Rys historyczny

1.Powstanie maszyny parowej – Anglia, parowóz Steffensona – „Rakieta” 1829 rok 55 km/h, wagony o wadze do 12 ton

2.Od połowy XIX wieku rocznie budowano kilkadziesiąt tyś. km dróg kolejowych. Ten transport był niezawodny, ekologiczny, zdominował całość transportu.

Zalety:

-przesyłki masowe na duże odległości

-niezależny od warunków atmosferycznych

-ekologiczny środek transportu

1842 – pierwsza linia kolejowa w zaborze austryjackim (Wrocław -Oława1848 – pierwsza linia kolejowa w zaborze rosyjskim (warszawsko-wiedeńska)

90% obecnych lini wybudowanych w XIX wieku, od tamtego czasu zostały one przebudowane, zmodernizowane, unowocześnione.

Mamy obecnie w Polsce ok. 25 tyś. km lini kolejowych.

Definicje:

Podział lini kolejowych:

- w zależności od przeznaczenia i charakteru użytkowania

--użytku publicznego – ogólnodostępne – PKP

--użytku niepublicznego – przemysłowe, zakładowe, portowe, kopalniane

Podział na kategorie lini kolejowych:

kat.(0) – magistrale

kat.(1) – pierwszorzędne

kat.(2) – drugorzędne

kat.(3) – znaczenia miejscowego

magistrale i pierwszorzędne – na głównych kierunkach transportowych, np. północ-południe, wschód-zachód, stanowią osnowę sieci.

drugorzędne i znaczenia miejscowego – uzupełniają sieć

Parametry poszczególnych lini kolejowych – parametry eksploatacyjne

Lp.	Kat. lini kolejowej	obciążenie przewozami T [Tg/rok]	prędkość max V [km/h]	prędkość max pociągu towar. Vt [km/h]	dopuszczalny nacisk osi P [kN]
1	Magistrale (0)	T≥25	120<Vmax≤200	80< Vmax≤120	P≥221
2	Pierwszorzędne(1)	10≤T≤25	80< Vmax≤120	60< Vmax≤80	210≤P<221
3	Drugorzędne (2)	3≤T≤10	60< Vmax≤80	50< Vmax≤60	200≤P<210
4	Znaczenia miejscowego (3)	T<3	Vmax≤60	Vmax<50	P<200

Obciążenie lini przewozami – brutto, łącznie z taborem, czyli lokomotywa, puste wagony, wszystko co przejedzie przez tory.

Tg= 1mln ton (tera gram)

Prędkość maksymalna – decyduje o geometrycznym ukształtowaniu linii kolejowych np. promienie łuków.

Dopuszczalny nacisk osi – jest to obciążenie statyczne, rzeczywiste siły i dociskowe mają zdecydowanie większe wartości, decydują głównie pociągi towarowe, można to zmienić przez załadunek nie do pełna. Pociągi pasażerskie – lżejsze i lepszy sposób przekazywania obciążenia. Na wszystkich liniach - przystosowanie do ruchu mieszanego

W Polsce po modernizacji pociągi jeżdżą po liniach magistralnych max 160 km/h

Aby nie zmieniać geometrii toru możemy zastosować tabor żeby jeździć szybciej niż 160 km/h

Podział ze względu na prześwit toru:

- normalnotorowe 1435mm na większości kolei w Europie

-wąskotorowe <1435mm w Polsce LHS – linia hutniczo-siarkowa

-szerokotorowe >1435mm

Szerokotorowe – kraje byłego ZSRR (1524mm), Hiszpania, Portugalia, Finlandia, Islandia

Wąskotorowe – np. kopalniane

W Poznaniu tramwaje normalnotorowe

W Bydgoszczy – wąskotorowe

Podział ze względu na rodzaj trakcji

-elektryczna

-spalinowa

-parowa

Opór jednostkowy ruchu 2,5-3‰

Sprawność silników elektrycznych jest większa niż spalinowych, dlatego są bardziej ekonomiczne.

Sieć kolejowa składa się z:

-Linie kolejowe

-Posterunki eksploatacyjne

Punkty eksploatacyjne:

-Posterunki ruchu

-Punkty handlowe (nadawanie i odbieranie przesyłek)

Ruch na linii kolejowej jest sterowany przez dyżurnego ruchu (znajduje się na każdym posterunku ruchu)

Ruch jest sterowany przez sygnalizatory do maszynisty

Musi być synchronizacja ruchu, aby była płynność ruchu. Pociągi towarowe poruszają się wg harmonogramu

Posterunki ruchu – zapowiadawcze:

-Stacje

-Posterunki gałęźne

STACJA – posterunek zapowiadawczy na którym od toru głównego zasadniczego odgałęzia się przynajmniej jeden tor główny dodatkowy, gdzie pociągi mogą rozpoczynać lub kończyć ruch, wyprzedzać i krzyżować się, zmieniać skład wagonów, kierunek ruchu lub kończyć bieg. Stacja jest punktem gdzie koncentrują się również w pełni lub w ograniczonym zakresie wszystkie czynności związane z odprawa ładunku lub osób.

