1. Назначение и компоненты верхнего строения пути -Верхнее строение пути — часть железнодорожного пути, предназначенная для принятия нагрузок от колёс подвижного состава и передачи их на нижнее строение пути, а также для направления движения колёс по рельсовой колее. К верхнему строению пути относятся:
Рельсы — воспринимают нагрузку от подвижного состава и передают её на шпалы;
Подрельсовое основание (шпалы, брусья, блоки) — воспринимают нагрузку от рельсов и передают её на балластный слой;
Скрепления (промежуточные, стыковые);
Комплект железнодорожных рельсов, уже соединённых со шпалами, вместе со всеми скреплениями, собранные в звенья и уложенные на нижнее строение пути, принято называть рельсошпальной решёткой.
Балластный слой — воспринимает нагрузку от шпал и передаёт её на почву;
Дополнительные устройства (противоугоны, контррельсы, отбойные брусья и прочее);
Песчаная подушка.
Верхняя, периодически заменяемая часть пути называется верхним строением пути.
Верхнее строение пути предназначено для направления движения подвижного состава, восприятия нагрузки от колес движущихся поездов и передачи ее нижнему строению пути (земляному полотну и искусственным сооружениям), рассредоточенной на достаточно большую поверхность.
Верхнее строение пути (рис. 1) представляет собой комплексную конструкцию, элементы которой в зависимости от выполняемых ими функций и необходимой несущей способности выполнены из разнородных материалов. К этим элементам верхнего строения пути относятся:
стальные высокопрочные рельсы (2) и стрелочные переводы, непосредственно воспринимающие нагрузку от колес подвижного состава и определяющие траекторию его движения;
деревянные или железобетонные поперечины – шпалы (3), а на мостах и стрелочных переводах – мостовые и переводные брусья, предназначенные для удержания рельсов на определенном расстоянии друг от друга и передачи давлений на ниже расположенную часть пути;
металлические рельсовые скрепления (4) для соединения рельсов друг с другом и прикрепления их к шпалам или брусьям;
балластный слой (5) из щебня, гравия, отходов асбестового производства или крупно- и среднезернистого песка. Под балластным слоем из щебня расположена песчаная подушка (1).
Рельсы, соединенные со шпалами, образуют рельсошпальную (путевую) решетку.
Рис. 1 – Элементы верхнего строения пути
Верхнее строение пути должно удовлетворять следующим основным требованиям:
иметь достаточно высокие для заданных условий эксплуатации прочность и надежность, гарантирующие бесперебойность и безопасность движения поездов;
обладать возможно большими стойкостью в эксплуатации, неизменяемостью во времени своих форм и взаимного расположения элементов;
иметь возможно более продолжительные сроки службы всех элементов и минимальную потребность в исправлениях, ремонте и эксплуатационных затратах на содержание в исправности всех составляющих элементов;
допускать массовое изготовление всех элементов, а также применение при сборке, замене и ремонте высокопроизводительных средств механизации.
Верхнее строение пути работает в сложных условиях. Его элементы подвергаются механическому износу, усталостным разрушениям, коррозии, гниению, остаточным изменениям формы и взаимного расположения, моральному износу.
Колеса подвижного состава передают весьма большое (измеряемое десятками тонн на каждую ось) вертикальное давление на рельсы и горизонтальные боковые усилия, создаваемые подвижным составом при движении, особенно значительные в кривых участках пути. При движении и торможении поездов в пути возникают горизонтальные усилия, стремящиеся сдвинуть рельсошпальную решетку в продольном направлении; такие же усилия возникают и при колебаниях температуры.
От работы каждого элемента зависит работа других элементов и верхнего строения пути в целом. Если, например, балластный слой имеет недостаточную несущую способность, то неизбежны постоянные расстройства верхнего строения пути, перенапряжения в рельсах, шпалах и скреплениях, их поломки. Те же последствия влечет недостаточная прочность рельсов, шпал, скреплений, неудачная конструкция стрелочных переводов и так далее.
