7) Индивидуальное задание.

7.1.Верхнее строение пути

7.1. Верхнее строение пути

Верхнее строение пути предназначено для направления движения колесных пар подвижного состава, восприятия вертикальных и гори­зонтальных, а также тяговых и тормозных сил от проходящих по нему поездов и передачи этих сил земляному полотну. К верхнему строению пути относят следующие элементы: рельсы; скрепления (стыковые и промежуточные), подрельсовое основание (шпалы, брусья, рамы, пли­ты), балластный слой, дополнительные элементы (противоугоны, контр­рельсы, поперечные стяжки и др.) и стрелочные переводы.

Все элементы верхнего строения пути взаимосвязаны и образуют единую систему, взаимодействующую с подвижным составом и земля­ным полотном. Рельсы, соединенные со шпалами, образуют рельсо­шпальную решетку.

14

Тип верхнего строения пути в значительной мере определяется мас­сой I-го погонного метра укладываемых рельсов, грузонапряженнос­тью линии, скоростями движения поездов и осевыми нагрузками.

На железных дорогах России приняты следующие типы верхнего строения пути. Первый тип (особо тяжелый) — с термически упрочнен­ными рельсами типа Р75 (массой около 75 кг/м) длиной 25 м с деревян­ными или железобетонными шпалами 1840—2000 штук на 1 км, уло­женными на щебеночный балластный слой при грузонапряженности свыше 80 млн т-км/км брутто в год и скоростях движения пассажир­ских поездов более 120 км/ч.

Второй тип (тяжелый) — с термически упроченными рельсами типа Р65, железобетонными шпалами на бесстыковом пути или деревянны­ми шпалами на звеньевом пути на щебеночном балластном слое при грузонапряженности 15—80 млн т-км/км и особой интенсивностью дви­жения пригородных поездов (100 или более поездов в сутки).

Третий тип (нормальный) — с рельсами массой около 51 кг/м (Р50) с эпюрой шпал — 1840 шпал на 1 км на щебеночном или гравийном бал­ласте при грузонапряженности менее 15 млн т-км/км. Кроме того, на второстепенных линиях пока еще сохранились легкие типы верхнего строения пути с рельсами типов Р43, Р38 и другие. Балластом на таких линиях может служить гравий, песок, отходы асбеста и ракушечник.

Главные пути на станциях, разъездах и обгонных пунктах должны иметь такой же тип верхнего строения пути, как и на перегоне.

7.1.1. Рельсы и скрепления

Рельсы являются главнейшим элементом верхнего строения пути. Они предназначены для направления движения экипажных частей ло­комотивов и вагонов; восприятия вертикальных (от веса), горизонталь­ных поперечных и горизонтальных продольных статических и динами­ческих сил от колесных пар подвижного состава и их передачи к ниже­лежащим элементам верхнего строения пути и подвижному составу. Рельсы также являются электрическими проводниками для передачи сигнального тока на участках с автоблокировкой и обратного тока на участках с электрической тягой.

Первые в мире металлические рельсы были изготовлены в 1767 г. в Великобритании. В России первые чугунные рельсы были применены в 1788 г. для путей на Александровском пушечном заводе в Петрозавод­ске. Первые отечественные катанные стальные рельсы были изготовле­ны на Путиловском заводе в Петербурге. Применять их при строитель­стве железных дорог России стали во 2-й половине XIX в.

Рельсы работают в тяжелых эксплуатационных условиях. Для надеж­ной работы рельсы должны быть прочными, износоустойчивыми, од­новременно твердыми и вязкими (не хрупкими), так как они воспри­нимают ударно-механические нагрузки от движущихся поездов.

Рациональной формой рельсов являются двутавр с широкой подо­швой основания. Такая форма обеспечивает оптимальное сопротивле­ние изгибу

15

рельса в вертикальном и горизонтальном направлениях, наи­большее сопротивление скручиванию и опрокидыванию, необходимый запас метала на износ в зоне контакта с бандажами колес. Высокая же­сткость двутавровой формы рельсов способствует уменьшению сопро­тивления движению и затрат энергоресурсов на тягу поездов.

Стандартный профиль рельсов желез­ных дорог России показан на рис. 9. Ос­новные характеристики профилей наи­более распространенных типов рельсов приведены в таблица 4; в обозначении типа рельсов буква Р означает «рельс», а цифра — округленную массу 1-го погон­ного метра рельса в кг.

