Железнодорожный путь (рисунок 2.10) – это комплекс инженерных сооружений, предназначенный для пропуска по нему поездов с установленной скоростью.
К путевому хозяйству железнодорожного транспорта относятся собственно путь со всеми его сооружениями и устройствами, а также комплекс производственных подразделений и хозяйственных предприятий, предназначенных для обеспечения бесперебойной работы железнодорожного пути и проведения его планово-предупредительных ремонтов.
Удельный вес путевого хозяйства в системе железнодорожного транспорта характеризуется тем, что на его долю приходится более 50 % всех основных средств железных дорог и свыше 20 % общей численности работников.
|
Железнодорожный путь состоит из земляного полотна строго определенных размеров в виде насыпи или выемки, на верхнюю поверхность которого помещается балластная призма из щебня, гравия или песка. На нее по определенной эпюре укладываются железобетонные, деревянные или металлические шпалы, затем к ним с помощью особых скреплений прикрепляются стальные рельсы. При проектировании и строительстве железнодорожный путь стремятся сделать прямым и горизонтальным, а при невозможности этого – без крутых уклонов в профиле и закруглений в плане. Чем круче уклон пути и чем меньше радиусы кривых, тем больше сопротивление движению.
В разных странах мира железные доро-
ги имеют разную ширину колеи. Железные
дороги СНГ и Финляндии имеют ширину колеи, исчисляемую между внутренними гранями головок рельсов, равную 1520 мм. На острове Сахалин ширина колеи в основном составляет 1067 мм. Европейские страны (за исключением Испании и Португалии), а также Канада и США имеют колею 1435 мм. В большинстве стран Южной Америки, в Индии, Испании и Португалии ширина колеи равна 1600, 1667 и 1676 мм. Некоторые страны имеют более узкую колею (до 750 мм). В Японии основная колея -–1067 мм, новые скоростные магистрали – 1435 мм.
Железнодорожный путь состоит из нижнего и верхнего строений.
Н и ж н е е с т р о е н и е п у т и включает земляное полотно (насыпь, выемка, полунасыпь, полувыемка) и искусственные сооружения (мосты, тоннели, трубы, подпорные стены и др.).
К в е р х н е м у с т р о е н и ю пути относятся балластный слой, шпалы, рельсы, крепления, противоугоны, стрелочные переводы, мостовые и переводные брусья. Мощность верхнего строения пути характеризуется типом рельсов, качеством балласта и толщиной балластного слоя, типом шпал и их количеством на 1 км.
Земляным полотном называется сооружение, служащее основанием для верхнего строения пути. Оно представляет собой комплекс грунтовых сооружений, получаемых в результате обработки земной поверхности и предназначенных для укладки верхнего строения, обеспечения устойчивости пути и защиты его от воздействия атмосферных и грунтовых вод.
И с к у с с т в е н н ы е с о о р у ж е н и я устраиваются при пересечении железнодорожными линиями рек, каналов, дорог и других препятствий. К ним относятся мосты, путепроводы, виадуки, эстакады, тоннели, галереи, трубы и другие сооружения.
Мост (рисунок 2.11) – искусственное сооружение, устраиваемое над водным пространством. Мост состоит из пролетных строений, являющихся основанием для пути, и опор, поддерживающих пролетные строения. Береговые опоры моста называются устоями, промежуточные – быками. Опорами мост разделяется на пролеты.
Мосты бывают:
· 
по числу пролетов – одно-, двух-, трехпролетные и т. д.;
Рисунок 2.11 – Мосты с ездой: а – поверху; б – понизу; в – посередине
· по конструкции пролетного строения – с ездой понизу, с ездой поверху, с ездой посередине;
· по числу главных путей – одно-, двух- и многопутные;
· по материалу – каменные, металлические, железобетонные, деревянные;
· по длине – малые – до 25 м, средние – от 25 до 100 м, большие – от 100 до 500 м и внеклассные – более 500 м.
