cấu tạo kết cấu tầng trên đường sắt

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
1


Ray 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

bánh 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 trở
ngại 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 mới
bám 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 không
lớn lắm. Khi cần thiết tăng lực bám cho bánh chủ động của đầu máy dùng bộ phận
rải cát lên mặt ray phía trớc bánh chủ động và cũng có thể tăng lực bám bằng cách
tẩy sạch chất dầu mỡ ở mặt lăn đầu ray bằng một thứ chất lỏng đặc biệt. Đờng sắt
Setéc pa si phíc (nớc Mỹ) đã dùng phơng pháp này để gia công ray nên đã tăng
trọng 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 và
giảm 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 độ
dai.
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 tạo
ray gặp nhiều khó khăn mặc dù chế tạo ray có nhiều tiến bộ nhng việc chế
tạo 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 dịch
ngang, các lực này luôn luôn thay đổi gây nên những rung động làm cho ray lún
xuống 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
có khi bị xê dịch (ray xô).

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

loại 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 càng phải
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 đoạn nhiệt
độ giới hạn hay là càng cần giữ ray ở trạng thái nhiệt độ không đổi trong lò nhiệt
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 tải
làm 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 hoặc
tối nhng mặt rất nhẵn, đó là do khi ray bị rung thì các chỗ chấm đó lúc bị ép, lúc bị
giãn ra các chỗ nứt bị cọ xát hoá thành ra trơn nhẵn.
3
B mụn ng St
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, khi nhiệt
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 kim loại 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 phần

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

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 kí
hiệu Fe
3
C
Bảng phân bố thép ở bộ phận ray và thành phần hoá học của các loại ray tiêu
chuẩn chế tạo tai Liên Xô (Cũ). Bảng (1-1).
Bảng 1-1
bảng tổng hợp thành phần hoá học trong ray
Trọng
lợng
(kg/m)
Lợng kim loại % Thành phần hoá học trong ray %
Loại
thép
Đầu
Thâ
n
Đế C Mn Si P S
43 43,0 20,5 36,5 0,64-0,77 0,60-0,9
0,13-
0,28
0,04 0,05 M
50 39,5 22,2 38,3 0,67-0,80
0,75-
1,05
0,13-
0,28
0,035 0,04 M
65 39,9 25,5 37,6 0,69-0,82

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

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 sắt
không chuyên dụng dùng ray loaị nhẹ từ 38kg/m- 43kg/m. Trên đờng sắt Mỹ dùng
ray từ 30 kg/m - 77 kg/m, đờng sắt của Đức dùng ray 30 kg/m - 64 kg/m, đờng sắt
Pháp 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 ra
mối 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 chiếm
43,6%, đế ray 34,8% còn lại phần thân ray là 19,3% đối với ray có trọng lợng 43,6
kg/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. Phân
tích 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 cả
trên đờng thẳng luôn luôn chịu lực đẩy ngang. Dới tác dụng của các lực này khi
tàu chạy làm cho ray bị chấn động gây nên ray bị uốn, xoắn, mài mòn đỉnh và má
ray, có khi xê dịch đi so với tà vẹt làm cho tà vẹt lún. Lực cơ bản để chọn đờng ray
là lực thẳng đứng P, lực này làm cho ray bị uốn. Do đó tiết diện chịu lực uốn tốt
nhất của ray có dạng hình chữ I. Vậy, trong quá trình chế tạo ngời ta thay đổi dần
kích thớc tiết diện ray để cho ray làm việc tốt hơn theo yêu cầu kỹ thuật ngày đòi
hỏi càng cao.
6
B mụn ng St
- 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 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

truyền 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 tơng
ứng với độ cong chỗ chuyển tiếp của gờ bánh xe. Trong chế tạo mặc dù hình dáng
của mặt lăn bánh xe đã lăn để cho áp lực truyền từ bánh xe xuống ray không lệch
khỏi trục ray, nhng nhiều khi yêu cầu này vẫn không đạt đợc theo ý muốn do đó
không 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.
Bán kính chuyển tiếp r
1
đối với đầu máy là 13,5mm, còn đối với toa xe bằng
15mm. 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 chiều
rộng 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 làm
bán 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 lách
tựa (Hình 1-5b).
8

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.