Рис.9. Стандартный профиль рельса типа Р65: 1 – головка рельса; 2 – шейка; 3 – подошва.

Основным типом рельсов на железных дорогах нашей страны являются рельсы Р65, уложенные в рельсовую колею, дли­на которой составляет 87,7 % от общей протяженности дорог; рельсы Р75 — 2,9 %; Р50 — 8,8 %; Р43 и легче — 2,4 %. Для срав­нения, на железных дорогах США 1-го класса применяют более тяжелые типы рельсов, которые им'еют массу погонно­го метра 65,63—69,40 кг/м, а на ряде ли­ний — 76,9 кг/м, при допускаемой на­грузке от колесной пары на рельсы 2П= 300—320 кН. На железных дорогах За­падной Европы в основном применяют рельсы с массой погонного метра 60,34 кг/м при 2П = 225-250 кН.

Поверхность катания средней части головки рельса (см. рис.9.) цилиндрическая, имеющая радиус 500 мм. Ближе к краям головки рельса эта поверхность плавно переходит к поверхностям меньшего радиуса, равного 80 мм, а для сопряжения головки рельса с боковыми гранями применяют радиус 15 мм.

Таблица 4.

Основные характеристики рельсов, применяемых на железных дорогах

России

Тип рельса	Масса, кг/м	Размеры, мм
		Рельс		Головка		Шейка			Подошва
		Н	В	hг	bг		Н	В	hг
Р75	74.41	192	150	55.3	75.08		192	150	55.3
Р65	64.72	180	150	45.0	75.08		180	150	45.0
Р50	51.67	152	132	42.0	72.0		152	132	42.0

Такая форма головки рельса с выпуклым криволинейным очертанием обеспечивает уменьшение размеров контакт­ной площадки при

16

взаимодействии колес локомотивов и вагонов с рель­сами. При этом обеспечивается уменьшение сопротивления движению поездов по рельсовой колее.

Боковые грани головок стандартных профилей рельсов делают на­клонными, величина 1 :к принята равной 1:20. Нижние грани головки рельса и верхние грани подошвы служат опорными поверхностями для накладок, их выполняют наклонными 1:т = 1:4 (см. рис. 8.6).

Для уменьшения концентрации напряжений в рельсе сопряжения голов­ки и подошвы с шейкой делаются плавными с определенными радиусами.

В настоящее время отечественная промышленность серийно выпус­кает рельсы стандартной длины 25 м. Тем не менее в эксплуатации все еще находится значительное количество рельсов длиной 12,5 м. Необ­ходимо отметить, что применение рельсов длиной 25 м позволяет су­щественно экономить металл за счет уменьшения числа стыков и сты­ковых скреплений, снизить основное сопротивление движению под­вижному составу и уменьшить расходы по текущему содержанию пути. По оценке специалистов замена рельсов типа Р65 длиной 12,5 м на стан­дартные 25-метровые позволяет экономить 3,9 т металла на каждый километр пути.

Рельсы стандартной (25 м) длины около концов имеют по три отвер­стия. После укладки в путь рельсы стыкуются с помощью специальных стыковых накладок, которые охватывают смежные рельсы с двух сто­рон и соединяются с рельсами и между собой стыковыми болтами.

Для укладки на внутренних нитях кривых участков пути изготавли­вают укороченные рельсы длиной 24,92 и 24,84 м, а при укладке стре­лочных переводов используют рельсы длиной 12,5 м и укороченные рельсы (12,46; 12,42 и 12,38 м).

Рельсы изготавливают прокатом из специальной рельсовой стали марки М76 или М754, которую получают в мартеновских или конверт­ных печах. Рельсовые стали являются высокоуглеродистыми и обычно со­держат (в %): углерода 0,71—0,82; марганца 0,75—1,05; кремния 0,18—0,4; мышьяка — не более 0,15. Содержание вредных примесей фосфора и серы в стали не должно превышать 0,035 и 0,045 % соответственно. До­бавки в химический состав железа углерода, марганца, кремния и мы­шьяка повышают твердость и износостойкость рельсовой стали, обеспечивая при этом ее достаточною вязкость. Так, например, добав­ление мышьяка повышает ударную вязкость рельсовой стали.