Около 70 % мостов – металлические, срок их службы составляет 80 и более лет.
Путепроводы строят в местах пересечения железных и автомобильных дорог или двух железнодорожных линий (рисунок 2.12).
Виадуки сооружают вместо высокой обычной насыпи при пересечении железной дорогой глубоких оврагов, ущелий
(рисунок 2.13).
|
Тоннели служат для прокладки пути под землей (рисунок 2.15). По месту расположения они бывают горные, подводные и городские (метрополитены).
Галереи строят в горах в местах возможных обвалов (рисунок 2.16).
|
Трубы устраивают при пересечении железной дорогой небольших водотоков или суходолов (рисунок 2.17).
Т р а с с а ж е л е з н о д о р о ж н о й
л и н и и характеризует положение в пространстве продольной оси пути на уровне бровок земляного полотна.
|
|
П л а н ж е л е з н о д о р о ж н о г о п у т и (линии) – это проекция трассы на горизонтальную плоскость, состоит из прямых и кривых участков (рисунок 2.18). Кривые малого радиуса (500 м и менее) вызывают
снижение скорости движения, повышенный боковой износ рельсов и колес подвижного состава, удлинение линии, повышают сопротивление движению и ухудшают видимость машинистам. Для обеспечения плавного вписывания подвижного состава в круговые кривые они сопрягаются с прямыми участками пути с помощью переходных кривых, радиус которых постепенно уменьшается от ¥ до радиуса круговой кривой R.
П р о д о л ь н ы й п р о ф и л ь п у т и –
это развертка трассы на вертикальную плоскость (рисунок 2.19). Состоит
из горизонтальных и наклонных участков.
Уклон пути – подъем и спуск. Крутизна наклона элементов профиля характеризуется их уклоном, которым называется отношение разности высот точек по концам элемента к горизонтальному расстоянию между ними. Уклон пути обозначается числом тысячных долей со знаком о/оо. В зависимости от направления движения поезда каждый наклонный элемент профиля (уклон) будет или подъемом, или спуском.
|
Руководящий уклон – наибольший подъем на участке, по величине которого устанавливается масса поезда.
Продольный профиль характеризуется крутизной уклонов элементов и их длиной.
|
 |
Аš š Б
Рисунок 2.18 – План железнодорожной линии
Основным методом определения рационального решения при проектировании железных дорог является разработка нескольких конкурентоспособных вариантов и выбор наилучшего из них в результате технико-экономических сравнений.
В простейшем случае сравнение только двух вариантов с одноэтапными капиталовложениями может производиться по сроку окупаемости:
Т ок = (К 2 – К 1 ) / (Э 1 – Э 2 ), (2.1)
где К 1 и К 2 – капиталовложения по первому и второму вариантам; Э 1 и Э 2 – эксплуатационные расходы по первому и второму вариантам.
|
|
|
Вариант с большими капиталовложениями считается более выгодным, если Т ок меньше нормативного срока:
Т н = 1 / Е н ., (2.2)
где Е н – нормативный срок приведения капитальных вложений.
Разрез, перпендикулярный продольной оси пути, называется п о п е –
р е ч н ы м п р о ф и л е м з е м л я н о г о п о л о т н а. Различают типовые и индивидуальные поперечные профили земляного полотна. Типовые профили в свою очередь делятся на нормальные и специальные. Нормальные профили применяются при сооружении земляного полотна на надежном основании из обычных грунтов. Специальные профили используются в специфических условиях: вечная мерзлота, подвижные пески, скальные грунты, болота и т. п. Индивидуальные профили применяются в сложных топографических, геологических и климатических условиях и при высоте откосов более 12 м. При этом все размеры обосновываются конкретными расчетами. Отвод поверхностных вод от насыпей, возводимых из привозного грунта, осуществляется продольными водоотводными канавами шириной по дну и глубиной не менее 0,6 м, которые при поперечном уклоне местности до 0,04 устраиваются с обеих сторон, а при большем уклоне – только с нагорной (верхней) стороны.
