1. Рельсы - это стальные профилированные прокатные изделия в виде полос. Рельсы - это элементы верхнего строения пути, уложенные на опоры и скрепленные с ними и между собой, образуют рельсовую колею, непосредственно воспринимают давление колёс подвижного состава.

В России рельсы производят Кузнецкий и Нижнетагильский металлургические комбинаты. Рельсы имеют заводские знаки.

Общая характеристика:

Тип рельсов определяется массой рельса длиной 1 м.: Р75, Р65, Р50, Р43.

В основном укладывают Р65.

Различают: головка, шейка, подошва.

Рельсы железнодорожные подразделяют:

• по типам:

Р50;

Р65;

Р65К (для наружных нитей кривых участков пути);

Р75;

• по категориям качества:

В — рельсы термоупроченные высшего качества;

Т1, Т2 — рельсы термоупрочненные;

Н — рельсы нетермоупрочненные;

• по наличию болтовых отверстий:

с отверстиями на обоих концах;

без отверстий;

• по способу выплавки стали:

М — из мартеновской стали,

К — из конвертерной стали;

Э — из электростали;

• по виду исходных заготовок:

из слитков;

из непрерывно-литых заготовок (НЛЗ);

• по способу противофлокенной обработки:

из вакуумированной стали;

прошедшие контролируемое охлаждение;

прошедшие изотермическую выдержку.

Назначение рельсов — направлять колеса подвижного состава, непосредственно воспринимать, упруго перерабатывать и передавать нагрузки от колес на подрельсовое основание. На участках с автоблокировкой и электрической тягой рельсы, кроме этого, должны выполнять функцию проводников электрического тока.

Поверхность катания головки нового рельса для центральности передачи нагрузки от колеса имеет выпуклое криволинейное очертание. У рельсов Р75, Р65 и Р50 средняя часть головки прокатывается по радиусу 500 мм, переходящему в радиус 80 мм. Переход к боковым граням головки осуществляется по кривой радиуса 13—15 мм, близкого к радиусу выкружки гребней новых колес локомотивов и вагонов, что обеспечивает достаточно плотное прижатие гребня колеса к боковому закруглению головки рельса и предотвращает вкатывание гребней колес на рельс.

Боковые грани головок выполняют с уклоном 1:20 (см. рис. 1.1). Это необходимо для размещения большего по сравнению с рельсами более легких типов количества металла в головке при сохране-нии ее предельной ширины поверху, связанной с шириной бандажей колес и допустимой величиной эксцентриситета передачи давления на рельс.

Во избежание значительной концентрации местных напряжений и образования закалочных трещин при остывании рельса после проката сопряжения боковых и нижних граней головки и всех граней подошвы выполняют по кривым радиуса 2—4 мм.

Переход от головки и подошвы к шейке рельса, через которую головка передает давление от колес подвижного состава на подошву, а подошва — на подрельсовые опоры, делается особенно плавным, и сама шейка имеет криволинейное очертание (см. рис. 1.1). Это обеспечивает минимальную концентрацию местных подголовочных напряжений и напряжений в зоне перехода шейки в подошву. Радиус сопряжения шейки с подошвой значительно больше, чем радиусы сопряжения головки с шейкой для избежания возможного выкола подошвы.

Если концы рельсов не сваривают друг с другом, то они соединяются накладками с помощью болтов. Нижние грани головки и верхние поверхности подошвы рельса имеют уклон 1:4 как и опорные поверхности стыковых накладок, что позволяет накладке при затяжке болтов входить в пазуху рельсов как клин, распирая головку и подошву, и создает условия для наилучшей передачи вертикальных и горизонтальных сил от рельсов на накладку.

Подошве рельса придают достаточную ширину, чтобы обеспечить боковую устойчивость рельса на опорах и достаточную площадь для опирания накладок.

Стандартная длина рельсов на сети железных дорог России — 25,0 м. Для укладки на внутренних нитях кривых участков пути изготавливают укороченные рельсы длиной 24,92 и 24,84 м.

Для уменьшения числа стыков рельсы сваривают в плети. Типовая длина бесстыковых плетей на дорогах Российской Федерации составляет 800 м.

