Рельсовый стык. Достоинства и недостатки

На протяжении всей истории развития и становления железнодорожного транспорта прослеживается тенденция к увеличению длины рельсов.

На Варшавско-Венской железной дороге (1857—1867) укладывались рельсы длиной всего 4,57 м (главные пути) и 2,13 м (станционные пути). На железной дороге Москва—Санкт;Петербург (1851) были уложены рельсы длиной 5,486 м. С начала 70-х гг. ХIХ в. начали входить в употребление рельсы длиной 7,315 м (24 фута), в начале 80-х гг. — 8,534 м (28 футов). С 1909 г. в России была разрешена укладка рельсов длиной 12,8 м и 14,94 м, причем первый размер было предложено считать нормальным.

Увеличению длины рельсов в числе прочих обстоятельств мешала низкая мощность конструкции верхнего строения пути, а также распространенное в инженерных кругах мнение о необходимости обеспечивать свободное удлинение рельсов при изменении их температуры за счет стыковых зазоров. Позднее стала высказываться мысль о возможности создания непрерывного рельсового пути. Официально этот вопрос в России был поднят в 1896 г. Известный русский инженер И.Ф. Стецевич, сознавая большие трудности, связанные с нагружением слабого верхнего строения пути того времени большими температурными силами, выдвинул интересную идею о возможности регулирования их в продольном направлении на непрерывном рельсовом пути. Он предложил укладывать путь с волнообразным в плане искривлением и за счет изменения стрел этих искривлений периодически производить удлинение или укорочение плети, снижая величины про;дольных сжимающих или растягивающих сил. Это оригинальное, но практически очень трудно реализуемое инженерное решение интересно сегодня тем, что показывает, насколько важной даже в те далекие годы считалась проблема увеличения длины рельсов.

В документах V конгресса железных дорог (1905 г.) указано на принципиальную возможность укладки рельсов длиной 24 м.

Однако первые робкие попытки внедрения более длинных рельсов еще не могли нарушить традиционное представление о необходимости обеспечивать свободное температурное изменение длины рельсов в пределах стыковых зазоров.

Повышенный интерес к проблеме длины рельсов стал проявляться в 20-х гг. XX в., когда ученые разных стран занялись теоретическими исследованиями и экспериментами по выяснению роли и значения погонных и стыковых сопротивлений, противодействующих свободному изменению длины рельсов при колебаниях температуры. В начале 30:х гг. прошлого века уже перешли в основном на укладку длинных рельсов.

На VIII конгрессе железных дорог в 1930 г. была подтверждена возможность укладки плетей 60:метровой длины. В 1932 г. на направлении Купянск—Валуйки были впервые в нашей стране уложены рельсы длиной 37,5 м. В этом же году рельсовые плети длиной 215—225 м были уложены на мостах через р. Оку у Серпухова и через р. Волгу у Калязина. В это время начали укладывать на станционных путях сварные рельсы длиной 60—100 м. В 1937 г. на приемоотправочных путях ст. Данилов были уложены рельсовые плети длиной от 300 до 800 м. В 1933 г. на ст. Подмосковная соорудили первый в нашей стране участок бесстыкового пути длиной 477 м.

Отдельные достижения в укладке длинных рельсов и работы отечественных и зарубежных ученых подготовили базу для широкого внедрения бесстыкового пути, позволяющего увеличить длину рельсовых плетей до 500—800 м и более (до 4 км). Однако начавшаяся Вторая мировая война приостановила дальнейшее развитие и внедрение этой конструкции.

В первые послевоенные годы работы по укладке длинных рельсов и бесстыкового пути были возобновлены. Началом укладки бесстыкового пути в нашей стране следует считать 1949 г., когда на бывшей Томской железной дороге по предложению М.С. Боченкова был уложен бесстыковой путь с саморазрядкой температурных напряжений.

Температурно-напряженный бесстыковой путь на деревянных шпалах был впервые уложен на бывшей Московско-Курско-Донбасской железной дороге в 1956 г., а в следующем году началась укладка бесстыкового пути на железобетонных шпалах. Вместо уравнительных приборов, устанавливавшихся по концам плетей, стали укладывать уравнительные рельсы. В условиях большой грузонапряженности на бывшей Донецкой железной дороге в 1959 г. был сооружен первый участок бесстыкового пути температурно-напряженного типа.

