Sina de Cale Ferata [PDF]

Zitiervorschau

ŞINA DE CALE FERATĂ. FORMA ŞI DIMENSIUNILE PROFILULUI ŞINEI Şina de cale ferată este solicitată din trafic static şi dinamic de forţe verticale şi orizontale – transversale şi longitudinale – precum şi de alţi factori exteriori. Forma şi dimensiunile şinei trebuie să asigure rezistenţa şi stabilitatea acesteia la toate solicitările, să fie economică şi să prezinte o repartizare raţională materialului, având în vedere şi eventualele uzuri, sporiri ale traficului, vitezei sau sarcinilor pe osii. Forma secţiunii transversale a şinei de cale ferată reprezintă rezultatul unor îndelungate cercetări şi experimentări efectuate în timp, după cum urmează: - şine în formă de „U” fixate pe longrine. Roţile aveau bandaje cilindrice (fără buză), deci se produceau rezistenţe din rulare foarte mari; - şine în formă de corniere (colţare) fixate pe longrine. Existau dificultăţi majore la menţinerea ecartamentului;

- şine scurte cu profil ciupercă şi inimă, având tălpi numai la capete pentru prinderea pe traverse;

- şine cu ciupercă dublă fixate pe traverse prin intermediul unor scaune din fontă (cuzineţi) cu ajutorul unor pene din lemn. Au fost folosite în special în Anglia şi Germania. Ideea de bază a fost ca după depăşirea uzurilor admisibile la talpa superioară, să fie întoarsă întreaga şină, astfel ca talpa inferioară să devină talpă superioară şi invers. Nu a fost generalizată această soluţie deoarece datorită frecărilor dintre talpa inferioară a şinei şi cuzineţii din fontă apar uzuri verticale locale pe noua suprafaţă de rulare a şinei, fapt care o face inutilizabilă; - şină în formă de „U” întors (şină tip Brunelle). A fost utilizată şi în portul Constanţa ca şină de fale ferată şi drept cale de rulare pentru macaralele portal; - şine cu profilul cunoscut în prezent, create de către Stewens în 1832 în America, dar patentată în 1936 de către Vignole (şină tip Vignole). Acest tip de şină este generalizat aproape peste tot din cauza certelor avantaje privind rezistenţa, Vignole).

stabilitatea, ghidarea vehiculelor, utilizarea raţională a materialului, frecări reduse cu materialul rulant la contactul roată – şină. Forma şinei a rezultat din două cerinţe: talpa superioară (ciuperca) să servească rulării materialului rulant, iar talpa inferioară să asigure prinderea şinelor de traverse şi să asigure stabilitatea şinelor la răsturnare. - şine cu înălţimea redusă fixate pe longrine, de forma: :

Având înălţimea redusă, au rigiditate redusă la încovoiere şi nu se mai utilizează decât la căile de rulare ale macaralelor portal sau în cazuri speciale, pe podurile cu circulaţie mixtă feroviară (tramvai) şi rutieră - la care se impune reducerea greutăţilor proprii ale straturilor căii. După 1918, - în urma păcii de la Trianon, la Principatele Unite au fost alipite Ardealul şi Banatul Sârbesc (din Imperiul Austro – Ungar), Cadrilaterul şi Dobrogea (din Imperiul Otoman), Basarabia şi Bucovina (din Imperiul Ţarist) - pe reţeaua de căi ferate din România existau circa 80 tipo – dimensiuni de şină de cale ferată, fapt ce îngreuna foarte mult întreţinerea şi repararea căii. În 1925 a fost redus numărul de tipo – dimensiuni de şine după cum urmează: - şina tip 34,5 – pentru liniile secundare; - şina tip 40 – pentru liniile principale de categoria a II - a; - şina tip 45 – pentru liniile principale de categoria a I –a. După 1940, ca urmare a creşterii traficului, vitezelor de circulaţie şi a sarcinilor pe osie, s – a impus utilizarea unor şine mai puternice – tip 49. După 1955 s – a renunţat la şina tip 34,5 fiind prea slabă şi la şina tip 45 din cauza sistemului de prindere pe traverse necorespunzător. Au rămas ca utilizabile numai şinele tip 40 şi 49. Începând cu anul 1970, ca urmare a faptului că şinele se rupeau în special ca urmare a fenomenului de oboseală şi nu din condiţii de rezistenţă la încovoiere, la calculul şinelor nu se ţine cont numai de sarcina pe osie ci şi de trafic (milioane tone pe an). Aceasta a condus la utilizarea şinelor mai puternice: 54 UIC (Uniunea Internaţională a Căilor Ferate) care a fost modificată prin reducerea lăţimii tălpii inferioare de la 150 mm la 125 mm (egală cu talpa şinei tip 49 – pentru a putea folosi acelaşi material mărunt de prindere a şinelor de traverse), rezultând şina tip 54 E (experimental). Pentru liniile principale, cu trafic important, a rezultat ca insuficientă şi şina tip 54 E, astfel că din 1972 a fost introdusă şina tip 60 UIC pe liniile cu un trafic mai mare de 36 milioane tone brute pe an. În Franţa, şina tip 60 s – a utilizat pentru linii cu trafic de peste 13 milioane tone brute pe an. În 1976, Departamentul Căi Ferate din Ministerul Transporturilor şi Telecomunicaţiilor, a reglementat uniformizarea utilizării şinelor funcţie de trafic după cum urmează: - pentru trafic sub 7 milioane tone brute pe an şinele SB (semi bune) tip 40 şi 49; - pentru trafic între 7 şi 13 milioane tone brute pe an şinele tip 65 cu rezistenţa la rupere de 70 daN / mm2 sau şina tip 60 cu rezistenţa la rupere de 90 daN / mm2; - pentru trafic peste 50 milioane tone brute pe an şinele tip 75. În prezent, pe reţeaua de căi ferate din România se utilizează: - pentru trafic sub 7 milioane tone brute pe an şinele SB (semi bune) tip 40; - pentru trafic între 7 şi 13 milioane tone brute pe an şinele tip 49; - pentru trafic între 13 şi 50 milioane tone brute pe an şinele tip 54 şi 60 cu introduse în cale înainte de 1976. Uniunea Internaţională a Căilor Ferate recomandă: - pentru trafic sub 20 milioane tone brute pe an şinele 50;