Термоупрочнение рельсов выполняется либо по всей длине (объем­ное упрочнение) путем нагрева до 800 °С и отпуска в масле, или толь­ко головки рельса нагревом током высокой частоты. Твердость по Брин- нелю поверхности катания головки рельса составляет НВ 341—388. Готовые рельсы на заводах проходят специальные испытания и дефек­тоскопический неразрушаюший контроль, по результатам которых их разделяют на сорта и группы с соответственной маркировкой. На шей­ке нового рельса через 2,5—3

17

м наносится следующая маркировка: марка завода-изготовителя, год и месяц изготовления, тип рельса и другие данные.

Основной показатель работы рельсов в пути — срок службы. Для каждого типа рельсов установлены предельные нормы грузоборота (млн т), который может быть провезен по участку до первой сплошной смены рельсов: для рельсов типов Р65 и Р75 — 500 млн т, для рельсов типа Р50 — 350 млн т. После истечения срока службы рельсы снимают, про­водят дефектоскопический неразрушающий контроль и ремонтируют, а затем вновь укладывают в путь, но на менее напряженные линии. На скоростных магистралях применяют только новые рельсы.

Повышение сроков службы рельсов достигается применением бес­стыкового пути (с длиной плетей до 800 м); повышением качества рель­совой стали, ее термоупрочнением и легированием, совершенствова­нием поперечных профилей, шлифовкой поверхности катания и смаз­кой боковой рабочей грани головки рельсов в кривых, повышением качества текущего содержания рельсов и пути в целом.

Основным элементом верхнего строения бесстыкового пути являются рельсовые плети длиной 250—800 м, между которыми уложены 3—4 урав­нительных рельса длиной (каждый) 12,5 м, предназначенные для возмож­ного линейного изменения длины плетей под воздействием температуры.

Рельсовые плети бесстыкового пути изготавливают на рельсосвароч­ных предприятиях электроконтактной сваркой из новых термоупроч­ненных рельсов типа Р65 стандартной длины (25 м) без болтовых отвер­стий. Сварные стыки на плетях отмечаются двумя вертикальными по­лосами, нанесенными на расстоянии 100 мм краской внутри колеи и расположенными симметрично относительно оси стыка.

Для создания рельсовых плетей проектной длины, например равной длине блок-участка, плети длиной до 800 м вывозят на специальных поездах от места изготовления на перегон и сваривают в пути путевой рельсосварочной машиной (ПРСМ).

Следует отметить, что в последние годы на сети железных дорог стра­ны стали внедрять бесстыковой путь, не имеющий уравнительных рель­сов. В этом случае сварные рельсовые плети, равные длине блок-участ­ка (2,5—3 км), соединяются между собой мощными электроизолирую­щими стыковыми накладками.

Применение бесстыкового пути позволяет снизить основное сопро­тивление движению поездов (до 15 %) и, соответственно, расходы энер­горесурсов на тягу поездов, сократить объемы ремонтных работ по выправке пути, повысить срок службы верхнего строения пути и ком­фортабельность езды пассажиров поездов и др. Особенно эффективно применение бесстыкового пути на расчетных подъемах, что позволяет увеличить весовые нормы грузовых поездов на участке.

Рельсовые скрепления предназначены для соединения рельсов между собой прикрепления рельсов к подрельсовому основанию. Как эле­мент

18

верхнего строения пути рельсовые скрепления участвуют в вос­приятии нагрузок от локомотивов и вагонов на железнодорожный путь.

Все рельсовые скрепления подразделяются на стыковые, служащие для соединения рельсов между собой вдоль пути, и промежуточные — для прикрепления рельсов к шпалам, рамам, плитам и т.п.

Стыковые скрепления выполняются в виде плоских накладок, соеди­няющих рельсы при помощи болтов. При укладке в путь между рельса­ми оставляют зазоры (стыки) для возможности линейного изменения дайны рельсов под воздействием температуры. Таким образом, стыком называют место соединения рельсов.

Стыки рельсов могут размещаться на одной шпале, сдвоенных шпалах и на весу. Наилучшим является стык на весу, так как в этом случае обеспечивается большая упругость пути и, соответственно, меньшее динамическое воздействие пути на проходящий по нему подвижной состав.

Стыковые плоские накладки, которые соединяют рельсы между со­бой на прямом пути, должны быть достаточно длинными, чтобы умень­шить излом упругой линии, возникающий в стыке, и, как следствие — ударно-динамическое воздействие колес подвижного состава на путь и пути на узлы локомотивов и вагонов. Применение длинных стыковых накладок в кривых участках пути также позволяет обеспечить нужную плавность изгиба рельсовых нитей без образования заметных углов в стыках рельсов. В последнее время стыковые накладки для рельсов Р65 и Р75 изготавливают длиной 1000 и 800 мм.

