọng tĩnh của đầu máy: Tấn

Nh vậy tải trọng trục của đầu máy càng lớn, tốc độ của đoàn tàu càng cao,khối lợng vận chuyển càng lớn thì yêu cầu trọng lợng ray cũng càng lớn Trọng l-ợng ray sử dụng trên đờng sắt Liên Xô (cũ) từ 44 kg/m - 75kg/m còn trên đờng sắtkhông chuyên dụng dùng ray loaị nhẹ từ 38kg/m- 43kg/m Trên đờng sắt Mỹ dùngray từ 30 kg/m - 77 kg/m, đờng sắt của Đức dùng ray 30 kg/m - 64 kg/m, đờng sắtPháp và Bun-ga-ri 30 kg/m - 50 kg/m, Anh dùng ray 23 kg/m - 56 kg/m

Viện nghiên cứu đờng sắt Liên Xô (cũ) (SNII – MPS ) đã tính toán tìm ramối quan hệ giữa khối lợng vận chuyển của tuyến đờng sắt với trọng lợng ray Khối lợng vận chuyển lớn hơn 50 TTkm/km – 75 kg/m

Khối lợng vận chuyển lớn hơn 30 – 25 TTkm/km – 65 kg/m

Khối lợng vận chuyển nhỏ hơn 25 TTkm/km – 50 kg/m

Nh vậy trọng lợng của ray đợc phân bố tỷ lệ nh sau: Phần đầu ray chiếm43,6%, đế ray 34,8% còn lại phần thân ray là 19,3% đối với ray có trọng lợng 43,6kg/m theo kiểu ray cũ cần theo TOCT 7173- 54 thì trọng lợng của ray là 44,65 kg/m

1.1.3 Tiết diện và kích thớc hình học của ray.

1.1.3.1 Tiết diện ray.

Khi bánh xe lăn trên đờng ray thì tác dụng lên ray một hợp lực là Q Phântích Q thành 3 lực thành phần: lực thẳng đứng P, lực nằm ngang H và lực dọc T(Hình 1- 2) Lực nằm ngang H phát sinh khi tàu chạy ở trên đờng cong và ngay cảtrên đờng thẳng luôn luôn chịu lực đẩy ngang Dới tác dụng của các lực này khitàu chạy làm cho ray bị chấn động gây nên ray bị uốn, xoắn, mài mòn đỉnh và máray, có khi xê dịch đi so với tà vẹt làm cho tà vẹt lún Lực cơ bản để chọn đ ờng ray

là lực thẳng đứng P, lực này làm cho ray bị uốn Do đó tiết diện chịu lực uốn tốtnhất của ray có dạng hình chữ I Vậy, trong quá trình chế tạo ngời ta thay đổi dầnkích thớc tiết diện ray để cho ray làm việc tốt hơn theo yêu cầu kỹ thuật ngày đòihỏi càng cao

- Mặt lăn đầu ray

Mặt lăn của ray hơi lồi (Hình 1- 3), Khoảng cách f từ đỉnh ray đến vị trí xác

định bán kính R là 0,9 – 2,5mm (đối với ray Nga) để đảm bảo áp lực của bánh xekhi truyền xuống đờng ray không lệch khỏi trục ray Nếu đặt ray không đúng độnghiêng 1/20 thì áp lực p của bánh xe truyền xuống sẽ lệch khỏi tim ray một đoạn

Hình 1-2: Sơ đồ lực tác dụng lên ray

x (Hình1- 4) do giữa mặt lăn đỉnh ray và mặt lăn của bánh xe của đầu máy và toa

xe khi đặt trên đờng phải có quan hệ với nhau để đảm bảo yêu cầu chịu lực (Hình1-5a và Hình 1- 5b) đối với vị trí mối nối giữa hai ray

p 1 - là áp lực do bánh xe gây nên

f - là hệ số ma sát giữa ray và lập lách

Mặt lăn càng lồi thì áp lực càng truyền qua đúng trục ray nhng diện tích tiếpxúc giữa bánh xe và ray càng nhỏ, thì ứng suất tiếp xúc càng lớn hơn Nh vậy sứcchống đỡ của vật liệu đối với các ứng suất đó cũng phải tơng ứng thì mới đảm bảo