На железных дорогах РФ непрерывно увеличиваются скорости движения и вес поездов, а следовательно, растут и силы, воздействующие на путь. Поэтому верхнее строение пути, срок службы которого измеряется десятилетиями, должно иметь достаточно большие запасы прочности и эксплуатационной стойкости, учитывающие не только износ и усталостные процессы, но и соответствующие резервы несущей способности на покрытие ужесточений условий работы пути за предстоящий срок службы.
Для различных условий эксплуатации установлены разные типы верхнего строения пути с различными размерными и качественными параметрами.
Все элементы верхнего строения пути стандартизованы, для каждого из них имеются государственные стандарты, определяющие их конструкцию, размеры и технические требования на изготовление и приемку.
С ростом осевых нагрузок, введением новых видов тяги, увеличением интенсивности и скоростей движения поездов верхнее строение пути, при необходимости, заменяется более мощным (укладываются железобетонные шпалы, более тяжелые типы рельсов, применяется щебеночный балласт).
2. Угон пути и борьба с ними
Уго́н пути́ — продольное перемещение рельсов под колёсами проходящего поезда, как правило, направленное в сторону его движения. Угон вызывает серьёзные нарушения в работе железнодорожного пути.
[Происхождение[править | править вики-текст]
Угон возникает в тех случаях, когда текущее содержание пути находится на неудовлетворительном уровне, что приводит к нарушению устойчивости. При проходе колёс по рельсу последний прогибается под весом вагона, что приводит к увеличению сопротивления движению, то есть к появлению силы, тормозящей поезд. Однако, по третьему закону Ньютона, появляется и сила, которая пытается увлечь путь за поездом. Таким образом, при ослаблении рельсовых скреплений рельсы начинают проскальзывать по основанию. В частности, если на рельсах не установлены специальные средства против угона пути, при проходе двухосной вагонной тележки рельсы перемещаются на 0,03—0,06 мм, а следовательно, проход поезда из 50 вагонов (200 осей) приводит к угону пути уже от 3 до 6 мм. Особенно вероятно возникновение угона пути на затяжных спусках, что связано с притормаживанием на них поездов, необходимым для ограничения роста скорости.
Последствия угона[править | править вики-текст]
Угон пути приводит к нарушению стыковых зазоров: на одном конце участка пути они становятся практически нулевыми, а на другом — слишком большими.
На протяжении участка с нулевыми зазорами в летнее время при высокой температуре в рельсах появляются большие продольные сжимающие усилия, из-за того, что рельсы теряют возможность удлиняться. Это может привести к нарушению устойчивости рельсо-шпальной решетки, а в бесстыковом пути к выбросу пути.
В зоне предельно растянутых зазоров в зимнее время при низких температурах, в рельсах появляются значительные растягивающие усилия, следствием чего может быть срез болтов и разъединение стыков. А в бесстыковом пути даже разрыв рельсов (для марок Р50 и ниже).
При недостатке балласта или его плохом уплотнении возможен угон рельсов вместе со шпалами. В свою очередь, сдвиг шпал со своих уплотненных постелей приводит к просадкам пути, что наиболее опасно в стыковых шпалах, так как ведет к увеличению динамического воздействия на путь.
Меры предотвращения угона[править | править вики-текст]
Угон возникает там, где применяются костыльные скрепления, в то время как использование раздельных промежуточных скреплений с пружинящими элементами надежно защищают путь от угона. Также постановка пути на щебень увеличивает сопротивление шпалы продольному перемещению. Если же конструкция промежуточных скреплений не обладает противоугонными свойствами, то для предотвращения угона рельсов относительно шпал применяют противоугоны.
С 1947 года на советских железных дорогах применялись самозаклинивающиеся противоугоны. С 1960-х годов им на смену пришли пружинные противоугоны, которые могут воспринимать продольные силы до 8 килоньютонов. На обычных магистральных железных дорогах такие противоугоны ставятся в количестве от 18 до 44 на каждое 25-метровое путевое звено, а на высокоскоростных магистралях и на путях метрополитена — практически на каждой шпале.