Начало 50-х гг. характеризуется бурным внедрением бесстыкового пути и за рубежом. ХVIII конгресс Международной ассоциации железнодорожных конгрессов (Мюнхен, 1962 г.) рекомендовал всем странам применять бесстыковой путь на грузонапряженных линиях и линиях с высокими скоростями движения поездов.

К началу 1963 г. на отечественных железных дорогах было уложено около 2,2 тыс. км бесстыкового пути и около 4,5 тыс. км длинных рельсов, а к началу 1966 г. — около 5,5 тыс. км бесстыкового пути. В последующем темпы внедрения бесстыкового пути возрастали. Конструкция верхнего строения пути развивалась экстенсивными методами — укладывались более тяжелые типы рельсов, щебеночный балласт, железобетонные шпалы. Увеличивалась допустимая длина рельсовых плетей до 800 м («Технические условия на укладку и содержание бесстыкового пути», 1963 г.); до 950 м («Технические указания по укладке и содержанию бесстыкового пути», 1982 г.); до длины блок:участка. А на участках с тональными рельсовыми цепями или без них, но при сваривании рельсовых вставок с высокопрочными изолирующими стыками, имеющими сопротивление на разрыв не менее 2,5 МН, — до длины перегона («Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути», 2000 г.). К началу 2003 г. бесстыковой путь был уложен на полигоне длиной более 50,0 тыс. км, что составляет около 40 % протяженности главных путей российских железных дорог.

Даже при небольшом обзоре этапов увеличения длины рельсов, внедрения и постепенного развития бесстыкового пути возникает ряд вопросов. Почему на протяжении всей истории железнодорожного транспорта стремились увеличить длину рельса и уменьшить количество стыков? Чем так «провинился» рельсовый стык?

На первых российских железных дорогах рельсовые стыки устраивались на шпалах; концы примыкающих друг к другу рельсов объединяли объемлющей чугунной подушкой, которую врезали в шпалу. С начала 70-х гг. ХIХ в. стали применять стальные рельсы с новым типом стыка, располагаемого на весу между шпалами. При этом сначала применяли простые плоские накладки, а затем фасонные.

Известно, что конструкция рельсового стыка должна отвечать трем основным требованиям:

1. воспринимать изгибающий момент и поперечную силу в зоне рельсового стыка;

2. допускать продольные перемещения концов рельсов в стыке при изменении длины рельсов вследствие колебаний их температуры;

3. обеспечивать возможность изготовления деталей стыка одним из способов массового производства.

Эти требования оказались столь сложными и противоречивыми, что за всю более чем 150-летнюю историю железнодорожного транспорта не удалось создать конструкцию стыка, которая отвечала бы всем им. Под катящимся колесом рельсовая нить упруго прогибается. При исправном пути, при одинаковых по размерам, типу и состоянию шпалах, равномерном расположении и одинаковой их подбивке, одинаковом по качеству и толщине балласте и «здоровом» земляном полотне упругий прогиб рельса должен быть одинаков по всей длине рельса, если колесо действует на путь с постоянной силой. В этих условиях траектория точки касания колеса с рельсом представляет собой почти прямую линию.

Стыковые скрепления должны обеспечивать прямолинейную траекторию и в собственной зоне. Однако достичь этого не удается, так как из-за разрыва рельсовой нити нагрузка от колеса в стыке воспринимается накладками, момент инерции которых в рельсовом стыке меньше момента инерции рельса вне стыка. В стыке траектория точки контакта колеса с рельсом имеет перелом, вследствие чего создаются ударно-динамические силы и повышенное воздействие на путь в этой зоне.

В рельсовом стыке на весу каждая накладка под воздействием колеса работает как балка, опирающаяся концами на подошву рельса и нагруженная в средней части (давление граней головок концов рельсов). Концы рельсов в стыке действуют в основном как консоли, свешивающиеся в стыковой пролет за стыковыми шпалами. Верхние части накладок под нагрузкой сжаты, а головки рельсов растянуты; в нижних гранях накладок все наоборот. Это вызывает взаимное скольжение и истирание рабочих граней накладок и поверхности головок, а также подошвы рельсов, к которым они прилегают.