Если насыпь возводится из местного грунта, взятого рядом с насыпью, то для отвода воды от полотна используются образовавшиеся при этом спланированные углубления, называемые резервами. Дну резервов и водоотводных канав придают продольный уклон не менее 2 о/оо. Полоса земли от подошвы откоса до водоотводной канавы или резерва называется бермой. Со стороны будущего второго пути на однопутных линиях ширина бермы должна быть не менее 7,1 м, а с противоположной стороны – не менее 3,0 м. Для отвода воды от насыпи берма имеет уклон, равный 0,02–0,04. Поперечный профиль насыпи приведен на рисунке 2.21.
Основная площадка выемки имеет те же размеры, что и при насыпи. С каждой стороны основной площадки земляного полотна в выемке для отвода воды устраиваются продольные канавы, называемые кюветами. Их глубина – не менее 0,6 м, ширина по дну – не менее 0,4 м и продольный уклон дна – не менее 0,002. Поперечный профиль выемки приведен на рисунке 2.22.
|
Основная площадка
|
|
Рисунок 2.21 – Поперечный профиль насыпи
Вынутый при сооружении выемки грунт, не используемый для сооружения насыпи в другом месте, укладывается за откосом выемки с нагорной стороны в правильные призмы, называемые кавальерами. Для перехвата и отвода притекающих к выемке поверхностных вод за кавальерами строятся нагорные канавы, а на полосе между кавальером и бровкой откоса выемки отсыпается банкет с поперечным уклоном 0,02–0,04 в сторону от откоса для отвода воды в забанкетную канаву. В неустойчивых грунтах, а также в стесненных условиях вместо водоотводных канав и кюветов устраиваются лотки (железобетонные, бетонные, каменные или деревянные).
Рисунок 2.22 – Поперечный профиль выемки
На однопутных линиях основная площадка земляного полотна имеет форму трапеции шириной поверху 2,3 м и высотой 0,15 м (рисунок 2.23, а), а на двухпутных линиях – форму равнобедренного треугольника высотой 0,2 м (рисунок 2.23, б). В скальных и дренирующих грунтах основная площадка земляного полотна горизонтальна.
Согласно ПТЭ ширина земляного полотна на существующих линиях должна быть не менее 5,5 м на однопутных линиях и 9,6 м – на двухпутных, а в скальных и дренирующих грунтах – не менее 5,0 м на однопутных и 9,1 м – на двухпутных линиях. Линия пересечения основной площадки с откосами называется бровкой земляного полотна, а откоса с основанием – подошвой откоса.
Горизонтальная проекция линии откоса (l) называется его заложением, а отношение высоты откоса (h) к заложению, которое обозначается 1: n, – крутизной откоса. Наибольшее распространение получили откосы крутизной 1:1,5, называемые полуторными.
   |
а) б)
Рисунок 2.23 – Устройство основной площадки на однопутной (а) и двухпутной (б) линиях
Верхнее строение пути воспринимает силовое воздействие колес подвижного состава, передает его на нижнее строение и направляет колеса вагонов и локомотивов при движении (рисунок 2.24).
  |
  | |||
 | |||
· ·
|
В е р х н е е с т р о е н и е состоит из рельсов, шпал, рельсовых скреплений, балластного слоя, противоугонов (рисунок 2.25), переводных и мостовых брусьев.
Рисунок 2.25 – Противоугоны: а – пружинный; б – самозаклинивающийся
Балластный слой служит для равномерной передачи давления от шпал на возможно большую поверхность основной площадки земляного полотна, чтобы не допустить его деформации. Для балласта применяется щебень, гравий, песок, шлак. Лучшим является щебень из твердых каменных пород размером от 0,25 до 0,70 м.