- pentru trafic între 20 şi 40 milioane tone brute pe an şinele tip 65; - pentru trafic peste 40 milioane tone brute pe an şinele tip 75. Şinele SB (semi bune) de tip 40, 49 şi mai mare pot fi folosite pe liniile cu trafic sub 7 milioane tone brute pe an şi pe celelalte linii din staţii în afara celor directe. Şine de tip sub 40 nu se mai admit pe reţeaua de căi ferate din România. Cu toate acestea, pe liniile secundare precum şi pe liniile înguste, mai există în afara şinelor grele (cu greutatea mai mare de 30 kg / m) şi şine medii (cu greutatea de 18 - 30 kg / m) şi chiar uşoare (cu greutatea mai mică de 18 kg / m).

ANALIZA PROFILULUI ŞINEI Profilul şinei trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: 1. Să aibă suficientă rigiditate la încovoiere în plan vertical – adică înălţimea mare şi materialul cât mai îndepărtat de centrul de greutate (cu ciupercă şi talpă); 2. Să aibă suficientă rigiditate la încovoiere în plan orizontal – profil I; 3. Să aibă suficientă rezistenţă la întindere şi compresiune – din variaţii de temperatură, chiar dacă rugineşte; 4. Să reziste la torsiune – grosime suficientă a inimii; 5. Suprafaţa de rulare să ofere un contact optim roată – şină – să fie suficient de lată pentru reducerea rezistenţelor ce apar pe suprafaţa de contact, netede pentru reducerea rezistenţelor de rulare şi aspre pentru sporirea aderenţei necesare forţei de tracţiune; 6. Înălţimea ciupercii să fie suficient de mare pentru a avea rezerve prin uzura şinei; 7. Talpa să fie cât mai lată pentru asigurarea stabilităţii la forţele orizontale transversale şi reducerea presiunilor pe traverse şi suficient de groasă pentru a fi asigurată contra ruginirii; 8. Locaşurile ecliselor să fie în concordanţă cu forma ecliselor pentru a asigura corecta îmbinare a joantelor; 9. Înălţimea şinei să fie în concordanţă cu lăţimea tălpii acesteia pentru a fi asigurată contra răsturnării; 10. Centrul de greutate să fie pe cât posibil la mijlocul înălţimii şinei; 11. Pentru o corectă laminare, eliminarea concentratorilor de eforturi şi distribuirea şi transmiterea cât mai convenabilă a eforturilor, se impune ca toate racordările să fie făcute cu raze cât mai mari; 12. Profilul şinei să fie cât mai economic şi raţional. Cele 12 condiţii – din care unele contradictorii – conduc la ideea că un profil de şină nu poate fi proiectat exclusiv pe baze matematice, ci numai ca sumă a unor raţionamente, condiţionări şi restricţii bine stabilite şi fundamentate teoretic şi practic. Prin uzură, profilul iniţial al şinei se modifică. Se impune ca forma iniţială a şinei să nu difere prea mult de forma finală, adică după manifestarea uzurilor. Tuturor acestor cerinţe, cel mai bine răspunde şina tip Vignolle, adoptată aproape universal. Aceasta cuprinde trei părţi principale: - o parte superioară numită ciuperca, coroana sau capul şinei. Cuprinde circa 45 % din masa şinei; - o parte inferioară numită talpa şinei. Cuprinde circa 35 % din masa şinei; - o parte intermediară numită inima şinei. Cuprinde circa 20 % din masa şinei. Tendinţa generală este de a egala materialul din talpa şinei cu cel din ciuperca acesteia deoarece la răcirea din urma laminării, talpa se răceşte mai rapid decât ciuperca şi se produce încovoierea şinei. Cu ajutorul unor dispozitive speciale şinele pot fi îndreptate la rece, dar se introduc eforturi suplimentare iniţiale mari în şină. Pentru acest motiv, răcirea se face pe