Концы рельсов в стыках, прогибаясь под нагрузкой, образуют угол, поэтому колеса ударяются о поверхность принимающего конца рельса под небольшим углом к вертикали. Горизонтальная составляющая этих сил создает угоняющую силу в направлении движения, прямо пропорциональную нагрузке. Одно это не могло бы вызвать заметного угона рельсов (т.е. продольного перемещения рельсов под колесами про:ходящего поезда), так как принимающие их концы рельса прижимаются набежавшими колесами. Угон от ударов в стыках происходит в основном потому, что рельсовая нить при ударе встряхивается и имеющиеся в принимающем рельсе температурные напряжения получают частичную разрядку, в результате чего он изменяет длину и противоположный незажатый его конец немного проскальзывает вперед.

Ударное взаимодействие колеса и рельса в зоне стыка, повышенный износ элементов стыка, смятие концов рельсов и вызываемые всем этим повышенные расходы на текущее содержание пути; необходимость иметь многодетальную (накладки, болты, шайбы и т.д.), периодически повторяющуюся (и чем меньше длина рельса, тем чаще) конструкцию стыка, — все это и привело к стремлению не только сократить число стыков за счет увеличения длины рельсов, но и совсем их ликвидировать.

Пока в полной мере реализовать это желание не удалось. На большинстве отечественных железных дорог длина сварных рельсовых плетей составляет всего 550—800 м; между рельсовыми плетями уложены два — четыре уравнительных рельса. Средняя длина рельсовых плетей составляет в настоящее время около 600 м. Длина вновь укладываемых сварных плетей устанавливается в зависимости от местных условий и должна быть, как правило, равной длине блок:участка. Установленная минимальная длина плети — 400 м.

Таким образом, современный бесстыковой путь в основном представляет собой чередование 550—800-метровых рельсов с короткими участками звеньевого пути (уравнительными пролетами). На полигоне бесстыкового пути в настоящее время имеется более 60 тыс. уравнительных пролетов, что снижает эффективность функционирования бесстыкового пути.

Даже в небольшом по объему введении несколько раз повторялись термины «рельсы обычной длины», «длинные рельсы», «бесстыковой путь». Какая между ними разница? Что же такое «бесстыковой путь»?

Чтобы ответить на эти, да и на многие другие вопросы, необходимо проанализировать температурную работу рельсов, что мы и сделаем в следующем разделе. 

Температурная работа рельсов Факторы, влияющие на температуру рельсов

Изменение температуры рельса происходит в условиях сложного теплообмена. Летом, находясь под действием солнечных лучей, рельсы получают тепловую энергию, тратя ее часть на обратное излучение и теплоотдачу в окружающую среду. Когда рельс нагревается (тепла подводится больше, чем отводится), значения температуры в разных его точках, изменяясь во времени, все больше возрастают.

При достижении равновесия (теплового) между количеством подводимого и отдаваемого тепла температура рельсов перестает повышаться, хотя локальные значения температуры различных участков как по длине рельса (железнодорожные рельсы р-65, рельсы р-50), так и по его поперечному сечению могут довольно существенно различаться. Наблюдаемая разница в температуре по поперечному сечению рельса (головка, шейка, подошва) достигает 10 °С. Затем температура рельса понижается, а его температурное поле выравнивается.

Температура рельса зависит от многих факторов:

• температуры воздуха,

  • типа рельса и состояния его поверхностей,

  • а также ориентирования рельса относительно сторон света, плана и профиля пути;

• поперечного профиля земляного полотна (насыпь, выемка, нулевое место),

  • интенсивности солнечной радиации и прозрачности атмосферы,

  • скорости и направления ветра,

  • качества и отражательной способности балласта

    • и ряда других причин.

При одной и той же температуре воздуха и различных сочетаниях других перечисленных факторов температура рельса летом на одном и том же перегоне может быть разной, причем отличие температур в зависимости от условий может достигать 10—15 °С и даже более.

