DEPARTMAN ZA TEHNIČKE NAUKE
SEMINARSKI RAD
ŽELEZNICE
OSNOVE SAOBRAĆAJNICA
oktobar,2013
UVOD Prvi koraci ka železničkom transportu datiraju iz prve polovine devetnaestog veka, kada je između Baltimora i Ohaja postavljena pruga na kojoj su konji bili osnovni vučni pogon. Krajem 1830. godine železnička kompanija Južne Karoline je bila prva koja je počela da koristi paru kao pogonsku energiju. Pri kraju devetnaestog veka, između 1870. i 1890. godine, u Americi, ovaj vid transporta je naglo počeo da se širi u mrežu, ka zapadnim delovima kontinenta. Osnovni motiv je bilo osvajanje zapadnih oblasti, naseljavanje, gajenje proizvoda i njihov transport na istočna tržišta. U Engleskoj, pak, posle Stivensonovog izuma - lokomotive 1814. godine, 27. septembra 1825. godine je puštena u servis pruga između Stoktona i Darlingtona. Vuču na toj pruzi su činili konji i parna mašina. Godine 1830. je puštena u slika 1 promet pruga između Liverpula i Mančestera. Na toj pruzi, dugoj 31 milju, jedino vučno sredstvo bila je Stivensonova “Raketa“. U današnje vreme, železnica konkuriše ostalim vidovima saobraćaja, drumskom i rečnom, zahvaljujući znatnom povećanju brzina i nosivosti. U današnje vreme transport putnika železnicom dostiže brzine oko 200 do 250 km/h.
slika 2 2
OSNOVNE KLASIFIKACIJE PRUGA Da bi železnička pruga bila ispravno projektovana mora prethodno da se utvrdi količina tereta, koji određenim koridorom treba da bude prevezen - fiktivna opterećenost Tf (br.t/dan):
gde je: TV - prosečna dnevna opterećenost putničkog saobraćaja u bruto tonama po danu (br.t/dan) V - najveća dozvoljena brzina na pruzi Tm - prosečna dnevna opterećenost teretnog saobraćaja u br.t/danu P - najveća dozvoljena opterećenost po osovini od kola u tonama D = 0.9 Za glavne pruge I reda Tf ≥ 25 000 br.t/dan Za glavne pruge II reda Tf = 6 000 - 25 000 br.t/dan Za sporedne pruge Tf ≤ 6 000 br.t/dan Sledeći parametar na koji treba obratiti pažnju je namena pruge. Da li je samo za teretni saobraćaj, putnički saobraćaj ili mešoviti saobraćaj. Nasleđeni pogledi na transport roba i ljudi železnicom su usmeravali konstruktore na projektovanje pruga za mešovit i teretni saobraćaj. Međutim, današnji principi, usled velikog povećanja brzina putničkih vozova, dovode do razdvajanja pruga. Putnički vozovi kojima su namenjene pruge za velike brzine zahtevaju savremeniji pristup projektovanju geometrijskih elemenata pri trasiranju, dok s druge strane, teretni saobraćaj, usled znatno većih masa koje prevozi i manjih brzina, zahteva drukčije kriterijume, kako u pogledu geometrije, tako i u pogledu na dinamičke uticaje koje takvi vozovi izazivaju svojim kretanjem. Pruge su klasifikovane, najčešće prema saobraćajnoj vrednosti i značaju. Osnovna podela je na glavne i sporedne pruge. U grupu glavnih pruga spadaju pruge normalnog koloseka I i II reda, dok su u grupu sporednih pruga stavljene pruge I i II reda uzanog koloseka. Pruge normalnog koloseka I reda služe međunarodnom tranzitnom saobraćaju, dok za unutrašnje povezivanje značajnijih privrednih centara služe pruge I i II reda. Sve ostale pruge normalnog i uzanog koloseka su sporedne.
