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

где Ip – значение, полученное после преобразования и вычислений уравнений 1,2 при условном принятом значении Р = 1.

Напряжение от собственного веса грунта ЗП (σγ) определяется из выражения:

σγ = −γ ∙ ,

где γ – удельный вес грунта, Н/м3; h – толщина слоя ЗП, м.

Рисунок 2.21 – Схема расчета напряжения от собственного веса

В любой точке С насыпи действуют сжимающие напряжения, определяемые:

σ = σП + σВС + σγ,

где σП – напряжение от поездной нагрузки, Па; σВС – напряжение от веса ВСП, Па;

σγ – напряжение от собственного веса грунта ЗП насыпи, Па.

41

Раздел 3. ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Глава 1. РЕЛЬСЫ И СТЫКОВЫЕ СКРЕПЛЕНИЯ

1.1 Рельсы

Рельсы – это стальные балки специального сечения, укладываемые на шпалах или других опорах для образования пути, по которому и перемещается железнодорожный транспорт.

Назначение рельсов и требования, предъявляемые к ним. В кон-

струкции железнодорожного пути рельсы выполняют следующие функции:

1)направляют колеса подвижного состава;

2)воспринимают, упруго перерабатывают и передают нагрузки от колес на подрельсовое основание;

3)проводят электрический ток.

Рельсы должны обладать прочностью, долговечностью и высокой контактно-усталостной выносливостью.

Масса рельса, его очертание (профиль), химический состав рельсовой стали, особенности технологии изготовления находятся в тесной взаимосвязи и зависимости от осевых нагрузок, скорости движения и грузонапряженности.

Чугунные рельсы появились в ещё XVIII в. Одна из первых чугунных дорог в России длиной около 160 м была построена на Александровском заводе в Петрозаводске (Онежский завод) в 1788 г. под руководством А.С. Ярцева. Ширина колеи была около 0,8 м, рельс – уголковым. Сопротивление движению по этому пути было в 12 раз меньшим, чем по обыкновенной грунтовой дороге.

Но в процессе эксплуатации железных дорог таких конструкций поверхность рельсов быстро засорялась, и появлялось дополнительное нежелательное сопротивление качению. Эта причина и привела к появлению выпуклых рельсов с эллиптической формой поверхности катания, введенных уже позже горным инженером П.К. Фроловым. Колеса имели желоб, соответствующий форме головки рельса. Этот рельс явился прообразом современного железнодорожного рельса. С появлением паровозов резко повысились нагрузки от колес, а скорости движения достигали 50 км/ч. Динамические нагрузки от колес подвижного состава вызывали интенсивную работу рельсов на изгиб, что и привело к формированию профиля к форме двутавровой балки двух конструкций – двухголовой и широкоподошвенной. При создании двухголового рельса его авторы полагали, что после износа одной головки рельс можно будет перевернуть и использовать другую его сторону. Однако эта идея не оправдалась, так как износ верхней головки от воздействия колес подвижного состава сопровождался также износом его нижней части. Первые рельсы изготавливались в основ-

42

ном из чугуна. Так как стальные рельсы изнашиваются меньше и равномернее, чем чугунные, во всех странах стали применять только стальные рельсы с примесями углерода, кремния, марганца и других добавок, повышающих качество стали. Позднее широкое распространение получили термически упрочненные рельсы, твердость материала которых повышена с 290–300 до 360–380 единиц по Бринеллю, что в 2–3 раза повышает их износоустойчивость.

Последний ГОСТ Р 51685-2000 на рельсы железнодорожные предусматривает четыре вида рельсов Р50, Р65, Р65К (для кривых), Р75.

1.2Типы рельсов и их геометрические параметры

Внастоящее время на железных дорогах применяются широкоподошвенные рельсы.

Тип рельсов определяется округленным числом массы рельса длиной 1 м, обозначается буквой «Р» и числом массы после буквы «Р» (Р65). Так 1 метр рельса Р65 – 64,72 кг.

Рисунок 3.1 – Параметры поперечного профиля рельса

Поверхность катания головки нового рельса для центральности передачи нагрузки от колеса имеет выпуклое криволинейное очертание по радиусу 500 мм, переходящим затем в радиус 80 мм.