Температура рельсов летом в дневные часы, как правило, выше температуры воздуха. Разница температур рельса и воздуха является величиной переменной и с повышением максимальной температуры воздуха несколько уменьшается. Разница температур рельса и воздуха летом достигает 16—18 °С в северных регионах и 24—26 °С — в средних и южных районах (в регионах России на рельсы цены) страны. За расчетную разницу температур между ними летом в настоящее время принимают 20°С, т.е.

t_р = t_в + 20°C

где t_p — температура рельса; t_в — температура воздуха. Зимой температура рельсов меньше отличается от температуры воздуха. Наблюдения показали, что в зоне экстремальных зимних температур воздуха (–30 °С и ниже) их температура может быть на 3—5 °С выше по сравнению с воздухом. Из-за выхолаживания при сильном ветре температура может быть и ниже температуры воздуха. Однако обычно зимой температура рельсов и воздуха совпадает, и в расчетах принимают t_p = t_в.

При изготовлении и укладке рельсовых плетей, производстве работ по техническому обслуживанию и ремонту бесстыкового пути измеряют фактическую температуру рельсов. В настоящее время таковой принято считать температуру головки рельса.

При подобных измерениях применяют различные технические средства:

• приборы для непосредственного измерения в пути на месте производства работ;

• стационарные приборы для измерения на постах метеорологических станций и дистанций пути;

• стационарные или переносные приборы для измерения на рельсосварочных предприятиях в процессе изготовления плетей.

Впервые температура рельсовой плети измеряется на рельсосварочном предприятии, где определяется та, при которой изготовлена плеть.

В проекте укладки бесстыкового пути каждой паре рельсовых плетей присваивается порядковый номер, под которым в дальнейшем она будет значиться в заявке на сварку и других учетных документах, но об этом речь еще впереди.

В начале и конце каждой плети на внутренней стороне шейки рельса (со стороны оси пути) белой масляной краской указывается номер рельсосварочного предприятия, номер плети по сварочной ведомости, ее длина в метрах с точностью до второго знака после запятой при температуре рельсов +20 °С. При иной температуре рельсовая плеть, очевидно, будет иметь другую длину. Изменение ?L длины рельсовой плети в этом случае может быть определено по формуле

?L = 0,0000118L(20 – t), (1.1)

где L — длина рельсовой плети при температуре +20 °С (указана на внутренней стороне шейки рельса); t — температура рельсовой плети в момент измерения.

Пример 1.1. Длина рельсовой плети, изготовленной на предприятии 42 по сварочной ведомости 317, составляет 796,22 м, а температура рельса — 18 °С. Какую длину плети следует указать на внутренней стороне шейки рельса?

Изменение длины рельсовой плети составит

?L = 0,0000118 ? 796,22 ? (20 – 18) = 0,02 м.

На внутренней стороне шейки рельса должна быть указана длина 796,22 + 0,02 = 796,24 м.

После укладки рельсовой плети в путь дополнительно к имеющейся маркировке наносят номер плети по проекту с указанием сторонности, дату укладки и температуру плети при закреплении ее на подкладках.

Допустим, что номер плети по проекту 12, плеть правая. Она уложена в путь 11 июня 2013 г. при температуре закрепления t₀ = +24 °С. Тогда маркировка такой плети имеет вид:

42 — 317 — 796,24 — 12 п — 11.06.13 + 24.

При закреплении плетей на шпалах температуру рельсов измеряют дважды — перед началом и после окончания закрепления. Для ускорения процесса измерения температуры рельсовых плетей сначала их закрепляют только на каждой пятой шпале.

С момента закрепления рельсовой плети на постоянный режим начинается «температурная жизнь» плети, а сама температура закрепления может считаться началом этой жизни. Температуру закрепления рельсовой плети иногда называют нейтральной.

Изменение длины рельсов при колебаниях их температуры

Если положить рельс длиной L на ролики или специальные подкладки с очень низким коэффициентом трения, то можно считать, что свободному удлинению рельса ничто не препятствует.

Изменение длины рельса ?L, как свободного стержня, при изменении его температуры может быть определено по формуле

?L = ?L?t_р, (1.2)

где ? — коэффициент линейного расширения рельсовой стали; ? = 0,0000118 1/град;

?t_р — изменение температуры рельса, °С,

L — длина рельса, м.

Пример 1.2. На специальные подкладки с очень низким коэффициентом трения положили рельс длиной 985,50 м при температуре 28 оС. Температура рельса повысилась до 35 °С. Насколько изменилась длина рельса?