3
SILE KOJE DELUJU NA VOZ Na voz deluju sledeće spoljne sile: • vučna sila Ze • sila otpora kretanju W • sila kočenja Bk Sila pomoću koje se voz pokreće je vučna sila. Ona se stvara u lokomotivi i uvek deluje u pravcu kretanja, odnosno stvara se u pogonskom motoru lokomotive i izaziva kretanje voza savlađujući sve njegove otpore. Sile otpora kretanju voza su posledica raznolikih uticaja koji deluju na voz. One deluju i u smeru kretanja voza i u suprotnom smeru. Otpori su svrstani u osnovne (stalne) i naknadne (povremene). Osnovni otpori su oni koji se suprotstavljaju kretanju voza po pravom i horizontalnom putu. To su unutrašnji otpori u vozilima, otpori koje izaziva kolosek i otpori koje izaziva vazduh. Unutrašnji otpori su otpori od trenja. Otpori od koloseka su posledica kotrljanja točkova po šinama, ugibanja koloseka pod vertikalnim opterećenjem, trenja klizanja točkova o površini glava šina, i udara na sastavima šina. Otpor od vazdušne sredine je posledica pritiska vazduha na čeonu površinu voza i izračunava se empirijskim putem. U osnovne otpore spadaju, takođe, osnovni otpori od kola i osnovni otpori od lokomotive, koji u zbiru čine osnovne otpore celog voza, kao i otpori pri pokretanju voza iz mesta. U naknadne otpore spadaju otpori od uspona i od krivina. Kočione sile stvaraju uređaji za kočenje. One uvek deluju u suprotnom smeru od smera kretanja voza. ZAUSTAVNI PUT Vrlo bitan parametar za projektovanje trase železničke pruge je određivanje zaustavnog puta. Dužina zaustavnog puta zavisi od brzine kretanja voza i biva sve veća u skladu sa povećanjem brzina i iznosi: Sz = Sp + Sk (m) gde je: Sz - dužina zaustavnog puta Sp - pređeni put od trenutka povlačenja ručice kočnice do trenutka njenog aktiviranja (pripremni put) Sk - stvarna dužina puta kočewa ISKORIŠĆENJE KINETIČKE ENERGIJE VOZA Događa se da na prugama u eksploataciji ima deonica na kojima je najveći uspon na veoma malim dužinama. Zbog toga se voz kreće neravnomernom brzinom duž cele deonice. Takvi slučajevi su inspirisali konstruktore da odrede težinu voza prema nekom manjem usponu na većoj dužini. Kad je u pitanju veći uspon kraće dužine, voz ga savlađuje vučnom silom i kinetičkom energijom.
4
OSNOVNI KONSTRUKTIVNI ELEMENTI ŽELEZNIČKE PRUGE Poznato je da železničku prugu čine donji stroj, gornji stroj i signalno sigurnosni uređaji. Donji stroj pruge čine nasipi, useci, propusti, mostovi, potporni zidovi, tuneli, službene i stambene zgrade namenjene potrebama eksploatacije pruge. Svi ovi objekti služe da se savlada teren i postavi niveleta onako kako je projektovana, t.j. da se postavi trup pruge. U gornji stroj pruge spadaju koloseci, skretnice, okretnice i prenosnice. Pošto je kolosek sastavljen od šina i pragova, koji su postavljeni u tucanički zastor, može se kazati da i pragovi i kolosečni zastor spadaju, takođe u gornji stroj. Signalno sigurnosni i telekomunikacioni uređaji služe za bezbedno odvijanje saobraćaja na pruzi, odnosno pomoću njih se upravlja kretanje vozova po pruzi. SITUACIONI PLAN I UZDUŽNI PROFIL Situacionim planom se naziva horozontalna projekcija trase pruge, a uzdužnim profilom njena vertikalna projekcija. Uzdužni profil se crta u karikiranim razmerama radi lakšeg sagledavanja terena i položaja trase na njemu. Razmere su
i zavise od razmere situacionog plana. Visinu nasipa, odnosno dubinu useka predstavlja razlika između nivelete trase i terena. PLANUM ŽELEZNIČKE PRUGE Gornja površina zemljanog trupa pruge je planum, a zamišljena linija po njegovoj sredini je osovina planuma. Širina planuma, dimenzije zastorne prizme i dužina praga zavise od železničkih uprava. U nekim zemljama se te dimenzije razlikuju, mada je težnja da na celom Kontinentu bude primenjen isti dimenzioni sistem.