2.Специальные требования к элементам бесстыкового пути

Бесстыковой путь (или Бархатный) — условное наименование железнодорожного пути, расстояние между рельсовыми стыками которого значительно превосходит длину стандартного рельса (25 метров). В России современный бесстыковой путь в основном представляет собой чередование участков пути, где уложены сваренные рельсовые плети длиной от 800 метров до длины блок-участка с короткими участками звеньевого пути — (уравнительными пролетами). Рельсы могут свариваться в плети длиной в перегон и достигать 30 и более километров, иногда такие плети свариваются со стрелками и станционными путями в единое целое.

Данный вид пути рассчитан на воздействие значительных (по сравнению со звеньевым путём) температурных напряжений, возникающих в рельсах при колебаниях температуры воздуха. Рельсовые плети изготовляются из стандартных (25 м) рельсов сваркой на предприятиях (РСП — рельсосварочный поезд) или непосредственно на месте укладки. Хотя прокладка бесстыкового пути более дорогостояща, чем звеньевого, он отличается высокими эксплуатационными качествами, обеспечивающими высокоскоростное движение поездов, комфортабельность проезда пассажиров и снижение расходов на содержание подвижного состава и пути.

Конструкция

Сварной стык, сваренный алюмо-термитным способом

На железных дорогах Российской Федерации эксплуатируется температурно-напряженная конструкция бесстыкового пути.[2] Основное отличие работы бесстыкового пути от обычного звеньевого состоит в том, что в рельсовых плетях действуют значительные продольные усилия, вызываемые изменениями температуры. Дополнительное воздействие на бесстыковой путь оказывают силы, создаваемые при выправке, рихтовке, очистке щебня и других ремонтных путевых работах.

Нагрев плети в свободном состоянии будет вызывать её равномерное удлинение, так как при нагревании тела расширяются. Остывание плети в свободном состоянии будет вызывать её равномерное укорочение, так как при остывании тела сужаются. Это при отсутствии сопротивления; при укладке в путь и охлаждении или нагревании плеть стремится изменить свою длину, но ей мешают скрепления. Изменения длины плети происходят, но намного меньше, чем в свободном состоянии. В бесстыковом пути удлинения и укорочения плетей происходят только на концевых участках, эти концевые участки называют дышащими участками. Плети дышат за счет зазоров в уравнительных пролетах.

Бесстыковой путь на щебёночном и асбестовом балласте должен укладываться в прямых участках и в кривых радиусом не менее 350 м. На станционных путях при использовании гравийного или песчано-гравийного балласта разрешается укладка бесстыкового пути в кривых радиусом не менее 600 м, также может быть уложен на мостах на деревянном брусе. Крутизна уклонов на участках бесстыкового пути, как правило, не ограничивается. Сопряжение элементов плана и профиля должно удовлетворять нормам и техническим условиям для звеньевого пути. Ширина плеча балластной призмы на участках бесстыкового пути должна быть: на путях внеклассных, 1-го и 2-го классов — 45 см, 3-5-го классов — 40 см; крутизна откосов балластной призмы при всех видах балласта должна быть 1:1,5. Поверхность балластной призмы должна быть в одном уровне с поверхностью средней части железобетонных шпал.

Шпалы и рельсыВ бесстыковом пути должны применяться железобетонные шпалы преимущественно брускового типа с конструкцией крепления закладных болтов, предотвращающей проворачивание их при закреплении. Допускается применение железобетонных шпал с дюбельными и анкерными прикрепителями в соответствии с нормативной документацией, утвержденной Департаментом пути и сооружений (ЦП).

Эпюры шпал на путях линий 1-4-го классов должны быть: в прямых участках и в кривых радиусом более 1200 м — 1840 шт./км, радиусом 1200 м и менее, а также на затяжных спусках круче 12 ‰ — 2000 шт./км; на путях 5-го класса: в прямых и кривых радиусом более 650 м — 1440 шт./км, радиусом 650 м и менее — 1600 шт./км.

Рельсовые плети для бесстыкового пути внеклассных линий и линий 1-го и 2-го классов должны свариваться электроконтактным способом из новых термоупрочненных рельсов типа Р65 1-й группы 1-го класса длиной 25 м без болтовых отверстий. Сварка плетей из новых рельсов длиной менее 25 м допускается по разрешению ЦП.

Для наружных рельсовых нитей кривых радиусом менее 500 м, где наблюдается интенсивный боковой износ головки рельса, должны применяться плети, сваренные преимущественно из рельсов повышенной износостойкости Р65К (заэвтектоидных). При принятии мер по снижению интенсивности бокового износа головки рельса, разрешается применять плети, сваренные из термоупрочненных рельсов с характеристиками, указанными в первом абзаце данного пункта.