đợc Kim loại chế tạo ray bị ép theo mọi chiều nên có thể chịu đợc áp suất thẳng

đứng hàng mấy ngàn kg/cm 2 mà không bị biến dạng đàn hồi áp lực thẳng đứngtruyền ở phần giữa của mặt lăn đầu ray, đồng thời khống chế cho ứng suất tiếp xúckhông lớn quá bằng cách cho mặt lăn có độ cong rất nhỏ Muốn vậy, ngoài giới hạnphần giữa của mặt ray thì độ cong phải lăn theo đờng cong có bán kính thay đổi mà

độ cong nhỏ nhất nằm ở phần giữa hay theo đờng cong liên hợp

Từ bán kính R= 300mm chuyển tiếp xuống bán kính r 1 đối với ray P43 Nếu mặt lăn phẳng bánh xe lệch khỏi vị trí tiếp xúc theo trục ray thì áp lực sẽtruyền xuống trục ray bị lệch một đoạn z

- Chuyển tiếp sang má ray

Dùng bán kính r 1 để chuyển tiếp sang má ray, trị số của bán kính này tơngứng với độ cong chỗ chuyển tiếp của gờ bánh xe Trong chế tạo mặc dù hình dángcủa mặt lăn bánh xe đã lăn để cho áp lực truyền từ bánh xe xuống ray không lệchkhỏi trục ray, nhng nhiều khi yêu cầu này vẫn không đạt đợc theo ý muốn do đókhông nên chế tạo đầu ray rộng quá nh vậy sẽ hạn chế đợc độ lệch của lực thẳng

đứng truyền xuống Chiều rộng của đầu ray không chế tạo rộng quá 70 – 75mm

Hình 1-3 Hình 1-4 Hình 1-5a Hình 1-5b

Bán kính chuyển tiếp r 1 đối với đầu máy là 13,5mm, còn đối với toa xe bằng15mm Khi thiết kế thờng chọn trị số r 1 = 13mm (đối với ray chế tạo tại Liên Xô).

Để đảm bảo diện tích tiếp xúc giữa ray với lập lách khi chế tạo phải chú ý chiềurộng đầu ray phía dới phải đủ rộng xem cấu tạo của mặt cắt ngang (Hình 1-5b).Vậy, muốn làm cho diện tích tiếp xúc giữa ray và lập lách đợc lớn hơn thì cần làmbán kính lợn r 2 nhỏ

Trị số r 2 xác định từ 2-5mm

- Mặt cạnh dới của đầu ray

- Mặt lạch dới của đầu ray

Mặt lạch dới của đầu ray cùng với mặt trên của đế ray là vị trí cho lập láchtựa (Hình 1-5b)

Theo hình vẽ góc nghiêng α càng nhỏ thì lực thẳng đứng truyền xuốngcàng tốt qua lập lách, vì độ nghiêng 1/m = tg α Góc α càng nhỏ thì mối nốicàng cứng, nếu độ nghiêng 1/m càng lớn thì bu lông của mối nối càng phải làmviệc căng thẳng nhất là dới tác dụng của lực động

Lập lách khi chế tạo sao cho khi bị ép ở giữa đầu ray và đế ray không bịchạm vào thân ray để khi mặt tiếp xúc giữa ray và lập lách bị mòn thì lập lách đ ợccác bulông ép chặt sẽ luôn áp sát vào phía đầu ray và đế ray, nh vậy lập lách không

bị hỏng, khi các mặt tiếp xúc giữa lập lách và ray bị mòn thì trị số khe hở E giữalập lách và ray nhô dần và khi E=0 thì bu lông không thể ghì lập lách vào với ray đ-

ợc Do vậy cần đảm bảo E đủ (E=3-6mm) và tgα = 1: 2 (1/3 hoặc 1/4) là đảm bảo

điều kiện làm việc của lập lách khi mòn vẫn luôn áp chặt vào thân ray Chuyển tiếp

từ má ray sang thân có hai bán kính r 3 và r 4 , trị số bán kính r 4 bằng hai lần r

3 Đối với ray 43 kg/m và 50 kg/m, r 4 = 3-5mm

- Mặt nghiêng phần trên của đế ray

Mặt nghiêng phần trên của đế ray ở vị trí tiếp xúc với lập lách cùng chế tạo

có độ nghiêng 1: m nh mặt dới của đầu ray và phần gần ngoài rìa làm hơi dốc với

độ dốc là 1/k Ray 43 kg/m có độ dốc là 1:3, ray 50 kg/m, 65 kg/m là 1:4 , nh ởAnh lấy 1:6, Thuỵ Điển 1:1,3 và Mỹ 1:4

