B mụn ng St

Cấu tạo tầng trên ng 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 trên
cầu.
Để đảm bảo cho đoàn tàu chuyển động an toàn kết cấu tầng trên đờng sắt có hai ý
nghĩa 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 bền
vững trong quá trình đoàn tàu chuyển động và kéo dài thời gian sử dụng các bộ
phận tầng trên đờng sắt.
1.1 Ray
1Ray và phụ tùng nối giữ ray
Tà vẹt
Đệm đờng
Đệm cát
B mụn ng St
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 hớng
cho 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 của

Lực thẳng đứng là lực cơ bản để xác định hình dáng của ray, lực này chủ yếu
làm thanh ray bị uốn. Ray bị uốn nh một dầm dài vô hạn đặt trên các gối tựa
đàn hồi. Đó là điều kiện cơ bản để xác định hình dáng của ray.
2
B mụn ng St
Ray để rộng rất cứng theo mặt phẳng thẳng đứng và nhất là theo mặt nằm
ngang, đảm bảo sự ổn định lớn cho cự li đờng ray.Trọng lợng, hình dáng và chất
lợng 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 quán
tính, mô men chống đỡ của ray càng phải lớn. Do vậy thép chế tạo ray càng
phải chắc, có thể chịu đợc lực uốn, nghĩa là ray càng phải nặng thì mới đảm
bảo sức kháng cự tức thời của ray.
2 Tải trọng động của bánh xe lớn thì áp lực của bánh xe truyền cho ray trên
diện tích nhỏ càng cao, nên chất thép chế tạo ray cũng phải rắn để không bị
dập.
3 Cờng độ vận chuyển của tuyến đờng càng lớn thì chất thép chế tạo ray càng
phải có sức chống mòn cao để thời hạn sử dụng của ray đợc dài, cờng độ vận
chuyển 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 của
thép 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 sức
chống mòn lên 7 lần, còn khi thay đổi lợng than từ 0,63 - 0,76% thì chỉ tăng
khoảng 30%. Nếu lợng than trong thép càng lớn thì trong những điều kiện nh nhau
ray càng dòn. Tính dòn của thép khi có tác dụng lực xung kích sẽ nguy hiểm ở
vùng kéo dãn hơn là vùng khác.
ứng suất kéo tối đa xuất hiện ở đế ray, vì vậy muốn giảm ứng suất kéo ở đế
ray thì phải tăng trọng lợng kim loại ở đế ray so với đầu ray và trong thép càng có
nhiều than thì càng phải tăng lợng kim loại. Lợng than trong thép càng nhiều, kim

hoá học, đặc biệt đối với các chất hỗn hợp lân P và lu huỳnh S vì chất này ảnh
hởng rất lớn đến chất lợng thép ray.
Quá trình chế tạo thép trong lò quay khoảng dài mấy chục phút, còn chế tạo
thép lò Mác tanh kéo dài hàng mấy giờ. Nh vậy theo phơng pháp Mac tanh có khả
năng điều hoà các thành phần hoá học khi cần thiết. Do vậy khi chế tạo theo kiểu lò
quay thì bắt buộc phải cho phép sai số lớn về thành phần hoá học, nhng ray P38 và
P43 lợng than C trong thép xê dịch 0,23%, còn theo kiểu lò Mác tanh thì chỉ cần
0,13%. Nếu có nhiều than trong thép ray nên dùng phơng pháp theo kiểu lò Mác
tanh.
8/ Càng nhiều than C trong thép ray thì càng phải chú ý quá trình chế tạo, lợng
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 thể
làm cho kim loại không thích hợp cho việc chế tạo sau này. Vì vậy kim loại trớc khi
rót vào khuôn, phải khử O
2
nghĩa là giải phóng O
2
khỏi chất ôxy hoá, bằng cách
cho những chất hút O
2
. Nếu thép cha khử hết ôxy thì sẽ kém dẻo, kém dai khi bị
dập và khi nhiệt độ thấp. Khi sử dụng ray càng lâu ngày, thì tính chất càng bị giảm.
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. Vì trong tr-
ờng hợp này thép bị bẩn, cho nên phải hạn chế bớt chất nhôm bằng cách cho vào
thép chất khử ôxy là gang đặc biệt (trong gang có nhiều Mn).
4
B mụn ng St

0,75-
1,05
0,13-
0,28
0,035 0,04 M
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
là :
q = a(1 +
4
max
T
) . (1 + 0,012v)
3/2
. p
3/2
(1-1)
Trong đó:
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
5
B mụn ng St
p Tải trọng tĩnh của đầu máy: Tấn