5
SLOBODNI PROFIL PRUGE Slobodni profil pruge predstavlja prostor iznad koloseka u kome ne sme da se nalazi nikakva prepreka koja bi ometala kretanje voza – lokomotiva i vagona. Na slici 5.1 je prikazana šema slobodnog i tovarnog profila
Slobdni i tovarni profil (slika 3.)
6
GEOMETRIJSKI ELEMENTI PLANA PRUGE Geometrijski elementi plana pruge su pravci, krivine, prelazne krivine i međupravci. Svi ovi elementi u kombinaciji čine trasu pruge. Poluprečnici krivina zavise od brzina vozova koji se kreću nekom prugom. Kružne krivine se nikad ne izvode bez prelaznog dela krivine, te su elementi za proračun kružnih krivina sa prelaznicama sledeći: • dužina tangente
(m)
• dužina cele krivine
(m)
• bisektrisa
(m)
• apscisa sredine krivine
(m)
• ordinata sredine krivine
(m)
gde je: R - poluprečnik krivine f - razmak za koji treba paralelno pomeriti kružnu krivinu ka centru krivine da bi mogla da se ubaci prelazna krivina a - udaljenost dodirne tačke kružne krivine poluprečnika (R+f) od početka ili kraja prelaznice τ - ugao koji zahvata tangenta u tački na početku ili kraju kružne krivine L - dužina prelazne krivine α - skretni ugao Vrednosti f, a i τ mogu biti izračunate pomoću formula: f = yl + R * cos τ - R [m], a = l - R * sin τ (m)
(m) gde je: yl-udaljenost početka,
odnosno kraja kružne krivine od tangente i može biti izračunata pomoću formule: (m) l=L-
(m)
7
Na slici 4 su prikazani elementi prelazne krivine oblika popravljene kubne parabole
Slika 4 Nadvišenje spoljne šine u krivini, koje se izvodi na dužini prelazne krivine, a služi za anuliranje centrifugalne sile, je: (mm) gde je Vmax najveća brzina u krivini. Inače, u zavisnosti od karaktera reljefa terena postoje sledeći načini trasiranja: • slobodno vođenje trase • prinudno vođenje trase • veštačko razvijanje trase Slobodno vonjenje trase se primećuje u onim slučajevima kad je prirodni pad terena manji od merodavnog nagiba na trasi. Postupak prinudnog vođenja trase je u primeni, kad najveći uspon na trasi ne sme da prekorači vrednost merodavnog uspona. U teškim terenskim uslovima, u brdovitim i planinskim predelima, gde je potrebno trasu voditi nagibom koji je manji od nagiba terena, primećuje se postupak veštačkog razvijanja trase. Sam karakter trase, koji zavisi od reljefa terena je vododelnički, poprečno-vododelnički, dolinski i padinski.