В настоящее время для устройства пути применяют в основном так называемые двухголовые стыковые накладки с четырьмя болтовыми отверстиями (рис. 10, а) для рельсов Р75 и Р65 и с шестью — для рель­сов Р50 (рис. 10, б). Стыковые накладки перекрывают стык с обеих сто­рон рельса и стягиваются болтами с круглой головкой и с овальным подголовником. Последний при завинчивании гайки предупреждает проворот болта. Для размещения подголовков болтов в стыковых на­кладках отверстия овальной и круглой формы чередуются. Болты встав­ляются в отверстия накладок и рельсов поочередно головками наружу или внутрь колеи. Под гайки устанавливают пружинные шайбы, кото­рые предотвращают ослабление затяжки болтов в процессе эксплуата­ции. На рис. 11. показана конструкция рельсового стыка. Все элементы стыковых скреплений должны обладать высокой прочностью; особые требования предъявляют к двухголовым накладкам, которые изготав­ливают из высокопрочной мартеновской стали с содержанием углерода 0,45—0,62 % и подвергают закалке.

19

Рис.10. Двухголовая четырехдырная (а) накладка к рельсам Р65 и Р75 и шестидырная (б) к рельсам Р50

В результате достигается твердость двухголовых накладок по Бринелю в пределах 255—388 НВ. Такое по­вышенное внимание к деталям стыковых скреплений обусловлено тем, что стык — самое напряженное место рельсовой колеи,

Рис.11. Конструкция рельсового стыка: 1 – рельс; 2 – накладка; 3 – шпала; 4 – болты; 5 – балласт; 6 – промежуточные рельсовые скрепления.

работающее под воздействием ударно-динамических и механических нагрузок от колес проходящего по нему подвижного состава.

На участках железных дорог, оборудованных автоблокировкой, атак- же на электрифицированных линиях рельсы являются токопроводящими. Для создания рельсовой электрической цепи соседние рельсы через стык соединяют с помощью рельсовых соединителей.

20

В качестве рельсовых соединителей для прохождения сигнального тока на линиях с автоблокировкой применяют оцинкованную прово­локу диаметром 5 мм, которая с помощью специальных штепселей со­единяет в цепь рельсовую нить. В ряде случаев в качестве рельсовых соединителей применяют короткие соединители в виде стального троса, которые привариваются к головкам соседних рельсов одной нитки. На электрифицированных линиях для пропуска обратного тока по сты­кам рельсов ставят соединители из медного провода, концы которого приваривают к рельсам.

Для изолирования рельсовых электрических цепей соседних блок- участков на линиях с автоблокировкой на границах блок-участков при­меняют еще одну разновидность стыковых скреплений рельсов — элект­роизолирующий стык. Известны два принципиально различающихся типа таких стыков: металлические разборные и клееболтовые. В стыках пер­вого типа изоляцию обеспечивают прокладками и втулками из диэлект­рических материалов (фибры, текстолита, полиэтилена и других матери­алов) либо ставится прокладка из трикона, имеющая очертание рельса.

В клееболтовых стыках металлические накладки, изолирующие про­кладки из стеклоткани и болты с изолирующими втулками склеивают эпоксидным клеем с концами рельсов в монолитную конструкцию. Этот тип электроизолирующего стыка в последние годы получает все боль­шее распространение на сети железных дорог России.

Промежуточные рельсовые скрепления обеспечивают надежную и уп­ругую связь с подрельсовым основанием, не допуская продольного сме­щения и опрокидывания рельсов, позволяют сохранять постоянство ширины колеи и обеспечивают надежное прижатие рельсов к основа­нию. На участках с автоблокировкой, обслуживаемых электрической тягой, эти скрепления также должны обеспечивать надежную электри­ческую изоляцию рельсов и железобетонных шпал друг от друга.

Различают три вида промежуточных скреплений: раздельные, нераз­дельные и смешанные.

При раздельном скреплении подкладки, имеющие уклон верхней поверхности 1:20 внутрь колеи, самостоятельно крепятся к шпалам с помощью болтов или шурупов, а рельс уже к подкладкам — жесткими или упругими клеммами и клеммными болтами. Для дере­вянных шпал применяют раздельные скрепления типа Д2 и Д4, для же­лезобетонных — типа КБ.