Переход к боковым граням головки рельса осуществляется по кривой радиусом R = 13–15 мм, близком к радиусу выкружки гребней колес локомотивов (13,5 мм) и вагонов (15 мм). Это обеспечивает достаточно плотное прижатие выкружки гребня колеса к боковому закруглению головки рельса и предотвращает вкатывание на рельс гребня колеса.

43

головки и верхней грани подошвы устраивают плоскими и придают наклон 1:4, чтобы накладки при затягивании стыковых болтов (4–6 шт. на стык) входили в пазуху как клин, распирая головку и подошву рельса.

Накладки, прижатые к головке и подошве рельсов, не должны прикасаться к шейке. Это позволяет по мере износа опорных поверхностей рельса и накладок посредством натягивания стыковых болтов продвигать накладки в «пазуху» рельсов настолько, чтобы обеспечить плотное прилегание рельсов и накладок по опорным их поверхностям. Зазор между накладкой и шейкой для этих целей принимают 3–6 мм.

Общим в профилях всех современных рельсов является наличие наклона боковых граней головки 1:20. Этим самым достигается уменьшение эксцентриситета передачи давления на рельс от колеса, даже при его опирании на край головки рельса, увеличивается площадка контакта рельса с колесами в зоне бокового сопряжения с поверхностью катания, в результате чего снижается интенсивность бокового износа и уменьшается пластическое течение металла с поверхности катания на боковую грань головки.

Относительно большая ширина подошвы рельса по сравнению с шириной головки позволяет повысить сопротивляемость подошвы рельса изгибу и обеспечить боковую устойчивость рельса на опорах.

1.3 Рельсовая сталь

Материалом для рельсов служит рельсовая сталь. Присутствие в стали углерода повышает прочность рельсов при изгибе, твердость, износостойкость. Поэтому в рельсах содержится относительно большое количество углерода.

Так увеличение содержания в стали углерода только на 0,23 % повышает износостойкость рельсов в 7 раз. И вместе с тем дальнейшее увеличение содержания углерода до 0,89 % приводит их к недопустимой хрупкости. Максимально допустимое содержание углерода в рельсовой стали ограничивают до 0,82 %.

Относительно высокий процент содержания углерода в рельсовой стали требует при её плавке выполнять жесткие условия на весь её химический состав и особенно в отношении фосфора и серы. Существует два способа производства рельсовой стали – бессемеровский (конверторный) и мартеновский. Бессемеровский (конверторный) способ производства стали длится десятки минут, мартеновский – несколько часов.

Рельсы подразделяются на две группы: первая группа изготавливается из спокойной мартеновской стали, раскисленной комплексными лигатурами; вторая группа готовится из стали, раскисленной алюминием или марганец-алюминиевым сплавом.

Сталь для рельсов должна иметь чистое, однородное, плотное мелкозернистое строение (макроструктуру). Макроструктура современной углеродистой рельсовой стали представляет пластинчатый перлит с неболь-

45

шими жилками феррита на границах перлитных зерен. Значительная твердость, сопротивление износу и вязкость углеродистых сталей достигаются приданием им однородной сорбитной структуры с помощью специальной термической обработки по всей длине путём объемной закалки в масле с последующим печным отпуском. Твердость по Бринеллю на поверхности катания головки закаленных рельсов должна быть в пределах 341–388 НВ, шейки и подошвы – не более 388 НВ.

Рельсы подразделяют также по категориям качества:

В – рельсы термоупрочнённые высшего качества;

Т1, Т2 – рельсы термоупрочнённые;

Н – рельсы нетермоупрочнённые.

1.4 Маркировка рельсов

Маркировка рельсов производится для правильной укладки их в путь и определения места и времени изготовления каждого отдельного рельса.

Заводская маркировка указывает соответствие рельсов требованиям стандартов. Маркировка делается в пяти, шести местах выпуклыми буквами и цифрами на шейки рельса через каждые 3 м, которые указывают:

1)название завода (А – «Азовсталь», Д – имени Дзержинского комбинаты, Т – Нижнетагильский);

2)месяц (римскими цифрами) и год изготовления (арабскими цифрами);

3)тип рельса и стрелку, указывающую направление головной части слитка.