Nh vậy việc thiết kế mặt trên đế ray phải đợc phân bố kim loại theo tiết diệncủa ray một cánh hợp lý để đảm bảo điều kiện khai thác khi tàu chạy qua khu vực

có mối nối đợc an toàn Chuyển tiếp từ thân ray sang đế ray có trị số bán kính r 5 =

15 – 30mm hai trị số bán kính ở đế ray R= 350mm (Hình 1- 6), kích thớc hình

học của các loại ray xem hình 1-7

H×nh 1-6

1.1.3.2.TÝnh kÝch thíc c¬ b¶n cña ray.

c- Ray 60kg/md- Ray 75kg/m

H×nh1-7: MÆt c¾t ngang cña c¸c lo¹i ray

a- Ray 43kg/m, b- Ray 50kg/mc- Ray 60kg/m, d- Ray 75kg/m

- Chiều rộng đỉnh ray cần đủ rộng để đảm bảo điều kiện chịu lực và đặt nghiêng1/20 để mặt lăn của bánh xe luôn tiếp xúc với ray, ở phần mặt lồi (Hình1- 8) xác

định chiều rộng mặt đỉnh ray trên đờng thẳng

Vậy b đợc xác định theo công thức sau :

a 0 - là khoảng cách mặt lăn bánh xe độ nghiêng 1/20

T - cự ly phía trong của đôi bánh

r 1 - là bán kính đỉnh ray

S 0 - cựa ly hai ray trên đờng thẳng

Trong điều kiện đoàn tàu chuyển động xét trờng hợp bất lợi nhất một bánh

xe áp sát mặt tác dụng phía trong của ray nh ( Hình 1- 9) thì chiều rộng đỉnh ray b

đợc xác định theo công thức sau :

b= a 0 + r 1 - d (1-4)

Hình 1-8: Sơ đồ tính bmin

Theo tài liệu của Đờng sắt Nga khi tính đối với trục của đầu máy toa xe d=33mm, a= 100mm Kết hợp hai trờng hợp khi đoàn tàu chuyển động ( Hình 1 – 8

và Hình 1- 9) thì chiều rộng b phải thoã mãn điều kiện sau:

a 0 + r 1 -

S0−T

2 < b < a 0 + r 1 - d (1-5)

- Chiều cao và chiều rộng đế ray đợc xác định trên cơ sở mặt cắt ngang của ray

có dạng hình chữ I (nh trong sức bền vật liệu đã tính toán kết cấu chịu lực uốn tốt).Trong phần này chỉ xác định mối quan hệ các ngoại lực tác dụng vào ray (Hình 1-10) với kích thớc của ray

Để xác định chiều cao H và chiều rộng B của ray cần xác định các ngoại lực do

áp lực P tác dụng thẳng đứng lên ray, lực đẩy ngang Q, mô men uốn M và thành

Hình 1-9: Sơ đồ tính bmax

Hình1-10: Sơ đồ xác định chiều cao H và chiều rộng đế ray B

1-Ray; 2-Bulông hoặc đinh đờng

3-Tấm đệm; 4-Tàvẹt

phần ghìm giữ ray với tàvẹt P 1 Xét trong điều kiện ổn định nhất thanh ray không

bị lật, lấy mômen tại điểm A ở vị trí mép đế ray

Q – Lực đẩy ngang tác dụng phía trong của ray cánh đế ray một khoảng H

P - Lực thẳng đứng tác dụng lên đỉnh ray

M – Mô men uốn ngoại lực

P 1 - Lực chống nhô của đỉnh đờng hay bulông liên kết giữa ray với tà vẹt

C – Khoảng cách từ trục ray đến vị trí P 1

Từ công thức (1-7) thấy rằng lực P 1 càng lớn thì chiều rông B càng nhỏ, nhvậy chiều rộng B phụ thuộc loại liên kết giữa ray với tà vẹt Sau khi đã xác định B,vấn đề đặt ra là phải tìm chiều cao H, ở Liên xô xác định quan hệ giữa chiều rộng

đế ray B với chiều cao H tỷ lệ:

ở Mỹ, đối với tất cả các loại ray lấy trong khoảng từ 0,87 - 0,91

ở Tiệp Khắc tính với ray 43kg/m là 0,8

- Chiều cao của ray đợc xác định trên cơ sở phù hợp với chế tạo ở trong nhà máy

và vận chuyển đến bãi lắp cầu ray hoặc đến vị trí thi công bằng các phơng tiện vậntải tàu hoả hay ô tô cỡ lớn cho thuận lợi Sau đây là bảng giới thiệu chiều dài raytiêu chuẩn của các nớc trên thế giới