3. Шпалы деревянные Деревянные шпалы[править | править вики-текст]
Бывшие в использовании деревянные шпалы
Порода древесины для шпал может быть разная (например, красный клён или эвкалипт), в некоторых странах предпочитают дуб[3], а в некоторых, в силу экономических причин, древесину хвойных пород, преимущественно сосну, хотя такие шпалы более подвержены износу[3]. Для предотвращения гниения шпалы пропитывают антисептиками, чаще всего креозотом.
Деревянные шпалы обладают многими достоинствами: упругостью, лёгкостью обработки, высокими диэлектрическими свойствами, хорошим сцеплением с щебёночным балластом, малой чувствительностью к колебаниям температуры[2]. Важнейшим свойством является возможность уширения рельсовой колеи в кривых радиусом менее 350 м[2].
Срок службы деревянных шпал (в зависимости от типа древесины, внешних условий и интенсивности эксплуатации) составляет от семи до сорока лет. Деревянные шпалы в России изготавливают преимущественно из сосны, а также из ели, пихты, сибирского кедра[2], хотя ранее проводились эксперименты по изготовлению шпал из дуба, лиственницы. Основная проблема деревянных шпал — тенденция их загнивания в местах крепления к ним рельсов, и проблема с дальнейшей их утилизацией.
Деревянные шпалы изготавливаются по ГОСТ 78-2004.
Шпала 1 типа, пропитанная — используется для главных путей
Шпала 2 типа, пропитанная — используется для подъездных и станционных путей
Шпалы из дерева подразделяются на три вида:
обрезные (отёсанные со всех четырёх сторон)
полуобрезные (отёсанные только с трёх сторон)
необрезные (отёсанные только сверху и снизу)
Шпалы железобетонные
Железобетонные шпалы[править | править вики-текст]
Железобетонные шпалы после выемки из формы.
В некоторых случаях вместо шпал применяются сплошные блочные основания в виде плит или рам, выполненные из железобетона или металла
С 1970-х в СССР приобрели популярность шпалы из напряжённого железобетона, особенно удачным их использование оказалось на бесстыковом пути.
Железобетонные шпалы представляют собой железобетонные балки переменного сечения. На таких балках имеются площадки для установки рельсов, а также отверстия под болты рельсошпального скрепления (при забивании в отверстия деревянных пробок используются также костыльные и шурупные соединения). Железобетонные шпалы изготавливаются с предварительным натяжением арматуры. Технология изготовления железобетонных шпал следующая: в специальную форму помещаются струны арматуры, которым придаётся натяжение (в зависимости от назначения шпалы, обычно 180 атм.), форма заполняется бетоном и уплотняется вибрацией. Затем форма разбирается, отправляется в пропарочную камеру, где бетон затвердевает, после чего напряжение со струн передают на бетон и форма переворачивается (кантуется). Такой способ изготовления шпал придаёт им упругость и предохраняет шпалу от раскола под подвижным составом.
Достоинства железобетонных шпал: практически неограниченный срок службы вследствие высокой механической прочности и неподверженности гниению, что обуславливает возможность повторного использования шпал, а также использования на грузонапряжённых участках пути. Недостатки: недостаточная жёсткость, большая стоимость и вес, возможность усталостного разрушения бетона.[2].
Для скрепления рельсы и железобетонной шпалы в последнее время все чаще используют анкерное соединение
5. Рельсы и их значения
Рельсы (от мн. ч. англ. rails — от лат. regula — прямая палка) — стальные балки специального сечения, укладываемые на шпалах или других опорах для образования, как правило, двухниточного пути, по которому перемещается подвижной состав железнодорожного транспорта[1], городских железных дорог, специализированный состав в шахтах, карьерах, крановое оборудование. Кроме того, облегчённые рельсы используются в кинематографе для передвижения операторских тележек. Изобретены древними римлянами, начальная ширина между ними составляла 143,5 см.