platforme speciale cu temperatura controlată. În exploatare, din cauza suprafeţelor mari în contact cu atmosfera, talpa şinei se încălzeşte sau se răceşte mai rapid decât ciuperca şi se produc încovoieri în plan vertical. În prezent, această situaţie este ameliorată prin adoptarea grosimii minime a tălpii de 10 mm.



faţa de rulare feţe de ghidare ciuperca şinei umerii ciupercii

inima şinei

talpa şinei Ciuperca şinei este delimitată de suprafaţa de rulare, feţele laterale (feţele de ghidare) ale ciupercii şi umerii ciupercii (feţele inferioare). La şinele moderne, suprafaţa de rulare este curbă pentru a asigura un contact optim cu bandajul roţii, eliminând inconvenientele provenite din diferenţele de conicitate ale bandajelor, uzurile şinei şi ale bandajelor, diferenţele de înclinare ale şinelor, etc. Pentru transmiterea centrică a forţelor de contact roată – şină, raza ar trebui să fie cât mai mică. Pentru presiuni de contact roată – şină cât mai mici, raza ar trebui să fie cât mai mare. Măsurătorile efectuate pe şinele uzate au scos în evidenţă faptul că aceste raze au valorile de 200 … 300 mm indiferent de forma iniţială a suprafeţei de rulare a şinei noi. Ca urmare, UIC recomandă profilul suprafeţei de rulare a şinei „în mâner de coş” cu raze de R1 = 300, R2 = 80 şi respectiv R3 = 13 mm, asigurând o săgeată f = 1 mm. Acest profil al şinei a fost adoptat şi în România. R2 R3

R1 1

f = 1 mm

R1

Feţele laterale ale ciupercii pot fi verticale – la tipurile uşoare (34,5, 40 şi 45) sau uşor înclinate.

Lărgirea ciupercii datorită înclinării feţelor laterale poate fi la faţa superioară conducând la ciupercă în formă de pară cu scopul de a spori momentul de inerţie cu acelaşi consum de material (Franţa şi Federaţia Rusă). Prezintă avantajul unei distribuţii mai raţionale a materialului din punct de vedere al solicitării în plan vertical, dar umerii ciupercii sunt prea reduşi şi apar dificultăţi la rezemarea corectă a ecliselor la joante. Pentru sporirea suprafeţelor de rezemare a ecliselor s – au generalizat feţele laterale cu înclinare inversă, UIC recomandând înclinarea 1/29 la tipul 65 şi 1/20 la tipurile 49, 54 şi 60. Racordarea suprafeţei de rulare cu feţele laterale ale şinei se face cu raze cu 1 … 2 mm mai mici decât razele corespunzătoare ale bandajelor roţilor (13 mm în loc de 15 mm), uzurile din exploatare reducând razele chiar la 8 … 10 mm. Umerii ciupercii împreună cu feţele superioare ale tălpii şinei sunt practic suprafeţele de rezemare pentru eclise. Cu cât înclinarea acestor feţe este mai mică, cu atât condiţiile de transmitere ale componentelor verticale ale forţelor de la şine la Ptg eclise sunt mai bune iar ale componentelor orizontale forţelor  mai defavorabile - apar eforturi suplimentare de întindere în tijele buloanelor orizontale faţă de cele necesare strângerii ecliselor. Această stare de fapt impune sporirea diametrelor buloanelor orizontale, deci sporirea diametrelor găurilor în şine şi eclise, deci slăbirea suplimentară a secţiunii acestor elemente. De la roată se transmite celor două eclise câte o forţă „P” P/cos P perpendiculară pe umerii ciupercii înclinaţi cu unghiul „” faţă  de orizontală. Valoarea acestor forţe în raport cu forţele transmise de roţi la şine depinde de foarte mulţi factori şi este dificil de cuantificat. De altfel, valoarea forţei „P” nici nu prezintă o importanţă deosebită în această situaţie, deoarece forţa „P” se descompune în: - componenta verticală P / cos  pe direcţia eclisei; - şi într – o componentă tangenţială P tg  pe direcţia umărului ciupercii, care are tendinţa de a scoate eclisa din lăcaşul ei. Acestei componente i se opun forţa de frecare dintre eclisă şi umerii ciupercii şi suplimentul de efort de întindere din tija bulonului orizontal. Pentru ca să nu apară acest supliment de efort de întindere din tija bulonului orizontal se impune ca forţa de frecare dintre eclisă şi umerii ciupercii să fie mai mare sau egală cu forţa care are tendinţa de a scoate eclisa din lăcaşul ei: F = P x f  P x tg , sau unde f = 0,15 şi reprezintă coeficientul de frecare dintre şină şi eclisă. f  tg . 0,15 > tg , sau tg  < 1 / 6,7 Aceste condiţii, aplicate la proiectarea tipurilor mai vechi de şină - care aveau înălţimea redusă şi deci diametrul găurii avea efecte majore asupra momentului de inerţie al şinei – cu înclinări ale umerilor ecliselor de 1 / 6 … 1 / 7, a condus la realizarea de joante foarte rigide şi la distrugerea capetelor şinelor. De aceea, s – a renunţat la aceste condiţii şi au fost adoptate înclinări mai mari: - 1 / 4 la tipurile 40 şi 45; - 1 / 3 la tipul 49; - 1 / 2,75 la tipurile 54, 60 şi 65. Această sporire a înclinării umerilor ciupercii şinei a fost posibilă datorită faptului că a crescut înălţimea şinei şi calitatea oţelurilor din care se realizează buloanele orizontale, astfel că menţinerea ecliselor în locaşul lor nu se asigură numai prin frecările ecliselor cu umerii