8
ELEMENTI UZDUŽNOG PROFILA U elemente uzdužnog profila spadaju usponi i padovi različitih dužina, pomoću kojih se savlađuju visinske razlike terena. Usponi i padovi su izraženi u promilima (o/oo). Uspon može biti merodavan, fiktivni, uspon za pojačanu zapregu i uravnoteženi uspon. Merodavni uspon ( ) je najveći fiktivni uspon na pruzi koji dominira po svojoj dužini, a prema kome se određuje masa voza pri prostoj zaprezi. Fiktivni uspon je algebarski zbir otpora od uspona i otpora od krivina. Uspon za pojačanu zapregu je posledica savladavanja velike visinske razlike usponom većim od merodavnog. Da bi voz mogao da ga savlada, neophodno je pojačati zapregu (broj vučnih sredstava). Zbog neujednačenosti teretnog saobraćaja po smerovima često se pribegava rešenju da manje opterećeni vozovi savlađuju oštrije uspone. Da bi bila iskorišćena vučna sila lokomotive, neophodno je uravnotežiti ukupne otpore primenom jačeg uspona na manje opterećenom smeru. Voz vrši rad dok se penje po usponu. Ako se, pak, na tom putu pojavi deonica koja ima pad na kome voz troši rad na kočenje, pod pretpostavkom da ti nagibi nisu veći od pada kočenja, onda su to – neštetni nagibi. Svi ostali nagibi, koji su veći od pada kočenja su štetni nagibi, jer se troši veći mehanički rad za kretanje voza nego po horizontali iste dužine. Položaji preloma nivelete ne smeju biti na manjem rastojanju od onog koji je propisala određena železnička uprava. U uzdužnom profilu prelom nivelete mora biti zaobljen. U nekim zemljama Evrope, zaobljenje preloma nivelete je ograničeno vertikalnim ubrzanjem i određuje se pomoću formule: (m) gde je: V – maksimalna brzina na pruzi [km/h] pv – dopušteno vertikalno ubrzanje [m/sec2] Ublažavanje uspona u krivinama se izvodi povećavanjem poluprečnika krivine i postavljanjem prelomnih uglova, tako da njihov zbir bude što manji. Ublažavanje uspona se vrši i ispred tunela, tako da se u tunelu izbegnu negativni uticaji vlage i vazdušnog čepa, poznatog pod nazivom – tunelski efekat.
9
ŽELEZNIČKE STANICE Možemo kazati da je stanica predstavnik železnice koji ostvaruje kontakt sa privredom I putnicima i sa njima zaključuje ugovore o prevozu. Možemo je shvatiti i kao organizatora i neposrednog izvršioca najvećeg dela tehničkih zadataka u transportu robe, putnika i u saobraćanju vozova. Usled različite namene i funkcije stanica i ostalih službenih mesta u železničkom saobraćaju postoje i razne klasifikacije stanica prema raznim parametrima. Polazni parametri za klasifikaciju stanica su: • zadatak i tehnička sredstva stanice • karakter rada stanice • položaj stanice u mreži • šema stanice • značaj stanice itd. Stanice i službena mesta, prema zadatku koji treba da izvrše u saobraćajnom sistemu i raspoloživim tehničkim sredstvima, podeljene su na osam vrsta: 1. Postaja ili stajalište je službeno mesto koje služi samo za saobraćaj lokalnih putnika. Postaja obično nema nikakvih tehničkih sredstava. U slučaju intenzivnog lokalnog saobraćaja, postaja može imati peron i nadstrešnicu za putnike, pa čak i biletarnicu za prodaju karata 2. Blokarnica i odjavnica su službena mesta koja obavljaju regulisawnje hoda uzastopnih vozova. Od tehničkih sredstava imaju samo signalna sredstva i sredstva veze. Na savremenim prugama ovo se obavlja pomoću automatskog pružnog bloka. 3. Rasputnica je službeno mesto na otvorenoj pruzi odakle se odvaja neka druga pruga. što se tiče tehničke opremljenosti, mora imati bar jednu skretnicu i signalno sigurnosne uređaje za osiguranje tog mesta
Slika 5 Rasputnica
10
4. Raskrsnica je službeno mesto u kojem se seku u nivou dve pruge iste ili različite širine. Raskrsnica mora imati signalno sigurnosna postrojenja za obezbeđenje tog mesta i sredstva veze. Po pravilu mora biti posednuta službenim licem i uključena u dispečerski sistem upravljanja saobraćajem iz centralnog mesta.