Chiều dài

ray l (m)

12,5 và 25

11,8

và24

30/40và60

24và48

20và25

18và29

- Tính chất chung của ray đợc tính trong bảng 1- 3

1.1.4.Tính tuổi thọ của ray

Thời gian phục vụ của ray đợc xác định một cách hợp lý, thì mới đánh giá

đ-ợc thời gian cần phải thay ray và hiệu quả kinh tế trong khai thác đờng sắt Thời gian phục vụ của ray phụ thuộc vào trọng lợng đoàn tàu, loại ray loạikiến trúc tầng trên, điều kiện khai thác, lợng hàng hoá thông qua và chất lợngkhi chế tạo ray Tất cả những yếu tố đó dẫn đến trong quá trình khai thác ray bịmòn và khuyết tật Nếu gọi b là chiều rộng đỉnh ray, Z 0 là độ hao mòn thẳng

đứng của ray, vậy diện tích hao mòn của ray là ω0 (H1-11)

Nếu gọi T (TT) là lợng hàng hoá thông qua làm cho

ray mòn với diện tích ω0 thì ta có:

1/ Đối với ray trên khu vực đờng thẳng

λ là trị số ảnh hởng do đờng cong gây nên

Theo giáo s Dalatarski khi R < 1000m thì λ xác định theo công tác thực

Nếu R =300m tại độ hao mòn thẳng đứng của ray tăng gấp 5,2 lần so vớitrên đờng thẳng

C là trị số đo cùng loại kết cấu tầng trên và trạng thái của tuyến đờng gâynên, đợc xác định theo công thức thực nghiệm của giáo s Sakhunhian

C= 0,5 + 11600

k

u (1-13)

k- hệ số cứng của ray, kg/cmu- là môđuyn đàn hồi của nền dới ray, kg/cm2 đợc xác định ở bảng 1-4 N- trị số ảnh hởng do chất lợng của thép ray

Theo GS Sakhunhian xác định:

N=n1*n2 (1-14)Trong đó n1, n2 là hệ số đối với ray khi cha sử dụng lấy n1=1, khi ray đã khaithác n1=1/2 đến 2/3

n2=1,00+1,4(0,76-Y) khi Y = 0,76 ¿ 0,66n2=1,44+4,56(0,66-Y) khi Y = 0,66 ¿ 0,63n2=1,28+3,5(0,76-Y) khi Y = 0,63 ¿ 0,4Trong đó:

y - là tỷ lệ phần trăm của các bon trong ray

p - tải trọng tĩnh của bánh xe, T

r - bán kính bánh xe, cm

S - độ trợt của bánh xe,%

Theo giáo s Sakhunhian đã xác định số hạng (1+9S) theo bảng 1-5

Vậy thời gian phục vụ của ray t là:

t =

T

T r=

ω0ρTT r (năm) (1-15)

1.1.5.Phụ tùng nối giữ

- Phụ tùng nối giữ cần đảm bảo liên kết chặt giữa ray với tà vẹt và ray với ray

ở vị trí mối nối (đờng sắt có mối nối) để khi đoàn tàu chuyển động qua các bộ phậnkiến trúc tầng trên không biến dạng Đặc biệt đối với tà vẹt bê tông có tuổi thọ caonên phối kiện liên kết cần phải thiết kế cho phù hợp với tuổi thọ lâu dài của tà vẹt.Phối kiện liên kết là loại vật liệu có số lợng sắt thép lớn trên đờng sắt Do vậy khithiết kế cần đảm bảo sao cho các chi tiết dễ gia công và chế tạo hàng loạt Mặtkhác, do đặc điểm của tà vẹt bê tông có độ cứng gấp 3 ¿ 5 lần so với tà vẹt gỗ vàdẫn điện nên phối kiện cần phải có độ đàn hồi và dễ cách điện Tóm lại, phụ tùngnối giữ cần phải thoả mãn các yêu cầu sau:

1- Đảm bảo giữ ray chắc chắn về cự ly, độ nghiêng chống lật đổ, chống ray xôdới tác dụng của tải trọng đoàn tàu và lực xuất hiện do thay đổi của nhiệt độ

2- Đảm bảo độ bền, độ đàn hồi cao theo chiều thẳng đứng cũng nh chiều nằmngang khi chịu tải

3- Giữ cự ly đờng không thay đổi trên đờng thẳng cũng nh trên đờng cong 4- Các chi tiết đơn giản, gọn nhẹ trong chế tạo, lắp ráp và sửa chữa đồng thời rẻtiền

5- Đảm bảo điều chỉnh cự ly đờng dễ dàng chính xác

6- Thuận tiện và đơn giản khi cần giải quyết cách điện

7- Thuận tiện đơn giản khi kiểm tra cũng nh khi thay thế

8- Kéo dài thời gian sử dụng của các bộ phận trong quá trình khai thác

Phụ tùng nối giữ chia làm hai nhóm:

Nhóm 1: Phụ kiện nối giữ ray

Nhóm 2: Phụ kiện nối ray.