ciupercii şi cu faţa superioară a tălpii şinei, ci şi cu un spor al efortului de întindere din tija bulonului. Înclinarea mai mare a umerilor ciupercii la şinele moderne prezintă următoarele avantaje: 1. Pentru ca eclisele să asigure continuitatea feţelor de rulare şi a feţelor de ghidare, se impune ca acestea să preseze continuu pe umerii ciupercii şi pe faţa superioară a u tălpii şinei, adică să lucreze ca nişte pene. Acest lucru este  posibil numai prin strângerea buloanelor orizontale şi a existenţei jocurilor j = 3 … 6 mm între inima şinei şi eclisă, adică, sprijinirea eclisei să se facă numai pe umerii ciupercii şi pe faţa superioară a tălpii şinei. Prin producerea j uzurii „u” între eclisă şi umerii ciupercii şi faţa superioară a tălpii şinei, se reduce jocul „j”, care este cu atât mai mare cu j cât unghiul de înclinare  este mai mic şi cu atât mai mic cu cât unghiul de înclinare  este mai mare. j 

u sin 

Rezultă că eclisele cu înclinarea  mai mică vor fi scoase din funcţiune din motive de uzură şi reducere a jocului „j” mai repede decât cele cu înclinarea  mai mare. Cu cât unghiul  este mai mare, cu atât jocul „j” se reduce mai lent. Când j = 0, strângerea buloanelor nu mai poate asigura contactul eclisei numai cu umerii ciupercii şi cu faţa superioară a tălpii şinei, şi dispare efectul de pană, deci şi continuitatea feţelor de rulare şi a feţelor de ghidare ale şinelor este periclitată. Conturul lăcaşelor de rezemare ale eclisei pe umerii ciupercii şi cu faţa superioară a tălpii şinei trebuie să asigure împănarea corectă a celor două componente ale unei joante şi după producerea uzurilor. 2. Prin sporirea înclinării 1 : m se realizează un profil de şină mai economic pentru acelaşi consum de metal şi aceeaşi înălţime a şinei, mărindu – se momentul de inerţie al secţiunii în plan vertical. 3. Se asigură trecerea mai favorabilă de la secţiunea mare a ciupercii la secţiunea redusă a inimii. 4. Mărirea înclinării 1 : m sporeşte elasticitatea joantei: la unghiuri mai mici joantele sunt rigide, efectul dinamic este mai accentuat, amortizarea şocurilor şi a vibraţiilor mai redusă. Feţele laterale ale ciupercii şinei şi umerii acesteia se racordează cu raze de 2 … 3 mm pentru a se evita concentrările de eforturi şi a respecta condiţiile de protecţia muncii pentru operaţiile efectuate manual. Razele sunt limitate superior pentru a nu reduce din suprafeţele de rezemare ale ecliselor. Talpa şinei asigură transmiterea sarcinilor preluate de la roţile vehiculelor la traverse pe suprafeţe suficient de mari pentru a le reduce corespunzător, prinderea şinelor de traverse cu materialul mărunt de cale şi asigură stabilitatea şinei la răsturnare. Rezultă că talpa şinei trebuie să fie suficient de lată şi faţa inferioară să fie plană. Deoarece între talpa şinei şi traversă se introduc plăcile metalice care au dimensiuni sporite faţă de talpa şinei, la suprastructurile noi, lăţimea tălpii şinei rezultă din condiţia de stabilitate la răsturnare şi nu din cea de repartizare şi de reducere a presiunilor pe feţele superioare ale traverselor. Din cauza simetriei ecliselor, partea superioară a tălpii şinei – în vecinătatea inimii are aceeaşi înclinare 1 : m ca şi a umerilor ciupercii. Părţile extreme ale tălpii şinei au înclinări mai mici (1 / 4, 1 / 7,8, 1 / 10, 1 / 14). La unele tipuri de şină, (40, 45) faţa superioară a tălpii are o singură înclinare (1 / 4), la celelalte tipuri, faţa superioară a tălpii şinei este formată din mai multe suprafeţe plane racordate între ele. Racordările sunt obligatorii din condiţiile de