?L = 0,0000118 ? 985,50 ? (35 – 28) = 0,08 м.

Таким образом, при изменении температуры свободно лежащего рельса длиной 985,50 м на 7 °С его длина увеличилась на 80 мм. В этом случае ничто не препятствовало этому изменению и напряженное состояние рельса не возникло.

Однако в пути рельс лежит на металлических подкладках, прикреплен к каждой шпале мощным промежуточным скреплением, а с соседним рельсом соединен стыковым скреплением, поэтому изменение длины рельса в реальных условиях не может происходить так свободно. Изменение длины рельсовой плети в зависимости от температуры описывается более сложным законом, учитывающим преодоление погонных и стыковых сопротивлений.

Рассмотрим другой крайний случай. Допустим, что рельс жестко закреплен по концам и вообще его длина постоянна. Изменение температуры рельса, которое не может повлиять на его длину, вызывает в нем температурные напряжения, а они согласно закону Гука пропорциональны величине несостоявшегося температурного удлинения (укорочения) рельса и противоположны ему по знаку. Другими словами, если рельс при повышении его температуры не смог удлиниться, то в нем возникли температурные напряжения сжатия; если рельс при понижении его температуры не смог укоротиться, то в нем возникли температурные напряжения растяжения.

Температурные напряжения, возникающие в рельсе, если его длина сохраняется при изменении температуры относительно нейтральной, могут быть определены по формуле

?t = E?L/L = ?E?t_р, (1.3)

где Е — модуль упругости рельсовой стали, Е = 2,1?10⁶ кг/см = 21?10⁴ МПа; ?L/L — несостоявшееся относительное удлинение рельса.

Продольная температурная сила, сжимающая или растягивающая (в зависимости от направления изменения его температуры) рельс, может быть определена по формуле

P_t = ?_tF = ?EF?t_р, (1.4)

где F — площадь поперечного сечения рельса, см2; ?Е = 250 Н/см² ? град.

Сформулируем одно из основных положений температурной работы рельсов.

Если рельс не может изменять длину при колебаниях своей температуры, то в нем возникают температурные силы Р_t, прямо пропорциональные изменению температуры рельса относительно нейтральной температуры и не зависящие от длины рельса L.  Другими словами — величины температурных продольных сил в рельсе, который не может изменять свою длину, от длины рельса не зависят.

Пример 1.3. Путь с рельсами Р65 длиной 25 м уложен с нулевыми зазорами в рельсовых стыках при температуре 19 °С. Рельс не может увеличивать свою длину. Какая продольная сила будет сжимать такой рельс при повышении его температуры до 49 °С?

Площадь поперечного сечения рельса Р65 равна F = 82,7 см². Сжимающая рельс продольная температурная сила (см. формулу (1.4)) будет равна Р_t = 250 ? 82,7 ?(49 – 19) = 620250 Н. Таким образом, в рельсе типа Р65 при невозможности изменения его длины (нулевые стыковые зазоры) и повышении температуры относительно нейтральной на 30 °С возникает продольная сжимающая температурная сила более 62 т.

А если бы были уложены с нулевыми стыковыми зазорами рельсы длиной 50 (рельсы р-50) или 100 м? Продольная сжимающая температурная сила в рельсе в условиях примера не изменилась бы и составила также 620250 Н, или около 63248 кг, где 1 кг = 9,80665 Н.

Нами рассмотрены предельные случаи — рельс имеет полную свободу перемещений или не имеет возможности изменять свою длину вообще. А как изменяет свою длину рельс в зависимости от температуры в реальных условиях?

В таких условиях это сопровождается преодолением сопротивлений, возникающих как за счет действия сил трения при перемещении рельсов по подкладкам шпал или рельсов со шпалами в балласте, а также концов рельсов в стыке.

В дальнейшем будем исходить из упрощенной схемы, когда силы сопротивления продольному смещению рельса, возникающие за счет действия сил трения при перемещении рельсов по подкладкам шпал, или всей путевой решетки в балласте, равномерно распределены по всей длине рельса и не зависят от величины температурного изменения длины рельса. Эти силы сопротивления называют погонными и обозначают буквой q.