1.1.5.1 Phụ kiện nối giữ ray.

Để đạt đợc những yêu cầu trên đối với các phối kiện là rất khó khăn, songcho đến nay có nhiều loại phối kiện khác nhau đợc sử dụng ở đờng sắt các nớc trênthế giới Mỗi loại phụ kiện đều có những u, nhợc điểm của nó, không có thể khẳng

định ngay loại nào là tối u nhất Để nắm đợc những u nhợc điểm của từng loại phốikiện trớc hết hãy xem xét những đặc tính kết cấu chung nhất của phối kiện liên kếtray với tà vẹt đợc thể hiện trong sơ đồ (Hình1-12)

Bản đệm đàn hồi và liên kết ray với tà vẹt có

một trị số biến dạng ban đầu Y o ẽ và Y ko Trong quá

trình lắp đặt với sự tính toán ép chặt các bộ phận liên kết một lực P ko

Dới tác dụng của lực P (Hình 1-12) làm cho đệm đàn hồi bị ép với một ợng là Δy ù và đồng thời làm giảm độ biến dạng của liên kết giữa ray (Hình 1-13b)

l-nghĩa là bản đệm đàn hồi bị biến dạng thì liên kết đàn hồi cũng biến dạng nh (Hình1-12) và (Hình1-13) Kết hợp (Hình 1-12) (Hình 1-13a; Hình 1-13b) cho rằng tại

điểm O 3 (Hình 1-13b) cho đờng cong O 3 O 2 đờng cong này cho biết độ giảmcủa lực ép P ko là:

P k = P ko - ΔP k (1-16)

Và làm tăng độ biến dạng của bản đệm đàn hồi là Pn Vậy áp lực của bản

đệm - đợc xác định từ công thức sau:

Pn = Pk0 – ΔPk + P (1-17)Trong đó:

ΔPk - Sự giảm của áp lực các bộ phận liên kết ray với việc tính toán biếndạng của bản đệm đàn hồi

P - Lực tác dụng của đoàn tàu.

Biểu đồ (Hình1-13c) l tà t ổng hợp của hai biểu đồ (Hình 1-13a) v (Hình 1-à t13b) cho biết sự biến dạng của bản đệm ở khu vực đường cong O1M cùng sựbiến dạng của liên kết đ n hà t ồi nằm trong khu vực đường cong O1E dưới tácdụng trực tiếp của bánh xe truyền xuống ray Nhng trong thực tế để việc tínhtoán được thuận lợi có thể coi một đoạn của đường cong O1E l à t đường thẳng

v hà t ợp với mặt phẳng nằm ngang một góc β v và t ới O1M một góc α

Để đảm bảo được biến dạng của bản đệm đ n hà t ồi v liên kà t ết ray phùhợp với điều kiện chạy t u tà t ốc độ cao thì tương ứng với nó cần xác định độcứng của bản đệm đ n hà t ồi Cn v à t độ cứng của liên kết ray đ n hà t ồi Ck Vậy độcứng của bản đệm đ n hà t ồi được xác định theo t i lià t ệu nghiên cứu của giáo sưDalatarsci

Hình 1-13: Mối quan hệ giữa lựo và biến dạng

a- Đối với bản đệm đàn hồi b- Đối với bản đệm đàn hồi c- Tổng hợp biến dạng (a) và (b)

Để phù hợp với điều kiện chịu lực trong quá trình khai thác, phụ kiện liênkết ray chia l m ba loà t ại liên kết khác nhau v hai loà t ại theo tính chất của vật liệu(cứng v à t đ n hà t ồi).