laminare şi protecţie a muncii, precum şi pentru a elimina eventualele concentrări de eforturi (se folosesc raze de 20 … 40 mm). Racordările muchiilor convexe se face cu raze de 1,5 … 4 mm. Forma şinei este condiţionată de o cât mai raţională distribuţie a materialului. Grosimea tălpii la extremităţi are 8 … 13 mm şi sporeşte spre inimă din motive constructive (înclinarea 1 : m) şi datorită faptului că talpa este practic o consolă încărcată cu presiunile ce se dezvoltă la contactul dintre talpă şi traversă (talpă şi placa inferioară). Inima şinei este cuprinsă între linia de intersecţie a umerilor ciupercii şinei şi linia de intersecţie a feţelor superioare ale tălpii şinei. Inima şinei este solicitată la: - întindere şi compresiune din variaţii de temperatură; - încovoiere şi forfecare din sarcinile transmise de convoaie (eforturi de sens alternant). La calea fără joante cu şine cu găuri, defectele apar de regulă în apropierea găurilor, ceea ce atestă faptul că apar eforturi importante chiar în apropierea axei neutre. Inima şinei poate avea feţele laterale plane (verticale şi paralele) (a), concave (b) sau plane şi paralele pe lungime limitată în zona centrală a inimii (c). Formele concave asigură o racordare mai bună între ciupercă şi talpă (variaţia treptată a lăţimii ciupercă – inimă şi inimă – talpă), precum şi condiţii de răcire mai bune după laminare (procesul de răcire variază lent pe înălţimea (a) (b) (c) şinei). Astfel, se elimină pericolul lipirii eclisei de şină cu dispariţia efectului de pană. Această soluţie se aplică la şinele de tip mai greu. Şina tip 45 are inimile plane (a), şinele tip 40 şi 54 E au inimile de forma (b) cu raze de 300 şi 508 mm, iar şinele tip 49, 60, 65 şi 75 au inimile de forma (c) cu feţele paralele pe câte 30 şi respectiv 32 mm, racordările făcându – se cu curbe policentrice cu razele de 7 … 120 mm. Grosimea inimii în zona centrală variază între 12 şi 16 mm. Racordarea inimii cu umerii ciupercilor şi feţele superioare ale tălpilor şinei se face având în vedere următoarele: - asigurarea unei cât mai bune continuităţi a profilului şinei – treceri treptate de la ciupercă la inimă şi talpă; - eliminarea concentrărilor de eforturi din laminare şi solicitări exterioare; - asigurarea unui spaţiu „j” cât mai mare între inimă şi eclisă; - asigurarea unor suprafeţe suficiente la rezemarea ecliselor; Primele trei condiţii impun sporirea razelor de racordare. Condiţia a patra, impune reducerea acestora. Uzual, razele de racordare au valori de 6 … 16 mm. Experimentările din USA au demonstrat că razele ar trebui să aibă valorile de 19 – 20 mm pentru evitarea distrugerii şinelor prin oboseală (solicitări alternante de întindere – compresiune la fiecare osie sau în intervalul dintre acestea).