В рельсовом стыке накладки, стянутые болтами, создают силу сопротивления смещению конца рельса в стыке, которую считают одинаковой для всех стыков данного участка пути. Очевидно, что процесс изменения длины рельса не сможет начаться, пока возникающая при изменении температуры рельса продольная температурная сила не превысит силу стыкового сопротивления. Величину изменения температуры рельса ?t_н, при которой это произойдет, можно определить по следующей формуле

?tн = R/?EF, (1.5)

где R — величина стыкового сопротивления, кг.

Пример 1.4. Рельсы Р65 длиной 25 м уложены при нейтральной температуре 18 °С со стыковыми зазорами 12 мм. Для таких рельсов при стандартной затяжке стыковых болтов можно принять величину сопротивления стыка R = 100000 Н. Насколько должна измениться температура рельса, чтобы стыковое сопротивление было преодолено?

?tн = 100000/(250 · 82,7) ? 5 °С. Таким образом, при температуре рельса 23 оС (18 + 5) стыковое сопротивление будет преодолено.

Если температура рельса повысится и превзойдет 23 оС, то начнется перемещение концов рельса в пределах стыкового зазора и преодоление погонного сопротивления этому перемещению. При этом одновременно будет изменяться длина рельса и его напряженное состояние. Поскольку в примере рассматривается рельс стандартной длины (25 м), то перемещения рельса такой относительно небольшой длины будут происходить в основном в пределах стыкового зазора.

На рис. 1.1 показано распределение продольных сил, возникающих в рельсах длиной L при изменении температуры рельса.

Рис. 1.1. Распределение продольных температурных напряжений по длине рельса: L — общая длина рельса; x — длина подвижной части рельса; (L – 2x) — неподвижная часть рельса; R — стыковое сопротивление

При постоянном по длине рельса погонном сопротивлении p на длине рельса x возникает погонное сопротивление px, которое равномерно изменяется до нуля в конце рельса.

В сечениях А и Б возникнут напряжения ?_t = px/F. В промежутке между этими сечениями рельс не испытывает деформаций и работает как рельс, жестко закрепленный по концам (см. формулу (1.3)). Длина активного концевого участка x может быть найдена из выражения

x = ?EF?t/р. (1.6)

Анализ этой формулы показывает, что длина «активной» части рельса x прямо пропорциональна величине приращения температуры ?t и обратно пропорциональна величине погонного сопротивления. Величина последнего зависит от типа, конструкции и состояния промежуточных скреплений, силы прижатия рельса к шпале, рода, состояния и степени уплотнения балластного слоя и ряда других причин. В предельном случае

x = 0,5L.

Наибольшее изменение температуры, при котором полностью преодолеваются погонные сопротивления и продольные деформации распространяются по всей длине рельса, равно

max t_пог = 0,5Lp/?EF. (1.7)

Рассмотрим общий случай изменения длины L рельса типа Р-65, закрепленного на постоянный режим работы при температуре t_o.

Величина удлинения конца рельса ? при преодолении погонного сопротивления определяется по формуле

? = px²/?EF. (1.8)

Длина подвижной части конца рельса при повышении его температуры на ?to составит

x = ?EF?t/р. (1.9)

Смещение конца рельса при повышении его температуры на ?t равно

?L = 0,5?x (?t – ?t_н). (1.10)

Пример 1.5. Рельсовая плеть длиной L = 1200 м закреплена для работы в постоянном режиме при t_o= 21 °С. Уравнительный пролет состоит из трех пар уравнительных рельсов длиной по 12,5 м. Величина стыкового зазора 1,2 см.

Определим длину участка продольной деформации рельса при повышении его температуры относительно нейтральной t_o на 28 °С.

Примем стыковое сопротивление R = 100000 Н, а погонное сопротивление р = 80 Н/см. Тогда

х = 250 Н/см·град ? 82,7 см2 ? (28 – 5) град / 80 Н/см = 5944 см.

Смещение конца рельса при такой температуре после преодоления стыкового сопротивления равно

? = 0,5 ? 0,0000118 1/град ? 5944 см ? (28 – 5) град = 0,81 см.