1 tor główny zasadniczy

Tor główny szlakowy w obrębie stacji przechodzi w tor główny zasadniczy

2 tor główny dodatkowy

Na stacji mogą być usytuowane budynki handlowe (dworcowe) związane z obsługą pasażera .

Może być więcej niż jeden tor główny dodatkowy (w zależności od potrzeb), ale tylko dwa tory główne zasadnicze

Geometria torów głównych zasadniczych musi być taka sama jak torów głównych szlakowych.

Na torach głównych dodatkowych pociągi się zatrzymują, więc ich geometria może być inna (pociągi jadą z mniejszą prędkością)

Oprócz torów głównych mamy tory boczne np. postojowe. Nie mają one semaforów, ruch manewrowy sterowany za pomocą tarcz manewrowych.

Droga kolejowa składa się z:

-Podtorza

-Budowli inżynierskich

-Nawierzchni

Podtorze – budowla ziemna w postaci przekopu lub nasypu wraz z urządzeniami odwadniającymi i poprawiającymi stateczność skarp

Górna powierzchnia podtorza – torowisko; woda odprowadza z podtorza w stronę rowów

Nawierzchnia kolejowa – przepuszczalna dla wody (kruszywo gruboziarniste)

Poprawa stateczności – np. mur oporowy, zbrojenie gruntu

Nawierzchnia kolejowa – (zbudowana na podtorzu):

-Szyny

-Podkład kolejowy

-Podsypka

OBIEKTY INŻYNIERSKIE:

-mosty

-wiadukty (drogowy lub kolejowy)

-tunele

-przepusty

-estakada

Funkcje:

Nawierzchnia kolejowa- umożliwia przejazd pojazdów; musi być przystosowana do przejęcia obciążeń od pojazdów przejeżdżających, nadaje (wymusza) kierunek jazdy pojazdów kolejowych. Największy nacisk jest na szyny, im niżej tym maleje nacisk jednostkowy. Najbardziej wytrzymała musi być szyna.Nawierzchnia rozkłada te obciążenia, które maleją wraz z głębokością.

Podtorze – umożliwia geometryczne ukształtowanie linii, niweluje teren, musi przejąć obciążenia od nawierzchni w taki sposób aby się nie odkształcało, musi byś stateczne i odpowiednio odwodnione, aby nie pogorszyć warunków gruntowych (parametry gruntów spoistych zależą głównie od zawilgocenia).

NAWIERZCHNIA

SZYNY – produkowane ze stali, najpierw produkcja półfabrykatu (o przekroju prostokątnym), który jest wielokrotnie walcowany, aż do uzyskania ostatecznego kształtu.

Typy szyn:

-S-60 (1m. bieżący waży 60kg)

-S-49 (1m. bieżący waży 49kg)

-S-42 (1m.bieżący waży 42kg) obecnie stosowana

Konstrukcje torów:

-Klasyczny (stykowy) – szyny mają określoną długość

-Bezstykowy

Tor klasyczny (stykowy).
rozszerzalność liniowa stali.
α – wsp. rozszerzalności
l – dł. szyny
Δt – różnica temp.

Δl = l*α* Δt

wraz ze wzrostem temp. może nastąpić wyboczenie toru, dlatego między szynami zostawia się przestrzeń, aby stal mogła się wydłużać; max luz między szynami to 2cm (w najniższej temp.) Δlmax=2cm ; Δlmax dla S49=14mm; Δt=tmax-tmin; tmax=+60ºC (temp.do jakiej rozgrzeje się szyna) ; tmin=-30ºC; Δt=90 ºC; l= [Δl/( α* Δt)]~20m; dla szyny αt=1,15*10^-5; dł. szyny, aby umożliwic swobodne wydłużanie musi mieć max 20m. W rzeczywistości podkład usztywnia i lmax=30m; jeżeli układamy w temp. 15 ºC to zostawiamy dal szyn S49 Δl=7mm; w torze klasycznym umożliwiamy szynie swobodne rozszerzanie się i skracania aby uniknąć naprężeń term., zwłaszcza sciskających.