ELEMENTE CARACTERISTICE ALE ŞINELOR DE CALE FERATĂ

Şinele de cale ferată se caracterizează prin: 1. Tipul şinei – reprezintă greutatea pe metru liniar din şina respectivă, măsurată în kilograme. 2. Dimensiunile geometrice şi caracteristicile de rezistenţă mai importante sunt prezentate în tabel: Tipul şinei / caracteristici Greutate Lăţimea ciupercii (a / b) Grosimea inimii (c) Lăţimea tălpii (d) h1 / h2 h3 h4 h A (cm2) Ix (cm4) Iy (cm4) Wx sup Wx inf Wy

40

45

49

54 E

60

75

40,00 64 / 64

45,05 72 / 72

49,43 66,8 / 70

53,81 67 / 70

60,34 72 / 74,3

74,90 - / 75

13

14

14

16

16,5

20

115

110

125

125

150

160

9,0 / 23,4 66,60 40,00 130 50,96 1144,40 191,10 181,00 172,10 33,00

10,75 / 24,50 76,00 43,50 144 57,39 1582,90 259,10 216,80 223,50 47,10

10,50 / 27,50 70,00 51,50 149 62,97 1819,00 320,00 248,20 240,30 51,20

12,00 / 30,20 79,40 51,40 161 68,55 2308,00 341,29 297,77 276,37 54,60

11,50 / 31,50 89,50 51,00 172 76,86 3055,00 512,90 377,40 335,60 68,40

13,50 / 33,50 110,00 48,50 192 95,80 4597,00 771,00 -

Faţă de datele din tabel, se acceptă abateri de  0,5 mm cu excepţia lăţimii tălpii 1 mm şi a grosimii inimii + 1 – 0,5 mm. Din cauza circulaţiei, şinele suferă în timp uzuri – în special la ciupercă – uzuri limitate conform Instrucţiei 314 „Norme şi Toleranţe” după cum urmează: - în linie curentă şi în staţii nu se admite şină cu uzura totală mai mare de 14 mm la şinele mai mari de 40 şi de 10 mm la şinele mai mici sau egale cu 40;

a

h4

b h c

h3

h2 h1 d

Uzura totală este egală cu suma uzurii verticale „a” cu jumătate din uzura laterală „b” şi „c”.

a

bc U t max  a  b=c=0 2

max 30o

 mm45 o a

2 x 45o

b

a c

c=0

b

a

c=0

b

max 27 mm

- uzura laterală nu trebuie să depăşească înălţimea de 27 mm şi în nici un caz buza bandajului roţii nu are voie să atingă eclisele. - înclinarea feţei uzate a şinei nu trebuie să depăşească 30o. - uzurile concave facilitează urcarea buzei bandajului pe şină şi se pot produce deraieri. 3. Coeficientul de stabilitate (K1) reprezintă raportul dintre lăţimea tălpii şinei şi înălţimea acesteia: K1 

d h

La şinele cere reazemă direct pe traversă, acest raport este mai mare deoarece lăţimea sporită a tălpii şinei este necesară evitării strivirii traversei. În general, K1  1 la traversele din lemn de esenţă moale, K1  0,9 la traversele din lemn de esenţă tare şi K1  0,8 la traversele din lemn la care rezemarea şinelor pe traverse se face prin intermediul plăcilor metalice. Posibilitatea şi necesitatea reducerii lăţimii tălpii şinei au rezultat din: - ameliorarea condiţiilor de răcire la laminare; - reducerea eforturilor la extremităţile tălpii produse de forţele orizontale transversale sau din forţele verticale excentrice; - introducerea plăcilor metalice între şină şi traversă; - introducerea şi generalizarea traverselor din beton precomprimat, deci dispariţia pericolului de strivire a traverselor. 4. Indicele de folosire a materialului (K2) este exprimat prin rapoartele: K2 = W / G = Modul de rezistenţă / Greutate pe metru liniar K2’ = W / A = Modul de rezistenţă / Aria secţiunii transversale K2’’ = I / G = Modul de rezistenţă / Greutate pe metru liniar K2’’’ = I / G = Modul de rezistenţă / Aria secţiunii transversale Cu cât indicele de folosire a materialului este mai mare, cu atât materialul este mai bine utilizat şi profilul transversal al şinei mai raţional. 5. Lungimea şinelor. Lungimea şinelor se măsoară la 20 o C. Şinele pot avea lungimi normale inclusiv lungimi normale scurtate, lungimi subnormale şi lungimi speciale. Lungimile normale ale şinelor sunt: - şină tip 40: 15,00; 22,50; 30,00 m - şină tip 45: 12,00; 15,00; 30,00 m - şină tip 49: 12,50; 15,00; 25,00; 30,00 m - şină tip 54 E şi mai mare: 15,0; 22,50; 30,00 m Lungimile normale scurtate ale şinelor se folosesc pe sectoarele de cale în curbă pentru menţinerea joantelor la echer. În curbe, firul exterior este mai lung decât firul interior şi deci dacă toate şinele ar avea aceeaşi lungime, joantele nu ar mai fi la echer (în aceeaşi secţiune transversală). Instrucţia 314 „Norme şi Toleranţe” prevede ca dezaxarea maximă a rosturilor celor două şine ale căii să fie sub 100 mm pentru a reduce pe cât posibil numărul zonelor generatoare de şocuri şi vibraţii.