На рис. 1.1 показано распределение продольных сил в рельсе длиной L, концевые его участки длиной х = 5944 см подвижны. Средняя часть рельса длиной (L – 2х) = 120000 см – 2 ? 5944 см = 108112 см при повышении его температуры относительно нейтральной на 28 °С осталась неподвижной.

Допустим, температура рельса достигла 53 °С, т.е. ее повышение относительно температуры закрепления (нейтральной температуры t_o = 21 °С) составило ?t = 53 – 21 = 32 °С. В этом случае длина участка продольной деформации x и перемещение конца рельса ? будут следующими:

х = 250 ? 82,7 ? (32 – 5)/80 = 6978 см, ? = 0,5 ? 0,0000118 ? 6978 ? (32 – 5) = 1,11 см.

Длина каждого подвижного конца рельса составит 6978 см, а средняя часть рельса длиной 120000 – 2 ? 6978 = 106044 см останется неподвижной. Эта часть останется неподвижной и при возможном дальнейшем повышении температуры (более 53 °С), поскольку стыковой зазор стал нулевым и дальнейшее удлинение рельса невозможно.

На неподвижной части рельса, сколь велика бы она ни была (хоть 100 км!), величина продольных температурных сил, определяемых по формуле (1.4), будет зависеть только от разности температур рельса и закрепления t_o.

Допустим, температура рельса достигла 58 °С (такая температура является расчетной для Москвы). Продольная температурная сила в одном рельсе составит Р = 250 ? 82,7 ? (58 – 21) = 764975 Н = 78005 кг. По обоим рельсам продольная сжимающая сила составит около 156 т!

Допустим, что температура рельса зимой достигла величины –42 °С (такая температура является расчетной для Москвы). Тогда при температуре закрепления плети +21 °С продольная растягивающая рельс температурная сила

Р_t = 250 ? 82,7 ? (–42 – 21) = –1302525 Н = –132820 кг.

Знак минус показывает, что в рельсе действует растягивающая сила. При экстремальной зимней температуре рельса –42 oС растягивающая рельс сила превысила 132 т!

Выдержит ли рельс такую растягивающую силу?

Изменяя температуру закрепления рельса на постоянный режим, можно регулировать величину продольной температурной сжимающей силы.

Если в условиях примера закрепить рельс не при +21 °С, а при +40 °С, то продольная сжимающая рельс сила летом при максимальной температуре составит всего

Р_t = 250 ? 82,7 ? (58 – 40) = 372150 Н = 37949 кг.

По обоим рельсам продольная сжимающая сила составит около 76 т. Тогда зимой при самой низкой для Москвы температуре рельса –42 °С растягивающая его сила составит уже

Р_t = 250 ? 82,7 ? (–42 – 40) = –1695350 Н = –172878 кг.

Как найти компромисс между величинами максимальных сжимающих и растягивающих сил? Об этом поговорим в разделе 3. Пока же отметим, что проведенные расчеты еще раз показали важность правильного определения температуры закрепления рельсов на постоянный режим, а также важность правильного определения нейтральной температуры.

Физические пределы изменения температур рельсов в каждом регионе сети железных дорог ограничены. В «Технических указаниях по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути» приведены расчетные температуры рельсов для сети железных дорог России.

В качестве примера приведем расчетные значения температур рельсов для некоторых станций Московской железной дороги.

Железнодорожная станция	Температура рельсов, ?С		Расчетная температурная амплитуда, ?С
	летняя	зимняя
Москва	58	–42	100
Орел	58	–39	97
Ожерелье	59	–44	103
Малоярославец	58	106	–48
Цены рельс в Москве

В отдельных районах сети железных дорог расчетная летняя температура рельсов может достигать +65 ?С, а расчетная зимняя температура –54 ?С.

В условиях примера 1.5 при максимальной расчетной температуре рельса 65 ?С и нейтральной температуре закрепления 21 ?С сжимающая путевую решетку продольная температурная сила достигнет

Р_t = 2 ? 250 ? 82,7 ? (65 – 21) = 1819400 Н = 185527 кг.

Таким образом, путевую решетку сжимает продольная температурная сила более 185 т.

Какими же должны быть конструкция и мощность железнодорожного пути, чтобы выдержать такую сжимающую силу? Об этом поговорим в разделе 2.