Politechnika Krakowska Kraków 20.11.2015r.

im. Tadeusza Kościuszki

Instytut Inżynierii Drogowej i Kolejowej

Drogi szynowe

Projekt naprężeń i przemieszczeń występujących w szynach i podłożu.

Magdalena Kogut

Gr. 9 WIL

Studia stacjonarne

Rok akademicki 2015/2016

Spis treści:

1. Obciążenia

   1. Lokomotywa ET22

   2. Lokomotywa EU07

2. Nawierzchnia

3. Podkład

4. Obliczenia wg wzorów

   1. Metoda I – z użyciem zastępczego współczynnika podłoża

   2. Metoda II – z uwzględnieniem warstw pod szyną

5. Zestawienie i porównanie wyników dla obliczeń wg wzorów

6. Obliczenia komputerowe

7. Porównanie wyników obliczeń wg wzorów i obliczeń komputerowych

1. Obciążenia

1.1 Lokomotywa ET22

Lokomotywa ET22 to normalnotorowa ciężka, elektryczna lokomotywa towarowa produkcji polskiej produkowana w latach 1969 – 1989 w zakładach Pafawag we Wrocławiu dla Polskich Kolei Państwowych. Przez polskich maszynistów i miłośników kolei bywa nazywana "bykiem" lub "helmutem".

Ogólne założenia konstrukcyjne opracowano w latach 1965 – 1966, a pierwsze prototypy wyprodukowane zostały w Pafawagu w 1969. W początkowych fazach projektowania lokomotywy oznaczono typem 7E, później zmieniono typ wg nowej normy na 201E. W1971 ruszyła produkcja seryjna. Kolejne serie różniły się zewnętrznie, m.in. układem okien i żaluzji w ścianach bocznych oraz kształtem obudowy reflektorów. Od numeru ET22-1019 zmieniono oznaczenie typu na 201Eh, jednak nie wprowadzono większych zmian. 

W konstrukcji ET22 zastosowano wiele elementów stosowanych w elektrowozach serii EU07 – przede wszystkim silniki trakcyjne, lecz również przetwornicę główną, układ przeniesienia napędu typu Alsthom, przekładnię główną (79:18) oraz prowadzenie zestawów kołowych. Zmieniono natomiast przede wszystkim mocowanie pudła na ramie, w ET22 odbywa się ono nie za pomocą belki bujakowej jak w EU07, w której wózki są sztywno osadzone, lecz za pomocą cięgieł (zawieszenie cięgłowe) z elementami metalowo-gumowymi, co uelastycznia konstrukcję i polepsza właściwości jezdne. Pomimo tych ulepszeń lokomotywy ET22 z powodu długości własnej jak i samych wózków (wózki trójosiowe) źle sprawdzają się w eksploatacji na liniach krętych, gdzie powodują uszkodzenia toru i zestawów kołowych.

W związku z regresem w przewozach towarowych i brakiem lokomotyw typowo pasażerskich, ET22 coraz częściej prowadzą pociągi osobowe, w tym przede wszystkim ciężkie pociągi nocne. Mimo, że stworzone zostały do ciągnięcia pociągów towarowych, charakteryzują się dość uniwersalnym zastosowaniem.

Rys.1 Lokomotywa ET22 – widok z przodu, z góry i z boku

Dane techniczne:

Tab.1 Dane techniczne lokomotywy ET22

Oznaczenie kolejowe	ET22
Szerokość toru	1435 mm
Masa lokomotywy	114 t
Układ osi	Co-Co
Nacisk osi na tor	190 kN
Silniki trakcyjne ( typ )	EE541
Moc godzinna	3120 kW
Moc ciągła	3000 kW ( 6x500 kW )
Prędkość konstrukcyjna	125 km/h
Przełożenie przekładni zębatej	4,39
Długość ze zderzakami	19240 mm
Największa szerokość	3000 mm
Największa wysokość od główki szyny	4456 mm
Średnica kół	1250 mm