1/ Phụ kiện nối giữa ray chia theo loại liên kết

- Kiểu giản đơn: l loà t ại liên kết giữa ray với tấm đệm v t và t à t ẹt bằngđinh đường (Hình 1-14)

Đối với tà t vẹt bờ tụng cốt thộp kiểu giản đơn dựng loại RN của Phỏp(Hình 1-15)

Loại liên kết n y dùng cho đà t ường sắt chạy t u tốc độ không là t ớn V<100km/h, tải trọng trục nhỏ

- Kiểu chung: l loà t ại liên kết giữa ray với tấm đệm bằng một loại cóccứng hay đ n hà t ồi, sau đó liên kết riêng tấm đệm với t và t ẹt (Hình 1 - 16) loạiliên kết n y dùng cho chà t ạy t u và t ới tốc độ cao v tà t ải trọng trục lớn

Hình 1-14: Phụ kiện nối giữ kiểu giản đơn

Hình 1-15

Kiểu hỗn hợp: loại này dùng 5 đinh để ghìm giữ đế ray, tấm đệm vào tà vẹt:

3 đinh ghìm giữ ray và tấm đệm vào tà vẹt (3 đinh số 1), 2 đinh ghìm giữ tấm đệmvào tà vẹt (2 đinh số 2) (đối với tà vẹt gỗ), còn dùng tà vẹt bê tông thì thay đinh đ -ờng bằng bu lông xem hình 1-17

1-ray; 2- lập lách; 3-Bulông; 4-êcu

5- Lông đen; 6-Cóc; 7- Đinh đờng

8- Tấm đệm kép; 9- Tấm đệm đàn hồi

Phụ kiện liên kết ray với t và t ẹt gỗ có thể dùng một trong ba loại liên kếttrên cho phù hợp với chạy t u v các phà t à t ụ kiện liên kết đó đều dùng được cả hailoại: cứng hoặc mềm Đối với loại liên kết kiểu giản đơn (đối với tà vẹt gỗ) nếukhông có tấm đệm sắt, ray đặt trực tiếp lên t và t ẹt gỗ, tại vị trí đặt ray phải tạosẵn độ dốc 1:20 về phía lòng đờng

Khi đóng đinh đường v o t và t à t ẹt gỗ nó bị phá hoại các thớ gỗ (H 1-18b)nếu đóng trực tiếp ngay v o t và t à t ẹt thì sẽ bị biến dạng, các thớ gỗ cách đinhđường 14 đến 16mm bị gẫy hoặc bị uốn cong, góc gẫy của thớ gỗ ở gần mặtthanh t và t ẹt tới khoảng 750, c ng xuà t ống sâu góc gẫy của thớ gỗ giảm dần tới 450.Trên mặt thanh t và t ẹt thớ gỗ bị uốn cong xuống khoảng 3mm

Đối với t và t ẹt gỗ mới đặt trên đường loại gỗ thông của Liên Xô khoảng2.000Kg, còn các loại gỗ nhóm I ( tứ thiết, đinh, lim, sến, táu) thì lực nhổ tăngtới 3.500Kg Do vậy để tăng lực cản chống nhổ cho t và t ẹt gỗ dùng đinh xoắn,lực chống nhổ tăng gấp 1,5 đến 2 lần so với đinh đường thường (Hình 1-18a)

Hình 1-17: Liên kết ray với tà vẹt gỗ kiểu hỗn hợp

Khi dựng loại liờn kết ray cú tấm đệm sắt, điều kiện là tm việc của ray và t

tà t vẹt cú những ưu nhược điểm sau:

- Diện tớch truyền ỏp lực xuống tà t vẹt lớn

- Ray cú độ nghiờng 1:20 mà t khụng cần đẽo tà t vẹt

- Tất cả cỏc liờn kết tấm đệm với tà t vẹt đều chống xờ dịch của ray

- Đảm bảo tà t vẹt gỗ khụng bị đập nỏt dưới đế ray

Đối với loại liên kết kiểu giản đơn thường dựng ba đinh, 1 đinh đúng phớangoà ti để chống xờ dịch, 2 đinh đúng phớa trong để chống lật ray Cũn khi nốigiữ theo kiểu (H1-17) đúng hai đinh phia ngoà ti và t ba đinh phia trong

Kích thước của một số loại đinh đờng và tấm đệm sắt

1-Đinh tiarepont; 2-Ray3-Đệm sắt; 4-Tàvẹt gỗ

Hình 1-18: Đinh đờng giữ ray

a-Đinh xoắn; b-Đinh đờng

b)a)

Tấm đệm cỏn bằng thộp Mỏc tanh cú thà tnh phần cỏcbon(C) khụng nhỏhơn 0,16% hoặc bằng thộp Bộtme thà tnh phần C khụng nhỏ hơn 0,12% Muốntăng độ chống rỉ cần cho thờm thà tnh phần đồng khụng nhỏ hơn 0,2%