Для линий 3-го класса плети могут быть сварены из старогодных рельсов Р65, прошедших комплексный ремонт в стационарных рельсосварочных предприятиях или отремонтированных в пути с профильной обработкой головки рельсошлифовальными поездами и отвечающих Техническим условиям на рельсы железнодорожные старогодные отремонтированные сварные, для линий 4-го и 5-го классов — из старогодных, в том числе перекладываемых без ремонта.

Новые рельсы, свариваемые в условиях рельсосварочных предприятий (РСП) в одну плеть, должны быть одного типа, одного сорта, одинакового термического упрочнения, одного производителя (металлургического комбината), одной марки стали и соответствовать требованиям Технических условий на рельсы железнодорожные новые сварные. В виде исключения разрешается сварка коротких плетей из рельсов различных металлургических комбинатов.

Болтовые отверстия на концах рельсовых плетей и рельсов уравнительных пролетов по размерам и расположению должны соответствовать требованиям ГОСТ 8161-75 «Конструкция и размеры рельсов». Отверстий должно быть три на каждом конце плети или уравнительного рельса. На торцах этих рельсов по нижней и верхней кромке головки делается фаска размером 2 мм под углом 45°.

Рельсы в плети длиной до 800 м свариваются в РСП. Сваривание этих плетей между собой для создания плетей длиной, установленной проектом, осуществляется в пути путевой рельсосварочной машиной (ПРСМ). Стыки, свариваемые ПРСМ из рельсов с повышенным содержанием хрома (более 0,4 %), должны после сварки пройти термическую обработку специальной передвижной установкой.

Длина вновь укладываемых сварных плетей в пути устанавливается проектом в зависимости от местных условий (от расположения стрелочных переводов, мостов, тоннелей, кривых радиусом менее 350 м и т. д.) и должна быть, как правило, равной длине блок-участка, но не менее 400 м. На участках с тональными рельсовыми цепями, не требующими изолирующих стыков, или без тональных рельсовых цепей при сваривании рельсовых вставок с высокопрочными изолирующими стыками с сопротивлением разрыву не менее 2,5 МН (рис. 2.3) допускается укладка плетей длиной до перегона.

На участках c S-образными и одиночными кривыми радиусами менее 500 м, где наблюдается интенсивный боковой износ головки рельсов, с разрешения начальника службы пути могут укладываться короткие плети длиной не менее 350 м.

Более короткие плети, но не менее 100 м могут укладываться на станциях между стрелочными переводами. При этом концы их должны быть отделены от стрелочных переводов двумя парами уравнительных рельсов длиной по 12,5 м, а концы плетей и уравнительных рельсов стянуты высокопрочными стыковыми болтами в соответствии с п. 2.6.4. При отсутствии высокопрочных стыковых болтов длины плетей должны быть не менее 150 м.

Плети, укладываемые в кривых, должны иметь разную длину по наружной и внутренней нитям с тем, чтобы их концы размещались по наугольнику. Не допускается забег концов плетей в стыках более 8 см.

Изолирующий стык крупным планом. В отличие от обычных стыков, как правило, он помечается краской, чаще всего — красной

«Стандартный» стык, который также применяется при соединении уравнивающих плетей. На переднем плане видно отколотое электрическое соединение двух рельс, на заднем плане оно присутствует

Между рельсовыми плетями, независимо от их длины, при отсутствии изолирующих стыков должны быть уложены две или три пары уравнительных рельсов длиной 12,5 м. На Калининградской, Юго-Восточной, Северо-Кавказской, Приволжской железных дорогах должны укладываться по две пары, а на остальных дорогах, в том числе и на дорогах Сибири — по три пары уравнительных рельсов длиной 12,5 м. При устройстве в уравнительном пролете сборных изолирующих стыков, в том числе со стеклопластиковыми накладками, укладываются четыре пары уравнительных рельсов с расположением изолирующих стыков в середине уравнительных пролетов или три пары рельсов с размещением в середине второй пары рельсов изолирующих стыков, обеспечивающих сопротивление разрыву не менее 1,5 МН. В случае примыкания бесстыкового пути к звеньевому или к стрелочным переводам, не ввариваемым в плети, на примыкании должны быть уложены две пары уравнительных рельсов длиной по 12,5 м.