Tor bezstykowy.
szyny są ciągłe; nie ma ograniczenia co do max dł.; szyny łączy się za pomocą:

a)zgrzewania elektrooporowego(przenikanie się materiału między dwoma końcami szyn; najlepsze, najtrwalsze połączenia)

b)zgrzewania termitowego (gdy nie można zgrzewać elektrooporowo-„w powietrzu”; mniej trwałe ale również bardzo mocne); tor bezstykowy musi mieć dł większą niż 180m; brak styków wpływa na spokojność jazdy pociągu; w szynach klasycznych najwięcej uszkodzeń jest na stykach szyn-jest to najsłabsze miejsce.; w torze bezstykowym szyny są unieruchomione, nie występują przemieszczenia, wydłużenia; Naprężenia: podczas układania toru brak naprężeń termicznych, gdy tsz>tuk – powstaja naprężenia ściskające;odc. oddychający – w tym odcinku naprężenia maleja do zera; Przemieszczenia: szyna przemieszcza się tylko w odc. oddychającym; lk=Pt/rp ; Pt-siła termiczna, rp- jednostkowy opór przeciwko przemieszczeniu; szyny musza być mocno przytwierdzone do podkładu, aby rp było max.; jeżeli tsz<tuk –powstają naprężenia rozciągające; naprężenia ściskające mogą powodowac wyboczenie toru dlatego temp. ukladki powinna być w zakresie temp. neutralnych (+15º;+30º)w tych temp. przykręcamy szyny do podkładu, wzrost naprężeń ściskających może powodować przemieszczenie się toru (suma napr. termicznych i napr. dodatk.) dlatego szyny bezstykowe musza być mocno przymocowane do podkładu; gdy temp. pracy (układania szyn) jest niższa od +15º można szyne ogrzac lub rozciągnąć aby wprowadzic szyne w zakres temp. neutralnych; w temp. niższej od temp. układki może powstac pęknięcie, które spowoduje rozsunięcie się szyn i zmniejszenie naprężeń. Należy połączyć szyne i wprowadzic już w stan naprężeń jak na pozostałej dł.;

Zalety: -spokojność jazdy; - małe oddziaływania udarowe pojazdu na szyny; Wady – bezstykowe są bardziej pracochłonne w utrzymaniu.

Typy szyn.
na liniach o dużych prędk. i dużych obc. Stosujemy cięższe szyny.

cecha	S-49	UIC-60
Ciężar [kg]	49,43	60,34
Moment bezwł. Jx [cm4]	1819	3055
Wskaźnik wytrz. Wx [cm4]	240	335,5

budowa szyny szerokostopowej:*główka-poszerzona, aby zapobiec uplastycznieniu materiału i miała zapas na zużycie*szyjka*stopka-zapewnia stateczność szyny

Wymiary szyny	S-49	UIC-60
Szerok. glowki	70,0	74,3
wysokosc	149	172
Szerokość stopki	125	150
Grubosc szyjki	15	16,5

Zużycie szyny.
U-zużycie pionowe, S-zużycie boczne (15mm nizej), całkowite zuzycie N=U+S/2; należy wymienić szynę gdy osiągnie ona kres wytrzymałości zmęczeniowej (skutek: pęknięcie szyny) efekt zmęczeniowy przy obc zmiennych;stal miekka- duze zuzycie; stal twarda –male zuzycie; trwałośc szyny można zwiększyć obróbką cieplną; odkłady betonowe są bardziej sztywne i występuja większe naprężenia; po przekroczeniu obc .powyższego nalezy wymienic szyne;

Np.

Linie magistralne T>25 Tg/rok = 30 Tg

Trwałość szyny 20 lat

CAŁKOWITE ZUŻYCIE (N=v+s/2)

Tory główne S49, VIC60

-i (1) N<=12mm

N<=14mm

N<=16mm

Szyny lżejsze od S49 N<=12 mm

PODKŁADY KOLEJOWE

- są podłożem dla szyn, umożliwiają utwierdzenie szyn

- utrzymanie prześwitu toru

- przejmują obciążenia od szyn i przekazuje je na podsypkę

szyna leży bezpośrednio na podkładzie betonowym w przypadku podkładów drewnianych szyna leży na podkładce

Podkłady ze względu na kształt

- belkowe: poprzeczne, podłużne

- blokowe

- płytowe

- podłoża monolityczne

Podkłady ze względu na materiał

- drewniane

- stalowe

- „betonowe” (beton zbrojony: żelbetowe, strunobetonowe, kablobetonowe, prętobetonowe)

PODKŁADY DREWNIANE

Drewno jest nietrwałe, podatne na czynniki atmosferyczne i korozję biologiczną.