На верхнее строение действуют вертикальные и горизонтальные силы: в ертикальные силы – статические от воздействия веса, динамические – от воздействия неподрессоренных и подрессоренных частей при колебании подвижного состава; горизонтальные – боковые (толчки колес из-за виляния состава и от давления колес на наружные рельсы в кривых участках пути); п родольные – при торможении, от воздействия колес локомотивов на рельсы при тяге, температурные воздействия.
|
вого тока.
Рельсы имеют вид двутавровой балки и состоят из головки, шейки и подошвы. В зависимости от массы и поперечного профиля они подразделяются на типы Р43, Р50, Р65, Р75. Цифра показывает массу погонного метра рельса. Стандартная длина рельсов составляет 25 м. При устройстве бесстыкового пути используются сварные рельсовые плети длиной 800 и 1200 м.
Скрепления служат для прикрепления рельсов к шпалам и соединения концов рельсов между собой. Они подразделяются на промежуточные и стыковые.
Шпалы являются основным видом подрельсовых оснований и служат для восприятия давления от рельсов и передачи его на балластный слой. Кроме того, шпалы предназначены также для крепления к ним рельсов и обеспечения постоянства ширины колеи. Шпалы бывают деревянные (рисунок 2.27), железобетонные (рисунок 2.28) и реже металлические. Стандартная длина деревянной шпалы – 2750 мм. Шпалы в пределах рельсового звена размещают по эпюре (по определенной схеме).
В зависимости от типа верхнего строения на 1 км пути укладывается 1840, 1600 и 1440 шпал. На некоторых кривых, на крутых уклонах и в тоннелях – 2000 шпал на 1 км.
|
Достоинством деревянных шпал являются: легкость, упругость, простота изготовления, удобство крепления рельсов, высокое сопротивление токам рельсовых цепей, а недостатком – сравнительно небольшой срок службы
|
(15–18 лет), значительный расход деловой древесины (сосна, ель, пихта, лиственница).
Железобетонные шпалы массой 252 кг изготовляются из предварительно напряженного железобетона. Их достоинством являются: долговечность (40–50 лет), обеспечение высокой устойчивости пути и плавности движения поездов, а недостатком – большая масса, токопроводимость, высокая жесткость, сложность крепления рельсов к шпале.
Металлические шпалы не получили распространения из-за большого расхода металла, подверженности коррозии, электропроводимости, большой жесткости и неприятного шума при движении поездов.
Рельсы к шпалам крепят с помощью промежуточных скреплений, которые бывают трех основных видов: нераздельные, с мешанные и раздельные (рисунок 2.29). В настоящее время стали применять пружинное скрепление.
|
ми болтами, а подкладки к шпа-
лам – болтами или шурупами.
Соединение рельсовых звеньев между собой осуществляется с помощью стыковых скреплений, основными элементами которых являются на-
кладка, болты с гайками и пружинные шайбы (рисунок 2.30).
Устройство рельсовой колеи тесно связано с конструкцией и размерами колесных пар подвижного состава.
|
Колесная пара (рисунок 2.31) состоит из стальной оси, на которую наглухо посажены колеса, имеющие для предотвращения схода с рельсов направляющие гребни.
Поверхность катания колес в средней части имеет коничность 1/20, которая обеспечивает более равномерный износ.
|
счет клинчатых подкладок (дере- вянные шпалы).
В кривых участках пути производится уширение рельсовой колеи для лучшего прохода жестких баз (ж. б.) подвижного состава (рисунок 2.32).
 |
ж.б ж.б ж.б
О О ОО ОО ОООО ОООО
Рисунок 2.32 – Жесткие базы вагонов
Возвышение наружного рельса в кривых (h) в зависимости от радиуса (R) и скорости движения (v) производится от 0 до 150 мм. Величина возвышения определяется по формуле
. (2.3)
Для перехода подвижного состава с одного пути на другой служат уст-
ройства по соединению и пересечению путей, относящиеся к верхнему строению. К ним относятся с т р е л о ч н ы е п е р е в о д ы и с ъ е з д ы. Для пересечения путей используют г л у х и е п е р е с е ч е н и я.