Slika 6 Raskrsnica 5. Tovarište je službeno mesto gde se sa glavnog koloseka odvaja jedan ili više sporednih koloseka na kojima se obavlja utovar, odnosno istovar robe. Ovo mesto mora imati bar jednu skretnicu. Tovarištem upravlja susedna stanica.
Slika 7 Tovarište 6. Ukrsnica je službeno mesto na jednokolosečnoj pruzi koje služi za ukrštanje i preticanje vozova. Na ukrsnici se mora nalaziti, pored glavnog prolaznog koloseka, bar još jedan kolosek obostrano (veoma retko jednostrano) vezan. Ovo mesto mora da ima signalno sigurnosna postrojenja za osiguranje sa obe strane, kao i sredstva veze. Ukrsnica može obavljati saobraćaj lokanih putnika i prtljaga.
slika 8 Ukrsnica
11
7. Mimoilaznica je službeno mesto na dvokolosečnoj pruzi koje služi za preticanje (mimoilaženje) vozova. Pored dva glavna prolazna koloseka mora imati bar još jedan, a obično dva koloseka obostrano vezana, kao i signalno sigurnosne uređaje za osiguranje i sredstva veze. Može obavljati saobraćaj lokalnih putnika i prtljaga.
Slika 9 Mimoilaženje 8. Stanica je službeno mesto na jednokolosečnoj ili dvokolosečnoj pruzi koje obavlja ukrštanje i preticanje vozova, saobraćaj putnika i robe u svim komercijalnim operacijama. Stanica mora imati odre|en broj koloseka, signalno sigurnosna srestva, sredstva veze, postrojenja za lokalni robni rad, za putnički saobraćaj i postrojenja za specijalne funkcije. Prema zadatku koji treba da obave a prema tehničkim sredstvima kojima raspolažu, stanice mogu biti podeljene na međustanice i specijalizovane stanice. Međustanice obavljaju standardne zadatke, a specijalizovane stanice posebne zadatke sastavljanje i rastavljanje teretnih vozova (ranžirne stanice), utovar i istovar robe (robne stanice), putnički saobraćaj većeg obima (putničke stanice), pretovar robe sa železničkog na vodni saobraćaj (lučke stanice) i dr.
Slika 10 Stanica Ukrsnice, mimoilaznice i stanice mogu da budu uključene u dispečerski sistem za upravljanje iz jednog centralnog mesta. Na slici 11 je prikazano jedno stanično postrojenje iz perspektive službenog lica.
12
Slika 11 Stanično postrojenje
Postoji više klasifikacija stanica, a jedna od tih je i prema položaju u mreži: • početne ili krajnje stanice • međustanice • priključne stanice • spojne, razdelne stanice • dodirne stanice • čvorne stanice Prema karakteru rada stanice su klasifikovane u tri grupe: • putničke stanice • teretne stanice • mešovite stanice za teretni i putnički saobraćaj Sam postupak projektovanja stanica je sastavljen iz tri faze. • izrade prethodne studije ili predprojekta • izrade idejnog projekta • izrade glavnog projekta 13
OSNOVNI ELEMENTI GORNJEG STROJA Osnovni elementi gornjeg stroja su šine, kolosečni pribor, pragovi ili armirano-betonske konstrukcije i tucanički zastor. Šine su neposredni oslonac točkovima i služe za vođenje šinskih vozila. One primaju horizontalne i vertikalne sile od vozila, kao i podužne sile od temperaturnih uticaja i prenose ih preko pričvršćenja na pragove, zastor i zemljani trup. Kolosečnim priborom se šine međusobno spajaju (spojni kolosečni pribor) i pričvršćuju za pragove (pričvrsni kolosečni pribor). Elementi spojnog kolosečnog pribora su vezice, spojni vijci sa navrtkama, prstenaste elastične podloške. Elementi pričvrsnog kolosečnog pribora su kotve i stezaljke. Ostali kolosečni pribor služi za ublažavanje uticaja kao što su podužna pomeranja koloseka, poprečna pomeranja koloseka, ublažavanje dinamičkih uticaja vozila. Pragovi predstavljaju oslonce šinama. Kroz njih se prenose horizontalne i vertikalne sile sa šina na zastor. Pošto su šine pričvršćene za pragove pričvrsnim kolosečnim priborom time je obezbeđeno njihovo konstantno rastojanje duž koloseka. Pragovi, koji danas predstavljaju posledicu savremenog pristupa analize efekata sila koje se prenose preko šina i pričvršćenja, mogu biti betonski ili, pak, čelični, postavljeni na betonske temelje na slici 12.
