Залавский Н.И. Железнодорожный путь. Учеб. пособ. 2017

4.2 Деревянные шпалы

Деревянные шпалы обладают рядом достоинств: они упруги, глубоко и устойчиво располагаются в балласте, поддаются легкой обработке, их простая форма обеспечивает легкость подбивки балласта под шпалой.

Основные породы древесины для производства шпал: сосна, лиственница, дуб и бук, а также пихта, кедр, ель, берёза, ясень, клен, язь, тополь, каштан, кипарис и другие породы.

Дуб – наиболее твердая древесина, в России не применяется по причине дороговизны.

Сосна – упругая древесина, менее подвержена растрескиванию, хорошо пропитывается антисептиками. На дорогах России шпалы этой породы древесины получили наибольшее распространение.

Лиственница – имеет также твердую древесину, которая плохо пропитывается. При сушке шпал в штабелях перед пропиткой и при сильных морозах они растрескиваются, а при перешивках колеи раскалываются по указанным причинам, ее использование для заготовки шпал ограничено.

Ель, пихта и кедр – древесина более слабая, чем у сосны и труднее поддается пропитке. До 30 % шпал от общего количества изготавливают из ели. При этом необходимо шпалы из указанных пород подвергать пропитке высокого качества и армированию твердыми элементами.

Берёза имеет твердую и не колкую древесину, по механической прочности выше сосны.

Шпалы твердых пород (дуб, бук и др.) составляют около 52 % общего количества шпал на железных дорогах мира, имеют срок службы не менее 30–40 лет и обеспечивают высокую сопротивляемость выдергиванию и отжатию прикрепителей, а также износу под подкладками.

По форме поперечного сечения шпалы бывают (рис. 3.33):

обрезные – пропилены 4 стороны;

полуобрезные – пропилены 3 стороны;

необрезные – пропилены 2 противоположные стороны.

В зависимости от размеров деревянные шпалы делятся на три типа:

I типа – шпалы, предназначенные для главных путей;

II типа – для станционных и подъездных путей;

III типа – для малодеятельных путей промышленных предприятий. По качеству древесины шпалы делятся на два сорта.

Наилучшей формой деревянных шпал является прямоугольная. Неблагоприятно на необрезные деревянные шпалы влияют противо-

угоны, которые вминаются в боковую поверхность шпал и стремятся сколоть и перепилить древесину при вертикальных колебаниях рельсов под проходящими колесами. При этом на боковых поверхностях необрезных шпал происходит колебание балласта, что приводит к его разрыхлению.

91

Форма упругого изгиба деревянной или железобетонной шпалы (рис. 3.34) под нагрузкой (Qш), (Р) и распределение реактивного отпора балласта пропорциональны её прогибу.

а

б

Рисунок 3.34 – Форма изгиба шпал под нагрузкой и эпюра реактивного отпора балласта

а – деревянная шпала; б – железобетонная шпала

Очевидно, что чем длиннее шпала при прочих равных условиях, тем меньше ее осадки в процессе эксплуатации. Одновременно уменьшаются напряжения в балласте под концами шпал и, связанное с этим, его выдавливание. Однако при чрезмерной длине шпал (более 290 см) увеличивается подуклонка рельсов под нагрузкой («переуклонка» внутрь), а при слишком коротких шпалах (менее 260 см) происходит разуклонка рельсов. Для неизменности подуклонки рельсов касательная к упругой линии изогнувшейся шпалы в подрельсовом сечении должна быть горизонтальной.

Оптимальная работа пути под нагрузкой обеспечивается при длине шпал 285 см. Однако в кривых малых радиусов путевая решетка шлюзуется внутри путеукладочных кранов УК-25 только при длине шпал до 280 см. В связи с этим длина деревянных шпал всех типов принята 275±2см.

Для продления срока службы деревянных шпал русские инженеры придумали механизм пропитки древесины различными антисептиками. Однако при строительстве первых железных дорог в целях экономии укладывали непропитанные шпалы, которые служили не дольше 8–12 лет, а затем начинали разрушаться.

93

4.3 Железобетонные шпалы

Современная железобетонная шпала – цельнобрусковая из предварительно напряжённого железобетона, армированная высокопрочной проволокой.

Серийно выпускаются промышленностью шпалы I типа (рис. 3.35) – для промежуточного скрепления КБ-65, II типа – для анкерного рельсового скрепления АРС, III типа – для нераздельных рельсовых скреплений ЖБР65, ЖБР-65П, ЖБР-65ПШ и их модификаций.

Железобетонные шпалы получили широкое применение в Европе и Азии в 1950-е гг. В США, Канаде и ряде стран Африки железобетонные шпалы применяют ограниченно, поскольку там имеется возможность изготавливать шпалы из древесины твердых пород. Срок службы железобетонных шпал достигает 50–60 лет. В странах СНГ бесстыковой путь укладывают только на железобетонных шпалах с использованием упругих резиновых прокладок-амортизаторов в подрельсовых сечениях.