şină normală scurtată Lungimile subnormale – de la 10,00 m inclusiv până la lungimea comandată – sunt multipli de metri întregi. Lungimile speciale sunt utilizate de regulă pentru executarea aparatelor de cale şi se livrează pe bază de comenzi speciale. La calea cu joante nu se admite utilizarea cupoanelor de şină cu lungimea sub 4,50 m pe liniile cu viteza maximă de circulaţie sub 50 km / h şi 6,00 m pe liniile cu viteza maximă de circulaţie peste 50 km / h. În cazul căii fără joante, şinele au lungimi foarte mari – practic, distanţele dintre joantele panourilor tampon adiacente joantelor electroizolante. Lungimile de livrare ale şinelor Lungimi normale Lungimi normale scurtate 15,000 14,930; 14,870 22,500 22,445; 22,390; 22,335 30,000 29,900; 29,800; 29,700 6. Materialul de confecţionare are un rol hotărâtor la proiectarea, realizarea, exploatarea şi întreţinerea unei căi ferate. Oţelul utilizat la realizarea şinelor trebuie să asigure următoarele caracteristici: - şinele să fie rigide (să aibă deformaţii elastice reduse) şi elastice pentru prevenirea ruperii şinelor sub circulaţie şi pentru amortizarea în cât mai mare măsură a şocurilor şi vibraţiilor produse de convoaiele feroviare; - suprafaţa de rulare să fie dură pentru reducerea uzurilor şinelor dar duritatea excesivă conduce la uzuri accentuate ale bandajelor roţilor; - suprafaţa de rulare să fie rugoasă pentru sporirea aderenţei şi netedă pentru reducerea rezistenţelor la mers; - materialul să fie rezistent şi cât mai tenace pentru prevenirea ruperii şinelor din şocuri şi solicitări repetate (oboseală). Cerinţele de mai sus au condus la adoptarea următoarei compoziţii chimice a oţelului utilizat la realizarea şinelor de cale ferată: Compoziţia chimică România UIC (în plus faţă de fier) (%) (procedeul Bessemer) carbon 0,40 – 0,55 0,37 – 0,55 mangan 0,80 – 1,20 0,70 – 1,20 siliciu max. 0,35 0,07 – 0,35 fosfor max. 0,05 max. 0,08 sulf max. 0,05 max. 0,08 Nota: - în România, procentul de carbon poate creşte până la 0,60 %, dar fosforul şi sulful să fie sub 0,04 %; - Conform normelor UIC – în cazul producerii oţelului prin procedeul Siemens – Martin, fosforul şi sulful scad la maximum 0,06 % iar prin procedeul electric la maximum 0,04 %. Efectele elementelor de aliere ale oţelului:

- carbonul măreşte rezistenţa şi duritatea oţelului; - manganul sporeşte densitatea şi tenacitatea oţelului; - carbonul şi manganul reduc elasticitatea oţelului; - siliciul sporeşte duritatea, rezistenţa la uzură şi elasticitatea oţelului; - fosforul şi sulful reduc tenacitatea : fosforul face oţelul casant la rece şi sulful casant la cald. Şinele trebuie să îndeplinească o serie de caracteristici mecanice determinate prin: - rezistenţa la rupere la tracţiune; - alungirea specifică (modulul de elasticitate); - rezistenţa la rupere la şoc (rezilienţa); - durabilitatea (rezistenţa la uzură); - comportarea la sudură reprezintă o caracteristică esenţială la realizarea căii fără joante. Mărimile efective ale valorilor caracteristicilor mecanice ale oţelurilor din care se confecţionează şinele de cale ferată diferă de la o administraţie de cale ferată la alta. Calităţile oţelului din care se realizează şinele de cale ferată se pot îmbunătăţi prin adăugarea în compoziţia oţelului a diferite elemente de aliere – crom, nichel, titan, vanadiu – etc, concomitent cu modificarea procentelor de carbon şi mangan. Adaosul de crom sporeşte rezistenţa la uzură, cu menţinerea elasticităţii oţelului şi a rezistenţei la tracţiune. Oţelul obişnuit pentru şina de cale ferată are rezistenţa la tracţiune  rupere = 70 daN / mm2. Prin adaos de crom şi procedee moderne de fabricaţie se ajunge la  rupere = 90 daN / mm2. Au fost realizate şine cu ciuperca din oţel dur (oţel – crom) cu rezistenţe foarte mari, cu  rupere = 130 daN / mm2, restul şinei fiind din oţel de calitate normală ( rupere = 60 - 70 daN / mm2). În U.S.A. se utilizează la realizarea şinelor de cale ferată oţeluri speciale cu 2 – 4 % carbon şi mangan, oţeluri foarte scumpe, şinele fiind folosite la realizarea aparatelor de cale amplasate pe liniile cu un trafic greu foarte intens. Pe reţeaua de căi ferate din România, au fost introduse şine de cale ferată din import, realizate din oţeluri de calitate, care au avut următoarele efecte: - reducerea uzurilor cu peste 50 % faţă de şinele din oţeluri obişnuite; - lipsa fenomenelor de degradări prin oboseală (deteriorări, fisurări, ruperi, etc); - comportarea foarte bună la sudura prin procedeul electric cu presiune. 7. Găurile şinelor necesare realizării rosturilor se fac şi se amplasează la capetele şinelor funcţie de tipul şi lungimea şinei, de tipul joantei şi de destinaţia şinei (cale curentă sau aparate de cale). Şinele sunt livrate din uzină cu găurile gata executate la poziţiile şi dimensiunile solicitate de către beneficiar. Poziţia şi diametrul găurilor de la capetele şinelor se stabilesc funcţie de mărimea rosturilor de dilataţie necesare între şinele eclisate (de lungimea acestora, temperatura de fixare, tipul constructiv al joantei, tipul ecliselor, etc). Între dimensiunile găurilor din şină ş, diametrul găurilor din eclise e şi diametrul buloanelor orizontale b trebuie astfel corelate ca să se poată obţine un rost maxim de dilataţie şi tot odată, să nu se producă în tija bulonului decât eforturi de întindere şi nu şi eforturi de forfecare. În ori ce caz, trebuie satisfăcută relaţia: ş > e > b Pentru şinele de cale ferată utilizate pe reţeaua de căi ferate din România sunt următoarele distanţe de amplasare a găurilor de eclisare: Tip l1 l2 le rmax rrmax hg ş e b şină 40 56,00 165 120 30 (33) 24 22 20 (23) 18 (21) 60,00 45 50,50 165 108 30 (33) 24 22 20 (23) 17 (20) 62,50