- 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 ở
Anh 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 diện
của 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
9
Hình 1-6
Bộ môn Đường Sắt
1.1.3.2.TÝnh kÝch thíc c¬ b¶n cña ray.
10
b- Ray 50kg/m
a- Ray 43kg/m
c- Ray 60kg/m
d- Ray 75kg/m
H×nh1-7: MÆt c¾t ngang cña c¸c lo¹i ray
a Ray 43kg/m, b- Ray 50kg/m
c- Ray 60kg/m, d- Ray 75kg/m
B mụn ng St

- 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

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)
11
Hình 1-8: Sơ đồ tính b
min
B mụn ng St
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
-
2
0
TS

< 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
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)

Từ công thức (1- 6) rút ra chiều rộng B:
B =
)(
2
1

1
11
PP
PCMHQ
+
+
(1- 7)
Trong đó:
Q Lực đẩy ngang tác dụng phía trong của ray cánh đế ray một khoảng H
1
.
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, nh vậy
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:

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

Chiều dài
ray l (m)
12,5
và
25
11,8
9
18
và
24
30/4
0
và
60
24
và
48
20
và
25
18
và
29

- Tính chất chung của ray đợc tính trong bảng 1- 3.
Bảng 1-3a
Hạng mục
Ray 43
kg/m
Ray 50

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

khi chế tạo ray. Tất cả những yếu tố đó dẫn đến trong quá trình khai thác ray bị
14
B mụn ng St
mòn 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
0

(H1-11)
0

= b. Z
0
-

(1-8)
Trong đó :
b- Chiều rộng đỉnh ray(mm)
Z
0
- Lợng hao mòn theo phơng thẳng đứng (mm)

- Diện tích phần lõm đầu ray theo mặt cắt ngang chổ có
bán kính r
1
là 70mm
2
Nếu gọi T (TT) là lợng hàng hoá thông qua làm cho ray mòn với diện tích
0

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

p
.(1 + 9S
2
) (1- 11)
Trị số

tb
đợc tính toán trong bảng ( 1-3b)


là trị số ảnh hởng do đờng cong gây nên
15
Hinh 1-11
B mụn ng St
Theo giáo s Dalatarski khi R < 1000m thì

xác định theo công tác thực
nghiệm sau:


L
=
2
000.20900
R
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

2
(1-14)
Trong đó n
1
, n
2
là hệ số đối với ray khi cha sử dụng lấy n
1
=1, khi ray đã khai
thác n
1
=1/2 đến 2/3
n
2
=1,00+1,4(0,76-Y) khi Y = 0,76
ữ
0,66
n
2
=1,44+4,56(0,66-Y) khi Y = 0,66
ữ
0,63
n
2
=1,28+3,5(0,76-Y) khi Y = 0,63
ữ
0,4
Trong 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:
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

+T
2
+T
3
+ +T
t
Bảng 1-3b
Bán kính (m)
TTmm
tb
/
2

< 43 kg/m 43 kg/m 50 kg/m
300 7,37 5,89 4,42
400 5,44 4,35 3,26
500 3,97 3,17 2,38
600 3,09 2,47 1,85
700 2,24 1,79 1,34
800 1,78 1,42 1,01
900 1,62 1,29 0,97
1000 1,52 1,22 0,91
1100 1,43 1,14 0,86
1200 1,39 1,11 0,83
>1300 1,36 1,09 0,81
Bảng 1-4
Ray
U, kg/cm
2
k, cm