Đối với tuyến đường chớnh người ta đó thay đổi kiểu liờn kết giản đơnbằng loại liờn kết chung và t hỗn hợp

Trong quỏ trỡnh sử dụng loại liờn kết giản đơn dựng cúc cứng là tm choray, tà t vẹt tấm đệm khụng được giữ chặt, nhất là t tà t vẹt và t đinh ốc dễ vị lỏnglẻo Do đú phải đảm bảo cho ray, tấm đệm và t tà t vẹt được nối giữ một cỏch đà tn

Hình 1-19: Cấu tạo và kích thớc một số loại đinh đờng

Hình 1-20: Cấu tạo và kích thớc của đệm sắt dùng cho ray 43kg/m

hồi để lực truyền xuống được tiếp nhận một cách đà tn hồi qua hệ thống liên kếtgiữa ray và t tà t vẹt như sơ đồ( H×nh 1-21) nÕu một số kiểu phụ tùng liên kết lò xocủa các nước trên thế giới đã và t đang dùng( Liên Xô, Mỹ, Pháp, Đức, Anh…)

là t những nước sớm có đường sắt và t phát triển chạy tà tu với tốc độ cao

Những loại liên kết đà tn hồi nà ty đảm bảo được liên kết một cách chắcchắn ray với tà t vẹt khi có lực thẳng đứng, ngang, lực dọc và t mômen tác dụng

và to ray khi chạy tà tu V≥100Km/h

Tóm lại, những loại phụ kiện liên kết đà tn hồi dùng cho tà t vẹt gỗ cần đạtnhững yêu cầu sau:

- Phải đảm bảo đà tn hồi

- Gồm ít chi tiết

- Dễ chế tạo và t rẻ tiền

- Đảm bảo khi đặt đường sắt không mối nối

Những yêu cầu trên mục đích chính chủ yếu là t giữ vững cự ly đường,

đủ lực để giữ ray không bị xê dịch và t đảm bảo cho ray là tm việc bền lâu, ít phảibảo dưỡng thường xuyên Đường sắt dùng loại liên kết đà tn hồi cho tà t vẹt phụthuộc và to tải trọng trục, tốc độ chạy tà tu, cường độ chuyên chở của tuyếnđường

b) Phụ tùng liên kết dùng cho tà t vẹt bê tông cốt thép

H×nh 1-21:

a,b,c- Lo¹i liªn kÕt kiÓu nhÝp, d- Lo¹i liªn kÕt kiÓu d©y

d

Hiện nay đường sắt trờn thế giới đó sử dụng rất nhiều hỡnh dạng, phốikiện khỏc nhau nhưng cấu trỳc cơ bản được hiện cỏc nhúm theo cấu tạo cỏc chitiết( H 1-22).

Chi tiết của liờn kết:

1/ Lũ xo giữ ray 1 ở dạng cúc cứng, lũ xo lỏ (kiểu nhớp) hay lũ xo dõy.Loại cúc cứng và t lũ xo lỏ cú hỡnh dỏng khỏ đơn giản dựng cho cả giữ ray và tphải khoan lỗ để cố định

2/ Chi tiết giữ lũ xo 2 dựng bu lụng đai ốc và t bu lụng xoắn Loại bu lụngđai ốc cú khả năng xiết chặt và t điều chỉnh một số sai lệch mũn trong quỏ trỡnhtầu chạy với tốc độ cao dễ bị hỏng, lực gữi ray kém Cũn loại bu lụng xoắn đảmbảo lực giữ ray chắc, khụng xờ dịch ray trong quỏ trỡnh tầu chạy vỡ định vị trong

bờ tụng qua hệ thống xoắn chụn chặt trong bờ tụng nờn khụng thể điều chỉnhđược kớch thước sai lệch về cự ly, yờu cầu lũ xo và t bu lụng xoắn đảm bảo chấtlượng cao, khi thi cụng cần phải cú thiết bị đặc biệt để vặn bu lụng xoắn chochặt

3/ Chi tiết 3 và t 1 gọi là t cúc, kết hợp với 4 thà tnh chi tiết gọi là t “cúc đà tnhồi” Hệ phụ kiện nà ty đặt trờn tấm đệm cứng để ray và t đệm cứng nà ty đảmbảo chống xờ ngang tốt Cũn lại bề mặt giữ ray gọi là t lũ xo ngang, chết tạo đơn