49 54 E 60 65

46,00 66,00 61,00 96,00

165 200 165 220 l2

100 30 (33) 140 27,50 (30,50) 130 30 (33) 200 36 r m l1 l1

26 25 27 29 l2

24 22 24 27

16 (19) 17 (20) 18 (21) 22

ş

hg

16 (19) 16,50 (19,50) 17 (20) 19

62,50 70,00 76,25 78,50

şina

eclisa l2

le

l2

La şinele destinate liniilor curente şi a liniilor de garare, găurile pentru eclisare se fac la ambele capete conform figurii la valorile prezentate în tabel. Valorile din paranteze ale diametrelor găurilor din şine (ş) se aplică la şinele cu lungimi de 30,00 m, 29,900 m, 29,800 m şi 29,700 m, precum şi la şinele subnormale (până la 20 m). În ipoteza că la montare găurile din şine şi cele din eclise sunt axiale, rezultă valoarea rostului de montaj: rm = le – 2 l1 În cazurile extreme – la temperaturi minime cu rost maxim şi la temperaturi maxime cu rost minim (închis, sau zero), găurile din şine şi din eclise trebuie să fie tangente la tija bulonului pentru ca să nu se producă în tija bulonului decât eforturi de întindere şi nu şi eforturi de forfecare. le

l1

l1

l1

2

ll

Deplasarea maximă a unui capăt de şină este: = (ds – db) + (de – db) = ds + de – 2 db Deoarece se pot deplasa capetele ambelor şine, rostul maxim teoretic (rmax) rezultă: rmax = 2  = 2(ds + de – 2 db)

În realitate, rostul maxim este ceva mai mic şi rezultă din deplasarea maximă posibilă în cazul extrem faţă de cazul mediu (gaură şină, gaură eclisă şi diametru bulon sunt coaxiale) şi valoarea rostului de montaj rm). r = (dş – db) / 2 + (de – db) / 2 + rm / 2 Rostul maxim real (rmax) devine: rrmax = 2 r = dş + de – 2 db + rm Valorile rm, rmax şi rrmax, precum şi distanţa axei găurilor şinei faţă de talpă (hg) sunt cuprinse în tabel. Pentru a obţine valori mari pentru rosturile de dilataţie, diametrul găurilor din şine şi din eclise ar trebui să fie cât mai mari, iar diametrul tijei bulonului cât mai mic. Sporirea diametrelor găurilor din şine şi eclise conduce la slăbirea (reducerea) secţiunii acestora, iar reducerea diametrului tijei bulonului conduce la slăbirea acestuia. Paradoxul se rezolvă prin realizarea găurilor ovale – de regulă în eclise, folosirea oţelurilor de calitate superioară la confecţionarea buloanelor şi realizarea unor suprastructuri de cale ferată puternice care să poată prelua eforturile din variaţii de temperatură chiar în cazul rosturilor de montaj nule (calea fără joante).