На участках, не оборудованных тональной автоблокировкой, плети длиной до перегона соединяются с помощью рельсовой вставки с высокопрочным изолирующим стыком, которая сваривается с концами рельсовых плетей.

Уложенные в уравнительный пролет при временном закреплении плетей уравнительные рельсы должны быть заменены рельсами длиной 12,5 м при закреплении плетей на постоянный режим эксплуатации

Уравнительные рельсы всех типов соединяют между собой и со сварными рельсовыми плетями шестидырными накладками без применения графитовой смазки. При этом гайки стыковых болтов обычного качества затягивают с крутящим моментом не менее 600 Н ×м при рельсах типов Р75 и Р65, а высокопрочных болтов - 1100 Н ×м при рельсах этих типов и не менее 400 Н ×м - на эксплуатируемых участках с рельсами типа Р50.

При отсутствии зазоров зажатый уравнительный рельс удаляют после вырезки его куска газовой резкой при закрепленных клеммных болтах

3.горизонтально поперечные и продольные силы, действующие на путьРельсы в пути подвержены воздействию различных по значению, направлению и характеру действия сил, возникающих от движущихся колес поездов и от изменения температуры рельсов, если они не могут свободно продольно деформироваться.К основным относятся силы, передаваемые на рельс каждым колесом через небольшие площадки контакта. Эти силы в зависимости от направления разделяются на вертикальные, горизонтальные поперечные и горизонтальные продольные.Вертикальные силы представляют собой в каждый момент времени сумму отдельных составляющих: -массы части экипажа, приходящейся на данное колесо;-сил: от колебаний надрессорного строения экипажа — изменяет начальный прогиб или сжатие рессор;-инерции неподрессоренной массы — возникает при отклонении траектории движения колеса от прямолинейной из-за неровностей на рельсе под нагрузкой и на колесах; -центробежных — из-за несбалансированности колесных пар; -вертикальных — образуются под действием горизонтальных сил инерции, прикладываемых выше плоскости опирания колес на рельсы, при движении экипажа в кривых или извилистом движении в прямых.Горизонтальные поперечные силы, направленные перпендикулярно оси пути, возникают в местах нажатия гребней колес на боковую поверхность головки рельса и на поверхности катания колеса по рельсу (силы трения). В каждый момент времени они состоят из суммы отдельных сил: центробежной-возникает при криволинейном движении колеса; преодолевающей трение при повороте в кривых тележки и экипажа или при отклонении их продольных осей от оси пути в прямых. Горизонтальные продольные силы угона слагаются из сил трения при контакте колеса и рельса и сопротивления (упругого отпора и трения) поворотам сечений рельсов, изгибаемых движущейся вертикальной нагрузкой.

Каждая из перечисленных сил (вертикальная, горизонтальная поперечная и горизонтальная продольная) в зависимости от сочетания многих переменных составляющих в определенный момент времени — величина случайная, изменяющаяся в широком диапазоне. По той же причине их совместное действие также является изменяющимся. Если рассмотреть какое-либо сечение рельса на пути, то за время его работы прошедшие по этому сечению колеса создадут «спектр нагрузок» от минимальной до максимальной. Под действием колесных нагрузок рельс претерпевает сложное напряженно-деформированное состояние.

Основные напряжения возникают в рельсе в результате деформации при осевом сжатии и растяжении, изгибе, кручении. Местные напряжения концентрируются вблизи площадок контакта колеса и рельса, особенно в зоне выкружки, соединяющей поверхность катания с рабочей боковой гранью головки в местах сопряжения шейки и головки и вокруг болтовых отверстий (в стыках) в шейке.

Прочность рельсов зависит от основных и местных напряжений. Режим этих напряжений — переменный, что обусловливается не только переменным режимом сил, но и упругостью пути в данном месте. Упругость пути изменяется в зависимости от времени года и старения элементов пути, а основные напряжения — от формы линии влияния изгибающего момента и от расстояний между колесами экипажей.

Конструкция пути (звеньевого или бесстыкового) почти не влияет на значение поездной нагрузки. Несколько меньшие поездные нагрузки при бесстыковом пути (движение колес более плавное, так как нет стыковых неровностей), однако на него действует значительная температурная сила. Совместное действие сил определяет требования, предъявляемые к конструкциям бесстыкового пути для обеспечения прочности всех его элементов и постоянной непрерывности колеи, т. е. безопасности движения поездов.