Рисунок 3.35 – Железобетонная шпала I типа

Наибольшие прогибы шпал и давления на балласт имеют место у торцов железобетонной шпалы. Для компенсации этого неблагоприятного для балласта и шпал обстоятельства ширина подошвы шпал у торцов увеличена до 300 мм.

94

Развитие опорной поверхности у шпалы снижает давление на балласт и его деформации, особенно у краев балластной призмы, где сопротивление выдавливанию балласта наименьшее. При этом увеличивается сопротивляемость пути сдвигу в поперечном направлении, что особенно важно для бесстыкового пути.

Продольное сечение железобетонной шпалы – переменное по ее длине с относительно малой жесткостью средней части по сравнению с подрельсовыми сечениями. Увеличение высоты в этих сечениях достигнуто за счет утолщения слоя бетона над продольной арматурой; верхняя часть шпалы под поездной нагрузкой испытывает сжатие, а на сжатие хорошо работает даже неармированный бетон.

В подрельсовых зонах устраиваются углубления (25 мм) с наклоном 1:20 для обеспечения подyклонки рельсов, а также передачи боковых сил на бетон и улучшения работы закладных болтов и нашпальных резиновых прокладок.

Железобетонные шпалы изготавливают из: тяжелого бетона класса по прочности на сжатие В40 (М500); морозостойкостью не ниже F200 (Мрз200); фракции щебня 5–20 мм. Объем шпалы составляет 0,106 м3, масса около 265 кг.

Вкачестве арматуры шпал применяется стальная проволока перио-

дического профиля класса Вр диаметром 3 мм; номинальное количество проволок в шпале 44, каждая из них натягивается с усилием 8,1 кН. Расположение проволок контролируется на торцах шпалы.

Взависимости от трещиностойкости, точности геометрических параметров и качества бетонных поверхностей шпалы подразделяют на два сорта: первый и второй. Шпалы первого сорта предназначены для укладки на главных и приёмоотправочных путях. Шпалы второго сорта предназначены для укладки на малодеятельных станционных и подъездных пу-

тях. На верхней поверхности шпал при их формовании выштамповывается маркировка: товарный знак предприятия изготовителя (на каждой шпале), год изготовления (две последние цифры) – не менее чем на 20 % шпал каждой партии. Кроме того, несмываемой краской наносится штамп ОТК и номер партии на концевой части каждой шпалы.

На обоих концах шпал второго сорта наносят краской одну поперечную полосу шириной 15–20 мм, а на некондиционных шпалах – две поперечные полосы.

Основная часть эксплуатируемых в пути железобетонных шпал была изготовлена по ранее действовавшим ГОСТ 10629-78, ТУ 5864-024- 11337151–96 и ОСТ 32.152-2000, конструкция которых была принципиально такой же, как и шпалы I типа.

Многолетний опыт эксплуатации шпал брускового типа из предварительно напряженного железобетона показал бесспорные преимущества по сравнению с деревянными шпалами:

увеличение межремонтных периодов благодаря долговечности шпал (до 30–50 лет);

95

равноупругость верхнего строения железнодорожного пути;

стабильность ширины рельсовой колеи;

однородность упругих свойств по длине пути и плавность движения поездов (что важно для скоростных линий);

сохранение лесов.

Недостатки:

повышенная (в 2–3 раза) жесткость пути на железобетонных шпалах, которую приходится снижать с помощью резиновых прокладокамортизаторов;

электропроводность и необходимость применения недолговечных изолирующих деталей;

хрупкость и чувствительность к ударам;

низкая работоспособность железобетонных шпал в зоне рельсовых стыков (выход в 3–5 раз выше, чем в средней части рельсов);

большая масса (~265 кг), что затрудняет одиночную смену дефектных шпал и требует мощного кранового оборудования для укладки звеньев.

Железобетонные шпалы эффективны в следующих условиях:

1) в бесстыковом пути (звеньевой путь с железобетонными шпалами

–конструкция неоправданная технически и экономически);

2)на линиях скоростного движения пассажирских поездов (более 140 км/ч) благодаря высокой стабильности и равноупругости такого пути;

3)на линиях с высокой грузонапряженностью.

Железобетонные шпалы укладывают на прямых участках пути и в кривых радиуса до 350 м. Ограничение радиуса связано с осложнениями в применении железобетонных шпал, так как в кривых требуется увеличение ширины колеи.