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 xe
khi truyền xuống đờng ray không lệch khỏi trục ray. Nếu đặt ray không đúng độ
nghiêng 1/20 thì áp lực p của bánh xe truyền xuống sẽ lệch khỏi tim ray một đoạn 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 (Hình 1-5a
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 tiếp
xúc giữa bánh xe và ray càng nhỏ, thì ứng suất tiếp xúc càng lớn hơn. Nh vậy sức
7
Hình 1-2: Sơ đồ lực tác dụng lên ray
Hình 1-3 Hình 1-4 Hình 1-5a Hình 1-5b
B mụn ng St
chống 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 đứng
truyền ở phần giữa của mặt lăn đầu ray, đồng thời khống chế cho ứng suất tiếp xúc
không lớn quá bằng cách cho mặt lăn có độ cong rất nhỏ. Muốn vậy, ngoài giới hạn
phần 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 sẽ

B mụn ng St
Theo hình vẽ góc nghiêng

càng nhỏ thì lực thẳng đứng truyền xuống càng
tốt qua lập lách, vì độ nghiêng 1/m = tg

. Góc

càng nhỏ thì mối nối càng cứng,
nếu độ nghiêng 1/m càng lớn thì bu lông của mối nối càng phải làm việc 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 bị
chạm vào thân ray để khi mặt tiếp xúc giữa ray và lập lách bị mòn thì lập lách đợc
các 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 giữa
lập 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 tg = 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.

- Chiều rộng đỉnh ray cần đủ rộng để đảm bảo điều kiện chịu lực và đặt nghiêng
1/20 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 :
T + 2a
0
= S
0
+ 2b 2r
1
(1-2)
Từ đó rút ra đợc b:
b= a
0
+ r
1
-
2
0
TS
(1-3)
Trong đó :
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

- 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
12
Hình 1-9: Sơ đồ tính b
max
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
B mụn ng St
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 . H
1
+ M P .
2
B
- (
2
B
+ C ) . P
1
= 0 (1- 6)

Đối ray:
Ray 50kg/m:
H
B
= 0,869
Ray 65kg/m:
H
B
= 0,63
Ray 75kg/m:
H
B
= 0,833
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 vận
13
B mụn ng St
tải tàu hoả hay ô tô cỡ lớn cho thuận lợi. Sau đây là bảng giới thiệu chiều dài ray
tiêu chuẩn của các nớc trên thế giới.
Bảng 1-2
Nớc Liên Xô
Mỹ
Phá
p
Đức Tiệp Khắc
Nhậ
t
Anh

kg/m
Trọng lợng (kg/m) 44,65 51,62
Chiều cao chung 140 152
Chiều cao đầu 42 42
Chiều cao thân 71 83
Chiều cao đế 27 270
Chiều rộng nấm ray 70 70,0
Chiều rộng đế ray 114 132
Chiều dài thân ray (mm) 14,5 16,0
Diện tích mặt cắt ngang (cm
2
)
57,0 65,9
Mô men quán tính ngang cm
4
1489 2018
Mômen quán tính thẳng đứng cm
4
260 375
Mô men chống uốn phần đế ray cm
3
217 286
Mômen chống uốn phần đầu ray cm
3
208 248
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 loại
kiến trúc tầng trên, điều kiện khai thác, lợng hàng hoá thông qua và chất lợng


thì ta có:
T=


0
(1-9)


- là diện tích hao mòn tính cho một tấn triệu hàng hoá thông qua [mm
2
/TT]
Độ hao mòn ray phụ thuộc vào chất lợng ray, áp lực của bánh xe, lợng hàng
hoá thông qua, cấp đờng, loại kết cấu tầng trên, cấu tạo đôi bánh của đầu máy và
toa xe, chất lợng thép để chế tạo ray. Theo tài liệu nghiên cứu của giáo s Sa-khu-
nhi-an(Liên Xô )đã xác định bằng thực nghiệm để tính :
1/ Đối với ray trên khu vực đờng thẳng


= 1,3 . C. N.
r
p
(1-10)
2/ Đối với ray nằm trên đờng cong có R< 1000m


= 1,3 .

. C. N.
r

b
=
R
900
(1- 12)
t b

=
2
000.10900
RR
+

Nếu R =300m tại độ hao mòn thẳng đứng của ray tăng gấp 5,2 lần so với
trên đờng thẳng.
C là trị số đo cùng loại kết cấu tầng trên và trạng thái của tuyến đờng gây
nên, đợc xác định theo công thức thực nghiệm của giáo s Sakhunhian.
C= 0,5 + 11600
u
k
(1-13)
k- hệ số cứng của ray, kg/cm
u- là môđuyn đàn hồi của nền dới ray, kg/cm
2
đợc xác định ở bảng 1-4
N- trị số ảnh hởng do chất lợng của thép ray.
Theo GS Sakhunhian xác định:
N=n
1
*n

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:
16
B mụn ng St
t =
rr
TT
T


0
=
(năm) (1-15)
Trong đó:
T
r
- tổng trọng hàng hoá xác định cho tuyến đờng (TT)
T- tổng trọng hàng hoá thông qua hàng năm
T=