При нераздельном скреплении рельс и его подкладки при­крепляются к шпале одними и теми же костылями или шурупами. Раз­личают нераздельное костыльное скрепление с подкладками, имеющи­ми три костыльных отверстия, для деревянных шпал и тип ЖБ — для железобетонных шпал. Такой вид скрепления применятся в основном при рельсах легких типов.

Смешанные скрепления на деревянных шпалах являются наиболее распространенной конструкцией промежуточных рельсовых

21

скреплений на сети железных дорог нашей страны. В отличие от нераз­дельного скрепления при данном виде скрепления подкладки крепятся к шпалам дополнительными костылями.

Одной из самых распространенных конструкций промежуточных смешанных скреплений для деревянных шпал на отечественных желез­ных дорогах является к о с т ы л ь н о е соединение типа ДО.

Н а рис.12. показана конструкция смешанного костыльного рель­сового скрепления типа ДО. Подкладки 2 скрепления ДО имеют пять костыльных отверстий. Применяемые для скрепления ДО костыли подразделяются на основные 4 и обшивочные 5.

Рис.12. Промежуточное смешанное скрепление типа ДО для деревянных шпал: 1 – рельс; 2 – стыковая подкладка; 3 – шпала; 4 – основные костыли; 5 – обшивочные костыли

Тремя основными ко­стылями 4 (из них два с внутренний стороны) рельс 1 вместе с под­кладкой пришивается к шпале, а двумя обшивочными костылями подкладка 2 дополнительно крепит­ся к шпале 3. Основные косты­ли 4 предназначены для обеспе­чения максимально возможно­го прижатия подошвы рельса 1 к подкладке и шпале. Они так­же удерживают рельс от боково­го сдвига (поддерживают посто­янство ширины колеи) и пре­пятствуют его опрокидыванию.

Обшивочные костыли 5 прижи­мают подкладку к шпале, пре­пятствуют сдвигу подкладки и уменьшают возможную вибра­цию верхнего строения пути под воздействием проходящих поездов. Для уменьшения интенсивности износа шпал в эксплуатации между шпалой и подкладкой устанавлива­ют резиновую прокладку. Длина обычных костылей составляет 165 мм, а масса одного костыля — 0,378г.

Преимуществами смешанного скрепления являются: простота кон­струкции, небольшая масса, сравнительная легкость зашивки, перешив­ки и разборки пути. Основные недостатки — возможность угона пути и недостаточная упругость рельсо-шпальной решетки.

На отечественных железных дорогах также используется раздельное скрепление типа КД с двумя клеммными болтами, которые прижима­ют рельс к подкладке, а подкладка к шпале крепится четырьмя шурупа­ми. Такое скрепление позволяет обходиться без применения противо- угонов и обеспечивает более равномерное прижатие рельса к подклад­ке. Основным недостатком его является быстрое ослабление затяжки клеммных болтов, что требует осуществлять постоянное наблюдение в эксплуатации и

22

подтягивание болтов. При этом также заметно увели­чено число деталей скрепления.

На участках с железобетонными шпалами в основном применяют промежуточные скрепления типа КБ и типовые так называемые бес­подкладочные скрепления типа ЖБ.

Противоугоны. Под действием касательной силы тяги, создаваемой колесами локомотивов при взаимодействии с рельсами и продольных сил поезда, может произойти продольное смещение рельсо-шпальной решетки по балласту или рельсов по шпалам, называемое угоном пути. Угон пути происходит в сторону дви­жения поездов. В результате угона на звеньевом пути изменяются размеры стыковых зазоров: в одних местах за­зоры увеличиваются, в других — мо­гут исчезнуть совсем. При понижении температуры окружающего воздуха в местах с увеличенными зазорами мо­жет произойти срезка стыковых болтов, разрыв стыков и нарушение целостности рельсовой колеи.

Для предотвращения угона пути на подошве рельса закрепляют про- тивоугоны, которые нижней частью упираются в боковую поверхность шпал и удерживают их от перемещений. Из различных конструкций противоугонов наиболее простыми и эффективными в эксплуатации являются пружинные противоугоны (рис.13.), которые состоят из од­ной детали и воспринимают продольные силы не менее 8 кН даже пос­ле пятикратной их перестановки. Масса пружинного противоугона для рельсов типа Р65 и Р75 составляет 1,28 кг, а для рельсов Р50 — 1,15 кг.

Рис.13. Пружинный противоугон для рельсов типа Р65