4.4 Сроки службы шпал и брусьев

Сроки службы деревянных шпал и брусьев. Основные причины выхода деревянных шпал и брусьев: механический износ, гниение, растрескивание. Они взаимосвязаны друг с другом, древесина с влажностью ниже 23 % не гниет, древесина с влажностью свыше 80 % почти не гниет; в связи с этим процессы гниения шпал в различных районах нашей страны раз-

личны. В районах со значительным выпадением осадков (северная и средняя полосы России) нижняя часть шпал обычно имеет влажность свыше 60 %, а во многих случаях – и свыше 80 %. Шпалы загнивают в основном в верхней части. В засушливых районах с резко континентальным климатом, характерным для юго-востока, в верхней части шпал обычно влажность не превышает 20 %. Шпалы загнивают снизу. В районах юга, где количество осадков велико, при высокой влажности воздуха шпалы обычно загнивают сверху и частично снизу. В зонах костыльных отверстий шпалы везде гниют интенсивно, особенно если эти зоны не антисептируются.

96

В железнодорожный путь укладывают только предварительно пропитанные антисептиками деревянные шпалы и брусья.

Пропитка производится на специализированных шпалопропиточных заводах маслянистыми антисептиками (каменноугольное и др. масла) под давлением 0,8–1,2 МПа. Качество пропитки древесины характеризуется глубиной пропитки и поглощением антисептика (8–10 кг на одну шпалу).

Пропиткой шпалам придаются новые технические характеристики. Повышается твердость, прочность и улучшаются диэлектрические свойства.

Для продления срока службы деревянных шпал и брусьев проводятся следующие мероприятия:

1)укрепление концов от растрескивания. С этой целью обрезные шпалы и брусья укрепляют стяжными болтами с гайкой и двумя шайбами (устанавливаются на уровне 40–60 мм от подошвы и на расстоянии 120– 150 мм от концов); необрезные шпалы и брусья стягивают обвязочной проволокой (диаметром 6–7 мм на расстоянии 120–150 мм от концов); приоритетным и наиболее эффективным является укрепление концов шпал деревянными пропитанными винтами;

2)глубокая наколка древесины шпал для достижения практически сплошной пропитки в подрельсовых зонах (без наколки еловые шпалы пропитываются всего на 2–3 мм от поверхности, а наколотые – не менее глубины накала);

3)сверление отверстий для костылей (d = 12,7 мм, h = 130 мм) перед пропиткой шпал и брусьев. Это также обеспечивает увеличение сопротивления обжатию костылей в ~ 1,5 раза, так как при забивке костылей без сверле-

ния отверстий волокна древесины разрушаются и отгибаются (до 45 ); 4) для уменьшения механического износа деревянных шпал и брусь-

ев эффективное применение прокладок (из резинового регенерата, кордонита, гомбелита) под металлическими прокладками скреплений ДО и КД. Такие прокладки уменьшают износ шпал под подкладками 4–6 раз.

Срок службы шпал при прочих равных условиях зависит от нагрузок колесных пар на рельсы, скоростей движения и особенно грузонапряженности линии, а также от климатических условий. Исключительно большое значение имеет качество текущего содержания пути, бережное отношение

кшпалам, непрерывный уход за ними и своевременный их ремонт.

Внастоящее время срок службы деревянных шпал в среднем 15 лет, что в значительной степени объясняется высокой грузонапряженностью наших дорог и применением шпал из мягкой древесины.

Расчетные или перспективные сроки службы деревянных шпал в годах для среднесетевых условий эксплуатации установлены Инструкцией по содержанию деревянных шпал, переводных и мостовых брусьев железных дорог колеи 1520 мм (ЦП/410) в зависимости от рода и пропитки древесины.

97

Реальные сроки службы деревянных шпал несколько ниже нормативных и составляют при средней осевой нагрузке 150 кН/ось – 500 млн т брутто, по времени ~15 лет, а при высоких осевых нагрузках 250 кН/ось – 12 лет.

Сроки службы железобетонных шпал и брусьев. Нормативные сроки службы железобетонных шпал и брусьев на дорогах нашей страны не регламентированы. Обобщение накопленного опыта применения железобетонных шпал дает основание считать, что наработка тоннажа при рельсе Р65 со скреплением КБ составляет не менее 2,0 млрд т брутто. Общий выход железобетонных шпал в дефектные при всех видах ремонта и текущем содержании не превышает 5–6 % после пропуска 1,0 млрд т брутто. При этом примерно 60 % дефектов шпал связано с эксплуатации пути и 40 % – с технологией их изготовления.

Срок службы железобетонных шпал при среднесетевой грузонапряженности принят около 50 лет, что более чем в два раза превышает средний срок службы деревянных шпал на дорогах РФ. Укладка на железобетонные шпалы прокладок повышенной упругости снижает модуль упругости рельсового основания и среднее давление на шпалы и основную площадку земляного полотна, а также уменьшает ускорения необрессоренных масс подвижного состава.