На торце рельса (клеймением) указывают номер плавки (рис. 3.3). Клеймением в горячем состоянии проставляют букву, указывающую, какой лигатурой раскислена сталь.

Рисунок 3.3 – Маркировка новых рельсов в торце

46

рационального повторного применения пути с грузонапряженностью до 25 млн т-км брутто/км в год.

Это значительно удешевляет ведение рельсового хозяйства, ремонты и содержание пути и, что особенно важно, сокращает на 15–20 % трудовые затраты на поддержание пути в постоянной исправности. Приведенные годовые расходы на ремонты и содержание 1 км пути при старогодных отремонтированных рельсах типа Р65 меньше, чем при новых рельсах Р50.

Утраченная рельсами в процессе первоначального использования доля несущей способности и эксплуатационной выносливости в определённой мере перекрывается облегчением условий их работы после перекладки и, кроме того, она в ряде случаев может быть значительно восстановлена комплексным ремонтом рельсов перед перекладкой.

Соотношение моментов сопротивления и инерции сечения перекладываемых рельсов типа Р65 (обычно имеющих износ 3–4 мм) и новых рельсов типа Р50 составляет примерно 1,5 и 1,7. Даже если сравнивать рельсы типа Р65 с износом 9 мм, а рельсы типа Р50 с нулевым износом, что редко встречается, то и в этом случае соотношение моментов сопротивления и инерции сечений равны 1,4 и 1,5. Это означает, что интенсивность нарастания расстройств пути при переложенных рельсах типа Р65 будет примерно на 15–20 % меньше, чем при новых рельсах типа Р50. Значительно меньше будут и нормальные напряжения изгиба в кромках подошвы тяжелых рельсов, а это существенно важно для обеспечения безопасности движения поездов.

Чтобы наиболее полно реализовать возможную эффективность этого мероприятия, необходим высококачественный ремонт рельсов перед их перекладкой.

1.7 Рельсовые стыки и стыковые скрепления

Места соединения рельсов между собой называют стыками. По конструкции различают стыки: болтовые; клееболтовые; сварные; уравнительные; токопроводящие; изолирующие.

Стыковые рельсовые скрепления предназначаются для соединения рельсов между собой в стыках. Они должны быть:

а) прочными (чтобы деформации рельсов в стыках под нагрузкой были близкими к деформациям их в средней части рельса);

б) должны обеспечить продольное перемещение концов рельсов при изменении температуры рельсов;

в) простыми в конструкции; г) удобными и экономичными при изготовлении и эксплуатации.

В болтовых стыках (рис. 3.5) между концами рельсов, перекрытых накладками, стянутых болтами с гайками и пружинными шайбами, оставляют зазоры для возможности изменения длины рельсов при изменении температуры.

48

стыки по наугольнику;

вразбежку;

расположенные бессистемно.

Рисунок 3.7 – Расположение стыков:

а) по наугольнику; б) вразбежку; 1 – стыки; 2 – рельсы

Лучшими являются стыки по наугольнику, которые на обеих рельсовых нитях находятся на одной нормали к продольной оси колеи. Правильность положения таких стыков проверяется шаблоном – нaугольником.

Преимущества стыков по наугольнику по сравнению со стыками вразбежку следующие:

одновременность ударных воздействий колес при проходе стыков,

всвязи с чем число ударов в два раза меньше, чем при стыках вразбежку;

центральность ударов, что снижает раскачивание подвижного со-

става;

возможность применения путеукладочных кранов при смене звеньев рельсов со шпалами;

возможность усиления стыков сближением стыковых шпал вплоть до их сдваивания.

В связи с этим на дорогах России приняты стыки по наугольнику.

1.8 Стыковые зазоры

Содержание стыковых зазоров строго регламентировано. Удары в стыках являются следствием не столько величины самого зазора, сколько, главным образом, перелома траектории движения точки касания колеса с рельсом. Колесо в стыке проходит через неровность в виде угла, образованного прогнувшимися концами рельсов. Из-за наличия этого угла происходит удар колеса о головку принимающего рельса, вследствие чего головка сминается с образованием седловины за стыком. Особенно интенсивно этот процесс протекает при наличии в стыке гнилых и плохо подбитых шпал.

50