Trwałość zależy od:

- rodzaju drewna (najlepszy dąb) najczęściej produkuje się z drewna sosnowego lub z buku

drewno musi być impregnowane żeby przedłużyć jego trwałość

	Bez impregnacji	Impregnowane
SOSNA BUK DĄB	7-9 lat 3-4 lat 15-18 lat	18-20 lat do 25 lat 25-30 lat

Podkłady w przekroju poprzecznym:

- prostokątne – belkowy

- obłe

z boku naturalny kształt pnia drzewa,

z dołu i góry płaskie

Belkowe	Typy	Długość belek
	I/B II/B	l=2,6m najcięższe – do linii magistralnych
	III/B	l=2,5m
Obłe	II/O	l=2,6m – do linii magistralnych
	III/O IV/O	l=2,5m najlżejsze – do linii znaczenia miejscowego

Wymiary przekroju

szer góry 160mm

wysokość 150-140mm

szer dół 260-230mm

Im większa grubość podkładu tym mniejszy nacisk jednostkowy na podsypkę.

Na podkładach drewnianych zawsze stosujemy podkładkę stalową by zmniejszyć jednostkowy nacisk

1km linii kolejowej = 1600 – 1700 podkładów

szyna jest mocowana pośrednio (do podkładki stalowej)

Do linii magistralnych stosujemy podkłady najcięższe typu

I/B, II/B, II/0

W nowych torach unikamy stosowania podkładów drewnianych ze względu na ich krótką trwałość i to, że drewno jest materiałem deficytowym

Podkłady drewniane stosujemy jedynie na łukach o małych promieniach (mniejszych niż 250m)

PODKŁADY BETONOWE

Zawsze z betonu zbrojonego

- żelbetowe (w latach 60) – ze względu na ich małą trwałość nie są dobrym materiałem, połączone sztywno z szyną – beton się kruszył, trudno utrzymać prześwit między torami

- beton wstępniesprężony – większe siły obciążające bez pojawiania się rys (większa trwałość)

- podkłady strunobetonowe – obecnie stosowane

- podkłady prętobetonowe – obecnie stosowane

W podkładach stosujemy beton szczelny, klasy B60

- podkłady strunobetonowe

7xØ2,5 mm

1mm² przenosi do 2000 N, stal o mniejszej odkształcalności

typy: INBK – 7, INBK -8

- podkłady prętobetonowe – pręty kotwione na czołach podkładu (aby uniknąć ścinania)

Współcześnie trwałość podkładów betonowych około 30-40 lat

Przekrój poprzeczny podkładu INBK – 7

Nowsze podkłady typu PS – zbrojenie w postaci prętów cięższe, długość l=2,6m, masa podkładu 290 kg

INBK8 – podkład stacyjny, lżejszy

WADY I ZALETY – porównanie podkładów

DREWNIANY

- zalety:

-lekki

-może być stosowany w każdych warunkach

-dobra izolacja elektryczna

-są sprężyste (dobrze tłumią efekty dynamiczne)

-dają mały nacisk na podsypkę

- wady:

-mała trwałość

-deficytowe drewno

-palne

BETONOWY

- wady

-ciężkie

-sztywne

-udarowe obciążenie przenoszone na podsypkę

- zalety

-można dostosować pod względem wytrzymałościowym

-materiał łatwo dostępny

-duża trwałość

-łatwy sposób montowania szyn do podkładu

STAL – w Niemczech próby tworzenia podkładów stalowych o przekroju korytkowym – tory niestabilne

FUNKCJE:

- przejmuje obciążenia

- odprowadza wodę (przepuszczalna)

- umożliwia regulację położenia toru! np. chcąc uzyskać przechyłkę na łuku dajemy więcej podsypki pod tor) – za pomocą podbijaki

- chroni podkład

podsypka musi być dobrze zagęszczona aby regulować położenie toru

MATERIAŁY NA PODSYPKĘ

- tłuczeń 31,5 – 50 (frakcja)

- kliniec 5- 31,5

- grys

- żwir (powyżej 50% kruszywa Ø2mm)

- pospółka (10% do 50% kruszywa Ø2mm)

- żużel

pod podkłady betonowy stosujemy tylko tłuczeń z najtwardszych skał (magmowych) ostrokrawędzisty, dobrze zagęszczony

do podkładów drewnianych drugorzędnych linii znaczenia miejscowego można stosować pozostałe materiały

d - grubość podsypki mierzona w osi szyny, w cieńszym miejscu) [m]

Linia	Minimalna grubość podsypki
	Pod. drewniane
Magistralna (0) Pierwszorzędowa (1) Drugorzędowa (2) Znaczenia miejscowego (3)	0,30 0,25 0,20 0,16