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

dẫn điện nên phối kiện cần phải có độ đàn hồi và dễ cách điện. Tóm lại, phụ tùng
nối 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 xô dới 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 nằm ngang
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 rẻ tiền.
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, song
cho đến nay có nhiều loại phối kiện khác nhau đợc sử dụng ở đờng sắt các nớc trên
thế 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 phối
kiện trớc hết hãy xem xét những đặc tính kết cấu chung nhất của phối kiện liên kết
ray với tà vẹt đợc thể hiện trong sơ đồ (Hình1-12)
Hình 1-12: Sơ đồ lực tác dụng lên bản đệm
1 Ray;
2 Chi tiết giữ lò xo:
3 Đệm đàn hồi đế ray.
Trong đó:
P - Lực do đoàn tàu tác dụng lên ray.
Pk - Lực do lò xo gây nên.
P

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

là:
P
k
= P
ko
-
k
P
(1-16)
Và làm tăng độ biến dạng của bản đệm đàn hồi là P
n
. Vậy áp lực của bản
đệm - đợc xác định từ công thức sau:
P
n
= P
k0
P
k
+ P (1-17)
Trong đó:
P
k
- Sự giảm của áp lực các bộ phận liên kết ray với việc tính toán biến
dạng của bản đệm đàn hồi.
P - Lực tác dụng của đoàn tàu.
19
B mụn ng St
Biểu đồ (Hình1-13c) l t ng hp ca hai biu (Hình 1-13a) v (Hình 1-13b)
cho bit s bin dng ca bn m khu vc ng cong O

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)

Trong đó:

l
C
U
0
=
- là môđuyn phụ thuộc vào độ cứng C
0
của tà vẹt, vậy độ cứng
của bản đệm đàn hồi C
n
là:
20
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)
B mụn ng St
4
3
3
0
4
.2
l
EIC
C
n
=

(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

B mụn ng St
Ph kin liên kt ray vi t v t g có th dùng mt trong ba loi liên kt
trên cho phù hp vi chy t u v các ph kin liên kt ó u dùng c c hai
loi: cng hoc mm. Đối với loại liên kết kiểu giản đơn (đối với tà vẹt gỗ) nếu
không có tm m sắt, ray t trc tip lên t v t g, tại vị trí đặt ray phải to sẵn
dc 1:20 về phía lòng đờng.
Khi đóng inh ng v o t v t g nó b phá hoi các th g (H 1-18b)
nu óng trc tip ngay v o t v t thì s b bin dng, các th g cách inh
ng 14 đến 16mm b gy hoc b un cong, góc gy ca th g gn mt
thanh t v t ti khoảng 75
0
, c ng xu ng sâu góc gẫy của thớ gỗ gim dần ti 45
0
.
Trên mt thanh t v t th g b un cong xung khong 3mm.
i vi t v t g mi t trên ng loi g thông ca Liên Xô khong
2.000Kg, còn các loi g nhóm I ( t thit, inh, lim, sn, táu) thì lc nh tng
ti 3.500Kg. Do vy tng lc cn chng nh cho t v t g dùng inh xon,
lc chng nh tng gp 1,5 đến 2 ln so vi inh ng thng (Hình 1-18a).
23
Hình 1-17: Liên kết ray với tà vẹt gỗ kiểu hỗn hợp
B mụn ng St
Khi dựng loi liờn kt ray cú tm m st, iu kin lm vic ca ray v
t vt cú nhng u nhc im sau:
- Din tớch truyn ỏp lc xung t vt ln.
- Ray cú nghiờng 1:20 m khụng cn o t vt.
- Tt c cỏc liờn kt tm m vi t vt u chống xờ dch ca ray.
- m bo t vt g khụng b p nỏt di ray.
Đối với loại liên kết kiểu giản n thng dựng ba inh, 1 inh úng phớa
ngoi chng xờ dch, 2 inh úng phớa trong chng lt ray. Cũn khi ni gi

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