P

Hình 1-22: Sơ đồ liên kết ray với TVBT

1-Lò xo giữ ray; 2- Chi tiết giữ lò xo;

3- Chi tiết truyền lực giữ ray 4-Chi tiết chống xê ngang (gót cóc) 5- Đệm đàn hồi đế ray; 6-Tà vẹt

giản, giá thà tnh hạ, nhưng có nhược điểm áp lực tác dụng trực tiếp trên cóc và t

tà t vẹt (phần gót cóc) Do đó để giảm áp lực ở gót cóc lên tà t vẹt người ta chếtạo chi tiết căn cóc đệm và to đó

4/ Đệm đà tn hồi đế ray: dùng loại có đệm ray là tm bằng gỗ hoặc cao su,còn loại không tấm đệm là tm bằng nhựa tổng hợp hay cao su chịu lực

Phụ tùng liên kết ray với tà t vẹt bê tông các loại cần phải thoả mãn nhữngyêu cầu sau:

- Đảm bảo đủ diện tích truyền áp lực của bánh xe lên tà t vẹt để khi tà tuchạy qua bê tông không bị pha hoại

- Đảm bảo ray có độ nghiêng 1:20 trên tà t vẹt

- Đảm bảo cách điện khi đường sắt điện khí hoá

- Đường sắt đặt tà t vẹt bê tông có độ cứng cao, so với đường đặt tà t vẹt

gỗ, nên các chi tiết liên kết ray phải đảm bảo có độ đà tn hồi cao

Đưòng sắt sử dụng phụ kiện liên kết ray đặt trên tà t vẹt bê tông có thểchia là tm các nhóm sau:

Nhãm thứ nhất: phụ kiện liên kết đặt trực tiếp lên tấm đệm đà tn hồi Ở

Liên Xô đặt tà t vẹt bê tông sử dụng loại liên kết kiểu DB( H 1-23) với ray P50.Khu vực AB của liên kết đà tn hồi ( cóc đà tn hồi) ( H 1-23b) chế tạo có độ lồi đểcóc đà tn hồi luôn có hai điểm A và t B tỳ lên đế ray (tiếp xúc điểm) khi ốc 1 xiếtchặt và t đệm đà tn hồi cũng biến dạng một lượng Δy π l m cho à t điểm A và t Bphát huy được tác dụng lực đè lên ray, đệm đà tn hồi loại nà ty dà ty 5-7mm đặtống đà tn hồi 4 ( H 1-23d) và t gót cóc cũng đặt đệm đà tn hồi 6 Loại liên kết nà tyyêu cầu phải dùng vật liệu thép có cường độ cao CT5 trở lên, có như vậy thìmới đảm vảo chịu lực thẳng đứng khi tà tu chạy qua vẫn giữ được lực ghìmchặt ray và t lực đẩy ngang không thay đổi l m xê dà t ịch vị trí ray Khi tà tu chạyvới tốc độ cao, tải trọng lớn, cường độ vận chuyển ngà ty một tăng loại liên kết

DB không đáp ứng được nhu cầu nên đã thay liên kết kiểu DBR dùng ray 65 kg/

m ( H 1-24) Lực lò xo (đà tn hồi) phần gót cóc đối với loại nà ty kÐm, do vậy loạiliên kết của Nhật ( H 1-25a,b,c) chạy trên đường Tôcaiđô có độ đà tn hồi rất lớn.Liên kết loại RN của Pháp được sử dụng rộng rãi ( H 1-26) Liên kết loại nà ty

cú ưu điểm khụng trực tiếp chống xụ ngang mà t cú chức năng kẹp vừa giữ rayvừa chống xụ ngang

Để khụng ngừng nõng cao tốc độ chạy t u à t đường sắt của Phỏp đó sửdụng loại liờn kết kiểu Nabla( H 1-27) Phụ kiện kiờn kết ray 1 gọi là t cúc đà tnhồi cựng với tấm nhớp hợp thà tnh một bộ phận để giữ ray Cúc đà tn hồi nà ty chếttạo bằng chất dẻo và t dựng bu lụng xoắn xiết chặt (H 1-27) Ở trạng thỏi tự do

Hình 1-23: Phối kiện kiểu DB của Liên Xô

Trạng thái làm việc của cóc đàn hồi 1-Bu lông xiết cha chặt (A)2-Bu lông xiết đủ chặt (B)3-Bu lông xiết quá lực (C)