Slika 12 Čelični pragovi u tunelu Ova vrsta Y - čeličnih pragova ima prednost u odnosu na ostale tipove pragova. Ove pragove treba postavljati na masivnu betonsku podlogu. U poređenju sa pragovima klasičnog oblika, ovi pragovi imaju određene ekonomske prednosti: po kilometru dužnom Y - pragova je 50% manje od pragova klasičnog oblika, manje su mase, duži im je upotrebni vek, pružaju veliki otpor bočnom pomeranju, imaju visok stepen torzione krutosti u koloseku, olakšavaju kretanje voza zahvaljujući smaknutom položaju oslonačkih tačaka. Zastor ima ulogu da evakuiše vodu, koja 14
može negativno da deluje na drvene pragove i zemljani trup, čime štiti zemljani trup od trajnih deformacija i raskvašavanja. Posmatrano sa statičkog gledišta, prihvata velike pritiske pragova i prenosi ih na zemljani trup u vidu smanjenih i ujednačenih pritisaka. Međutim, postoje deonice sa betonskom podlogom i to na prugama namenjenim velikim brzinama. Kolosek, pak, čine šine i pragovi. Statički posmatrano, to je roštilj sa kontinualnim podužnim gredama opterećenim pokretnim opterećenjem i elastično uklještenim poprečnim štapovima. Ovakvoj konstrukciji zastor predstavlja elastičnu podlogu. Na slici 13 mogu se uočiti savremeni elementi koloseka – betonski pragovi, pričvršćenja i uređaji za pomeranje jezičaka skretnice - menjalice.
Slika 12. Elementi savremenog koloseka Tipova šina ima raznih i zavise od namene pruge i opterećenja koje se po njoj kreće. Na slici 13 su prikazani neki karakteristični tipovi šina.
Slika 13 Karakteristični tipovi šina koje proizvodi ThyssenKrupp
Zahvaljujući napretku tehnologije proizvodnje, današnje šine imaju dužine i do 120 metara. Šine tolikih dužina mogu lako da se transportuju prugom do mesta ugrađivanja. 15
Literatura: Osnove saobraćajnica Prof.dr Aleksandar Cvetanović, dipl.građ.inž. Borivoje Banić dipl.građ.inž.
16
SADRŽAJ UVOD …………………………………………………………………………………………………2 OSNOVNE KLASIFIKACIJE PRUGA………………………………………………..……...3 SILE KOJE DELUJU NA VOZ…………………………………………………….……………4 ZAUSTAVNI PUT…………………………………………………………………….…………….4 ISKORIŠĆENJE KINETIČKE ENERGIJE VOZA…………………………………………4 OSNOVNI KONSTRUKTIVNI ELEMENTI ŽELEZNIČKE PRUGE……...…………..5 SITUACIONI PLAN I UZDUŽNI PROFIL…...………………………….…………………..5 PLANUM ŽELEZNIČKE PRUGE……………………………………….…………………...…5 SLOBODNI PROFIL PRUGE………………………………………..……………………...…..6 GEOMETRIJSKI ELEMENTI PLANA PRUGE………….……………………………..…..7 ELEMENTI UZDUŽNOG PROFILA…………………….………………………………..…….9 ŽELEZNIČKE STANICE………………………………….………………………………………10 OSNOVNI ELEMENTI GORNJEG STROJA…….……………………………….………….14 LITERATURA…………………………………………..……………………………..…………….16
17