=
t
i
i
T
1
= T
1

1
C
Loại Độ mòn
43 kg/m 3 - 6 260 0,0122 1,05
50 kg/m 3 - 6 260 0,0122 1,00

Bảng 1 -5
Đầu máy và toa xe
Đờng thẳng Đờng cong
( 1+ 9S
2
) ( 1+ 9S
2
)
Đầu máy

1,2613 1,6901
Toa xe (4 trục) 1,0493 1,47304
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 phận
kiến trúc tầng trên không biến dạng. Đặc biệt đối với tà vẹt bê tông có tuổi thọ cao
17
B mụn ng St
nên 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 khi
thiết kế cần đảm bảo sao cho các chi tiết dễ gia công và chế tạo hàng loạt. Mặt
khác, do đặc điểm của tà vẹt bê tông có độ cứng gấp 3
ữ
5 lần so với tà vẹt gỗ và

n
- Phản lực do bản đệm đàn hồi gây nên.
18
B mụn ng St
Bản đệm đàn hồi và liên kết ray với tà vẹt có một trị số biến dạng ban đầu
Y
ẽ
o
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 l-
ợng là
ù
y

và đồng thời làm giảm độ biến dạng của liên kết giữa ray (Hình 1-13b)
nghĩa là bản đệm đàn hồi bị biến dạng thì liên kết đàn hồi cũng biến dạng nh (Hình
1-12) 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 giảm của
lực ép P
ko

1
M cùng s bin
dng ca liên kt n h i nm trong khu vc ng cong O
1
E di tác dng
trc tip ca bánh xe truyn xung ray. Nhng trong thc t vic tính toán
c thuận li có th coi mt on ca ng cong O
1
E l ng thng v
hp vi mt phng nm ngang mt góc v v i O
1
M mt góc .
m bo c bin dng ca bn m n h i v liên k t ray phù
hp vi iu kin chy t u t c cao thì tng ng vi nó cn xác nh
cng ca bn m n h i C
n
v cng ca liên kt ray n h i C
k
. Vy
cng ca bản m n h i đc xác nh theo t i li u nghiên cu ca giáo s
Dalatarsci.
4
3
4.2 EIU
y
P
C
n
==
(1-18)

(1-19)
phù hp vi iu kin chu lc trong quá trình khai thác, ph kin liên
kt ray chia l m ba lo i liên kt khác nhau v hai lo i theo tính chất ca vt liu
(cng v n h i).
1/ Ph kin ni gia ray chia theo loi liên kt.
- Kiu gin n: l lo i liên kt gia ray vi tm đệm v t v t bng inh
ng (Hình 1-14)
i vi t vt bờ tụng ct thộp kiu gin n dựng loi RN ca Phỏp
(Hình 1-15)
Loi liên kt n y dùng cho đ ng st chy t u tốc độ không l n V<
100km/h, ti trng trc nh.
- Kiu chung: l lo i liên kt gia ray vi tm m bng mt loi cóc
cng hay n h i, sau ó liên kt riêng tm m vi t v t (Hình 1 - 16) loi liên
kt n y dùng cho ch y t u v i tc cao v t i trng trc ln.
21
Hình 1-14: Phụ kiện nối giữ kiểu giản đơn
Hình 1-15
B mụn ng St
Kiu hn hp: loi 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 đệm
vào 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.
22
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
10- Êcu của bu lông lập lách
11-Lông đen bu lông của lập lách
12-Bu lông của lập lách
Hình 1-16: Liên kết ray với tà vẹt kiểu chung

theo kiu (H1-17) úng hai inh phia ngoi v ba inh phia trong.
Kích thc ca mt s loại đinh đờng và tm m sắt.
24
1-Đinh tiarepont; 2-Ray
3-Đệm sắt; 4-Tàvẹt gỗ
Hình 1-18: Đinh đờng giữ ray
a-Đinh xoắn; b-Đinh đờng
b)
a)
Bộ môn Đường Sắt

Tấm đệm cán bằng thép Mác tanh có thành phần cácbon(C) không nhỏ
hơn 0,16% hoặc bằng thép Bétme thành phần C không nhỏ hơn 0,12%. Muốn
tăng độ chống rỉ cần cho thêm thành phần đồng không nhỏ hơn 0,2%.
Đối với tuyến đường chính người ta đã thay đổi kiểu liên kết giản đơn
bằng loại liên kết chung và hỗn hợp.
Trong quá trình sử dụng loại liên kết giản đơn dùng cóc cứng làm cho
ray, tà vẹt tấm đệm không được giữ chặt, nhất là tà vẹt và đinh ốc dễ vị láng
lẻo. Do đó phải đảm bảo cho ray, tấm đệm và tà vÑt được nối giữ một cách đàn
25
H×nh 1-19: CÊu t¹o vµ kÝch thíc mét sè lo¹i ®inh ®êng
H×nh 1-20: CÊu t¹o vµ kÝch thíc cña ®Öm s¾t dïng cho ray 43kg/m