Рельсы служат для направления колёс при их движении, непосредственно воспринимают и упруго передают давление от колёс на нижележащие элементы верхнего строения пути. На участках с электрической тягой рельсы служат проводниками обратного силового тока, а на участках с автоблокировкой — проводниками сигнального тока.
Рельсы для железнодорожного транспорта изготавливаются из углеродистой стали. Качество рельсовой стали определяется её химическим составом, микроструктурой и макроструктурой.
Углерод повышает твёрдость и износостойкость стали. Однако большое содержание углерода, при прочих равных условиях, делает сталь хрупкой, химический состав при повышении содержания углерода должен выдерживаться более жестко, особенно в отношении вредных примесей. Легирующие добавки типа марганца повышают твёрдость, износостойкость и вязкость стали. Кремний увеличивает твёрдость и износостойкость. Мышьяк увеличивает твёрдость и износостойкость стали, но в больших количествах уменьшает ударную вязкость. Ванадий, титан, цирконий — микролегирующие добавки, улучшают структуру и качество стали.
Фосфор и сера являются вредными примесями, повышающими хрупкость стали. Большое содержание фосфора делает рельсы хладноломкими, большое содержание серы — красноломкими (образуются трещины при прокате).
Микроструктура рельсовой стали представляет собой пластинчатый перлит с прожилками феррита на границах перлитовых зёрен. Твёрдость, сопротивление износу и вязкость достигается приданием стали однородной сорбитной структуры при помощи термической обработки путём поверхностной (на 8—10 мм) закалки головки или объёмной закалки рельса. Объёмнозакаленные рельсы имеют повышенную износостойкость и долговечность. Макроструктура рельсовой стали должна быть мелкозернистой, однородной, без пустот, неоднородностей и посторонних включений.
Профиль, длина и масса[править | править вики-текст]
Профиль рельса (Франция)
Форма рельсов менялась со временем. Существовали уголковые, грибовидные, двухголовые, широкоподошвенные рельсы. Современные широкоподошвенные рельсы состоят из головки, подошвы и шейки, соединяющей головку с подошвой. Поверхность катания делается выпуклой для передачи давления колёс по вертикальной оси рельса. Сопряжение поверхности катания с боковыми (вертикальными) гранями головки делается по кривой радиусом близким к радиусу выкружки гребня колеса. Сопряжение головки и подошвы с шейкой рельса делается особенно плавным, а шейка рельса имеет криволинейные очертания, что обеспечивает наименьшую концентрацию местных напряжений. Подошве рельса придают достаточную ширину для обеспечения боковой устойчивости рельса и достаточной площади опоры для крепежных накладок.
Длина стандартного железнодорожного рельса, производимого рельсопрокатными заводами в России, составляет 12,5; 25,0; 50,0 и 100 метров. Для укладки на внутренних нитях кривых участков пути выпускаются укороченные рельсы. Длина бесстыковых плетей («бархатный путь»[неизвестный термин]) обычно находится в пределах от 400 м до длины перегона. Использование более длинных рельсов и сварных рельсовых плетей снижает сопротивление движению поездов, уменьшает износ подвижного состава и расходы на содержание пути. При переходе на бесстыковой путь сопротивление движению поездов уменьшается на 5—7 %, экономится около четырёх тонн металла на километр пути за счёт отсутствия стыковых скреплений.