1.2 Lokomotywa EU07

Najpopularniejsza w Polsce seria normalnotorowych uniwersalnych lokomotyw elektrycznych, głównie wykorzystywanych do przewozów pasażerskich. Wyprodukowana w Polskich zakładach Pafawag Wrocław oraz Cegielski w Poznaniu na angielskiej licencji English Electric na podstawie dokumentacji lokomotywy EU06 w latach 1964-74 i 1983-92.
Produkcja tych lokomotyw rozpoczęła się w 1963 roku w Pafawagu Wrocław z fabrycznym oznaczeniem 4E. Lokomotywy te są prawie identyczne z lokomotywami EU06 produkcji angielskiej (przede wszystkim przeliczono wymiary elementów na metryczne i zaokrąglono wartości). Dokonano niewielu ulepszeń w stosunku do poprzednika, a najważniejsze z nich to ogrzewanie kabiny maszynisty napięciem bezpośrednio z sieci trakcyjnej 3000 V, a nie jak w pierwowzorze 110 V z przetwornicy. Produkcja tego typu trwała do roku 1974, zaprzestana na rzecz lokomotyw ET22. Wyprodukowano łącznie 240 sztuk tych elektrowozów. EU07 posiada kabiny na obu czołach lokomotywy oraz gniazda sterowania ukrotnionego, dzięki czemu możliwe jest prowadzenie dwóch sprzęgniętych lokomotyw tego samego typu sterując obiema lokomotywami z pierwszej kabiny. Jednak z powodu pewnych zmian, lokomotywy serii 303E mogą być łączone tylko z innymi maszynami serii 303E, natomiast 4E można łączyć tylko z elektrowozami serii 4E. Wyjątkiem są EU07 od numeru 241 do 244 które można łączyć tylko z EP08 - są to bowiem lokomotywy typu 4Ea (EP08 nr 002 - 005) wyposażone w ułożyskowanie ślizgowe, które okazało się nieodpowiednie dla założonej prędkości eksploatacyjnej "ósemek", w związku z czym przemianowano je na EU07. EU07 mają rozruch oporowy – regulacja napięcia na wirnikach silników następuje przez szeregowe włączanie lub wyłączanie rezystorów z obwodu oraz szeregowe lub równoległe łączenie grup silników trakcyjnych (po 2 silniki połączone szeregowo w grupie). Równolegle do części oporów rozruchowych włączane są silniki wentylatorów chłodzących zespół rezystorów, co zapewnia uzależnienie ich obrotów od prądu rozruchu i daje charakterystyczny dla tej serii hałas przy ruszaniu. Ze względu na straty energii oraz możliwość termicznego uszkodzenia zespołów rezystorów trwałymi pozycjami do jazdy są pozycje bezoporowe – najpierw szeregowa, następnie równoległa, z możliwością bocznikowania uzwojeń stojana w celu zwiększenia prędkości obrotowej silników trakcyjnych kosztem momentu obrotowego. EU07-001 posiadała dodatkowo rozruch samoczynny.
W lokomotywie wykorzystano elektryczne silniki trakcyjne typu EE-541A o napięciu znamionowym 1500 V. Izolacja tych silników wykonana jest w klasie H (dopuszczalna temperatura pracy 180 °C) na podłożu silikonowym. Każdy silnik ma 4 bieguny główne i 4 komutacyjne oraz uzwojenie kompensacyjne w nabiegunnikach głównych. Uzwojenie takie jest niezbędne przy tak dużym osłabieniu strumienia magnetycznego wzbudzenia silnika, które wynosi w tym silniku aż 77,5%. Silniki trakcyjne są również całkowicie odspreżynowane w wózkach lokomotywy z przeniesieniem napędu na wał drążony i sprzęgła typu Alsthoma. Należą one do względnie nowoczesnych silników trakcyjnych, o czym m.in. może świadczyć mała masa jednostkowa silnika wynoszący 8,4 kg/kW. Napięcie rozrządu to 110 V prądu stałego, liczba stopni osłabienia pola wynosi 6. Zastosowano rozrząd indywidualny za pomocą styczników o napędzie elektropneumatycznym.

Rys.2 Lokomotywa EU07 – widok z przodu i z boku

Dane techniczne:

Tab.2 Dane techniczne dla lokomotywy EU07

Oznaczenie kolejowe	EU07
Szerokość toru	1435 mm
Masa lokomotywy	80 t (4E)
Układ osi	Bo-Bo
Nacisk osi na tor	196 kN
Silniki trakcyjne ( typ )	EE541A
Moc godzinna	2080 kW
Moc ciągła	2000 kW
Prędkość konstrukcyjna	125 km/h
Przełożenie przekładni zębatej	4,39
Długość ze zderzakami	15 915 mm (4E)
Największa szerokość	3038 mm
Największa wysokość od główki szyny	4343 mm
Średnica kół	1250 mm

1. Nawierzchnia - szyna 60E1 (UIC60)

Rys.3 Przekrój szyny 60E1

Dane techniczne:

Powierzchnia przekroju poprzecznego 7 6.70 cm²

Masa na metr 60.21 kg/m

Moment bezwÅ‚adnoÅ›ci wzglÄ™dem osi x-x 3038.3 cm⁴

Wskaźnik wytrzymaÅ‚oÅ›ci przekroju - główka 333.6 cm³

Wskaźnik wytrzymaÅ‚oÅ›ci przekroju - stopka 375.5 cm³

Moment bezwÅ‚adnoÅ›ci wzglÄ™dem osi y-y 512.3 cm⁴

Wskaźnik wytrzymaÅ‚oÅ›ci przekroju wzglÄ™dem osi y-y 68.3 cm³

1. Podkład - Podkład strunobetonowy PS-94

Rys.4 Podkład strunobetonowy

Tab.3 Podkład strunobetonowy

Typ	Wymiary [mm]	Rodzaj szyny	Rozstaw torów	Waga [kg]
	L	H	B	R1
PS-94/SB/UIC60 (60E1)	2600	210	300	1685,4