Широко применяется на сети дорог система повторной укладки старогодных железобетонных шпал, снятых с путей 1–2-го класса при капитальном ремонте, на пути 3–4-го класса и станционные.

Глава 5. БАЛЛАСТНАЯ ПРИЗМА

5.1 Общие сведения

Балластный слой (балластная призма) – элемент верхнего строе-

ния пути из балласта (минерального сыпучего материала), укладываемого на основную площадку земляного полотна, обеспечивающий вертикальную и горизонтальную устойчивость пути при воздействии динамических нагрузок от подвижного состава и изменяющихся температур.

От конструкции и качества балластного слоя зависят:

общее состояние железнодорожного пути;

уровень допускаемых скоростей движения поездов;

сроки службы всех элементов верхнего строения;

затраты на текущее содержание пути и вся система его ремонтов. Балластный слой:

1) воспринимает давление от шпал (брусьев) и распределяет его

практически равномерно на возможно большую площадь основной площадки земляного полотна;

2)обеспечивает стабильное положение рельсошпальной решетки;

3)участвует в формировании оптимальной упругости подрельсового основания.

98

На железных дорогах мира применяются две принципиально различные конструкции железнодорожного пути: 1) с балластным слоем; 2) без балластного слоя.

Сферой наиболее рационального применения безбалластного пути является недеформируемое нижнее строение пути – искусственные со-

оружения (металлические и железобетонные мосты, тоннели, эстака-

ды), а также устойчивое земляное полотно.

На отечественных железных дорогах более 99 % протяжения пути с грунтовым земляным полотном и верхнее строение пути с балластным слоем.

Рисунок 3.36 – Безбалластный железнодорожный путь (RHEDA)

Рисунок 3.37 – Железнодорожное полотно с балластным слоем: 1 – щебёночный балласт; 2 – песчаная подушка

5.2 Балластные материалы

Балластные материалы подразделяются на щебеночные, асбестовые,

гравийные, песчано-гравийные и шлаковые. Ранее применялись также пес-

чаный и ракушечные балласты.

99

Для балластировки главных путей железных дорог общего пользова-

ния применяется только щебеночный балласт фракции 25–60 мм.

Щебень для щебёночного балласта получают дроблением определённых горных пород.

Щебень, применяемый в балласте железнодорожного пути должен отвечать следующим требованиям по:

зерновому составу – количество зерен от 60 до 70 мм ограничивается 5% по массе, а выше 70 мм – не допускается; зерен меньше нижнего номинального размера (25 мм) не более 5 %, в том числе части размером менее 0,16 мм – 1,5 % по массе;

прочности – в качестве этого показателя принята истираемость (потеря в массе, %, при испытании в барабане типа шаровой мельницы). Для балластного слоя путей 1–3-го классов должен применяться только щебень твёрдых пород марки И20 – высокая прочность (буква «И» – истираемость, цифра – 20 % потери по массе). На путях 4–5-го классов может применяться щебень средней твердости марки И40;

морозостойкости – в зависимости от количества циклов попеременного замораживания и оттаивания образцов щебня без разрушения щебень подразделяют на марки (ГОСТ 8267-82) Мрз50 или Мрз25;

электроизоляционным свойствам щебня характеризуются величи-

ной электрической проводимости насыщенного раствора, образованного при растворении измельченного щебня в дистиллированной воде.

Щебеночный балласт – из прочных пород (гранита, габбро, диорита, сиенита) и из других пород – (диабаз, базальт и др.).

Укладка в балластную призму на путях 1–3-го классов смешанного щебня различных пород и прочности не допускается.

В настоящее время введены ещё дополнительные требования к щебню, укладываемому в пути 1–3-го классов, по содержанию плоских частиц, частиц со сверхнормативными размерами и др.

Асбестовый балласт представляет отходы асбестового производства, удовлетворяющие специальным техническим условиям на них как на балластный материал.

По гранулометрическому составу асбестовый балласт близок к крупноили среднезернистому песку. Присутствие свободных волокон ас-

беста размером от 0,1 до 25 мм создает специфические особенности, к которым относятся его практическая водонепроницаемость в уплотненном состоянии (коэффициент фильтрации 0,5–0,04 м/сут). Вследствие гигроскопичности асбестовых волокон на поверхности асбестового балласта создается корка толщиной 0,5–1 см, которая является защитой от дождя и загрязнителей. После прохода дождей корка вновь быстро восстанавливается. Асбестовый балласт по сравнению с другими обладает меньшей температуропроводностью и может рассматриваться как теплоизоляция. При промерзании он не пучится.

Асбестовый балласт нельзя считать перспективным материалом для балластировки главных путей по следующим основным причинам:

100