Основной характеристикой рельса, дающей представление о его "мощности", является масса одного погонного метра рельса в килограммах. При выборе типа рельса учитывается грузонапряженность линии, осевая нагрузка, скорость движения поездов. Более тяжелый рельс распределяет давление колёс подвижного состава на большее число шпал, в результате чего замедляется их механический износ, уменьшается истирание и измельчение частиц балласта. При увеличении массы рельсов уменьшается расход металла на единицу пропускаемого тоннажа, сокращаются расходы по замене рельсов из-за увеличения срока их службы
Стыковые скрепления
Стыковые скрепления выполняются в виде специальных накладок, соединяющих рельсы при помощи болтов. Места соединения рельсов между собой называют стыками. Известны различные способы обработки торцов рельсов для соединения их в стыках: косой резкой (в плане), внахлестку, продольной срезкой части головки и др. Однако такие стыки при проверке их в эксплуатации оказались малоудовлетворительными (из-за выкрашивания металла в ослабленной головке рельса, выпучивания шейки и т. п.) На ж.д. во всем мире приняты наиболее надежные стыки с торцами рельсов, перпендикулярно срезанными относительно продольной оси рельса. В зависимости от конструкции стыки бывают болтовые, клееболтовые и сварные. В болтовых стыках (наиболее распространены) между концами рельсов, перекрытых накладками, оставляют зазоры для возможности изменения длины рельсов при изменении температуры. Вследствие разрыва сплошности и изменения изгибной жесткости рельсовых нитей в болтовых стыках при проходе по ним колес подвижного состава возникают излом упругой линии рельсов и дополнительные ударно-динамические воздействия на путь, поэтому стык является самым напряженным местом ж.-д. пути. Ок. 35-50 % затрат труда по выправке пути связано с наличием стыков. Рельсовые стыки создают и значительное сопротивление движению поездов (ок. 5-7 % основного сопротивления). В клееболтовых стыках накладки приклеиваются к рельсам и стягиваются болтами. В сварных стыках обеспечена непрерывность рельсовых нитей. Однако, если в сварном стыке рельсы примыкают друг к другу под углом или ступенькой в плане и профиле, то ударно-динамические воздействия колес на путь в таком стыке могут быть весьма значительными. По отношению к опорам различают стыки, расположенные на шпале, на весу и на сдвоенных шпалах (рис. 3.38). Стык на шпале получается жестким, поэтому быстро расстраивается. Стык на весу обеспечивает большую упругость пути, однако в его накладках реализуются более высокие напряжения. Основными недостатками стыка на сдвоенных шпалах являются жесткость, трудность подбивки балласта под шпалы, дополнительный расход металла на стяжные болты.
Всеобщее распространение получили стыки на весу. Изгиб рельсовых концов и накладок от колесной нагрузки при таком стыке больше, чем при стыках на опоре. Для снижения изгибающего момента расстояния между осями стыковых шпал устраивают меньшими, чем между осями промежуточных шпал. На пути с рельсами Р50 стыковой пролет принят равным 440 мм, а при рельсах Р65 и Р75 — 420 мм, в то время как промежуточные пролеты (расстояния между осями промежуточных шпал) приняты равными 550 мм при 1840 шпалах на 1 км и 500 мм при 2000 шпалах на 1 км. По взаимному расположению стыков на обеих рельсовых нитях различают стыки по наугольнику, вразбежку и расположенные бессистемно. Лучшими показателями обладают стыки по наугольнику, которые на обеих рельсовых нитях находятся на одной нормали к продольной оси колеи. Правильность положения таких стыков проверяется шаблоном-наугольником (отсюда название). Основные преимущества стыков по наугольнику по сравнению со стыками вразбежку: одновременность ударных воздействий колес при проходе стыков, в связи с чем количество ударов на рельс в два раза меньше, чем при стыках вразбежку; центральность ударов, что снижает раскачивание подвижного состава; возможность применения звеньевых путекладочных кранов при смене рельсов со шпалами; возможность усиления стыков сближением стыковых шпал вплоть до их сдваивания. На ж. д. России для рельсов современных типов применяются простые по форме двухголовые накладки (рис. 3.39). Нормальная работа стыкового скрепления обеспечивается прочностью накладок, плотным прилеганием и достаточным прижатием их рабочих граней к рельсу. Двухголовые накладки изготовляются распирающими, то есть они входят как клин между наклонными плоскостями головки и подошвы рельса, образуя пазухи. Это позволяет подтягиванием стыковых болтов выбирать зазоры между накладками и рельсами, обеспечивая необходимую плотность, заклинивая накладки в пазухе рельсов. Стыковые накладки должны иметь при этом достаточную длину. При проходе колеса через стык силы, направленные на отрыв головки от шейки рельса, больше при короткой накладке, чем при длинной. Кроме того, при длинных накладках на криволинейных участках легче обеспечить плавность изгиба рельсовых нитей без образования резких углов в стыках. Для рельсов Р75 и Р65 накладки выполняют взаимозаменяемыми длиной 800—1000 мм соответственно с четырьмя и шестью болтовыми отверстиями (четырех- и шестидырные), а к рельсам Р50 — длиной 820 мм (только шестидырные). В накладке чередуются круглые и овальные отверстия. В овальные отверстия стыковые болты входят своими овальными подголовниками, мешающими болтам проворачиваться при завинчивании гаек. Чередование круглых и овальных отверстий предопределяет поочередную постановку болтов гайками — то наружу колеи, то внутрь.
Накладки изготовляют из полностью раскисленной спокойной мартеновской стали с содержанием углерода 0,45-0,62 %, временным сопротивлением на разрыв не менее 860 МПа, пределом текучести не менее 540 МПа, твердостью по Бринеллю в пределах 235—388 НВ. Стыковые болты выпускаются нормальной или повышенной прочности (с временным сопротивлением на разрыв соответственно 735 и 833 МПа). Применение болтов повышенной прочности наиболее целесообразно для увеличения стыковых сопротивлений, уменьшающих длину подвижных участков сварных рельсовых плетей и обеспечивающих необходимый зазор в стыках. Болты нормальной прочности изготовляют из стали марки 35, а повышенной прочности — из легированной стали марки 40Х. Болты подвергаются термической обработке. На участках пути, где стыкуются разнотипные рельсы, а также однотипные рельсы, имеющие различный вертикальный износ, устраивают переходные стыки (рис. 3.40), использующие переходные накладки, форма и размеры которых обеспечивают совпадение торцов рельсов по поверхности катания и боковым рабочим граням.
На участках, оборудованных электрической сигнализацией, а также на электрифицированных участках рельсовые нити должны быть токопроводящими. Поэтому для уменьшения сопротивления прохождению сигнального тока через стык ставят рельсовые соединители. Они состоят из двух оцинкованных проволок (рис. 3.41 ,а) диаметром 5 мм, концы которых входят в конические луженые штепсели, забиваемые в высверленные в шейках рельсов отверстия диаметром 10,4 мм (по одному с обоих концов накладки). Эти соединители помещают в пазуху стыковой накладки. Часто вместо штепсельных соединителей применяют также короткие соединители в виде стального троса, привариваемого к головке рельса. На электрифицированных линиях для пропуска по рельсам обратного тягового тока с минимальным сопротивлением в стыках ставят приварные соединители из медного троса общим сечением 70 мм2 при постоянном и 50 мм2 при переменном токе (рис. 3.41,6). Концы медного троса находятся в стальных наконечниках или манжетах, привариваемых к рельсу электродуговым или термитным способом. Изолирующий стык устраивают таким образом, чтобы электрический ток не мог пройти от одного из соединяемых рельсов к другому. Такие стыки устанавливают в створе с входными, выходными, проходными, маневровыми светофорами и на стрелочных переводах. В уравнительных пролетах бесстыкового пути широко применяются клееболтовые изолирующие стыки с двухголовыми накладками (рис. 3.42). В таких стыках используются типовые двухголовые шестидырные накладки, простроганные по верхней и нижней граням, и специальные (полнопрофильные) накладки, облегающие пазухи рельсов. Изоляция обеспечивается стеклотканью, пропитанной эпоксидным клеем. С 1999 г. на ряде направлений ж. д. России начато широкое применение высокопрочных изолирующих стыков с металлокомпозитными накладками.