Обыкновенные стрелочные переводы служат для соединения двух путей. Они бывают левосторонние и правосторонние (рисунок 2.33) и применяются при отклонении бокового пути от прямого в ту или иную сторону.
а) б)
a a 
|
в)
|
Рисунок 2.33 – Схемы стрелочных переводов в осях: а) правосторонний; б) левосторонний;
в) симметричный
Стрелочные переводы подразделяются на одиночные, двойные и перекрестные, одиночные переводы, в свою очередь, – на симметричные, несимметричные и обыкновенные, которых 98 %.
Стрелочный перевод (рисунок 2.34) состоит из собственно стрелки, крестовины с контррельсами и соединительных путей между ними.
   |
m a о b о q
о
a b
Рисунок 2.34 – Геометрические размеры стрелочного перевода
В зависимости от назначения в путь укладываются стрелочные переводы с марками крестовин 1/9, 1/11, 1/18, 1/22. При марке перевода 1/9 угол поворота составляет a = 6о 28'11". При проектировании и укладке соеди-
АБ – длина выступа рамных рельсов перед остряками (m);
БВ – длина остряков (l ос);
ГД – длина передней части крестовины (h);
S – ширина колеи;
0 – центр стрелочного перевода, т. е. точка пересечения осей путей;
Б0 – расстояние от начала остряков до центра перевода (а о);
0Д – расстояние от центра перевода до математического центра крестовины (b о);
БД – теоретическая длина перевода (L т);
АЕ – полная длина перевода (L п);
а – расстояние от центра стрелочного перевода до стыка рамного рельса;
b – расстояние от центра стрелочного перевода до корня крестовины.
Стрелка состоит из двух рамных рельсов, двух остряков, предназначенных для направления подвижного состава на прямой или боковой путь, и переводного механизма.
Остряки соединяются между собой поперечными стрелочными тягами, с помощью которых один из остряков плотно подводится к рамному рельсу, а другой отходит от другого рамного рельса на величину, необходимую для свободного прохода гребней колёс. Величина отхода этого остряка от оси первой тяги называется шагом остряка.
Перевод остряков из одного положения в другое осуществляется специальными приводами через одну из тяг, в пологих стрелочных переводах, остряки которых имеют значительную длину, – через две тяги. В приводе имеется устройство, запирающее остряки в том или ином положении и контролирующее их плотное прилегание к рамным рельсам. Тонкая часть остряка называется острием, а противоположный его конец – корнем. Корневое крепление обеспечивает поворот остряков в горизонтальной плоскости и соединение с примыкающими к ним рельсами.
Крестовина состоит из сердечника и двух усовиков. Она обеспечивает пересечение гребня колёс рельсовых головок, а контррельсы направляют гребни колёс в соответствующие желоба при проходе колесной пары по крестовине. Точка пересечения продолжения рабочих граней сердечника крестовины называется её математическим центром, а самое узкое место между усовиками – горлом крестовины. Угол a, образуемый рабочими гранями сердечника, называется углом крестовины.
Соединительная часть перевода, лежащая между стрелкой и крестовиной, состоит из прямого участка и переводной кривой. Радиус этой кривой зависит от угла крестовины: чем меньше угол, тем больше радиус. Переводы с меньшими углами крестовин допускают большие скорости движения поездов.
Перекрестный перевод позволяет переходить подвижному составу с одного пути на другой в обоих направлениях. Перевод имеет 8 остряков и четыре крестовины – две острые и две тупые.
Стрелочные переводы различаются типом рельсов, конструкцией остряков и значениями углов, образуемых в крестовинах пересекающимися рельсовыми нитями. Остряки могут быть прямолинейные и криволинейные. Криволинейные остряки облегчают вписывание подвижного состава в переводную кривую.
Отношение ширины сердечника крестовины в её корне (К) к длине сердечника (l) называется маркой крестовины: 1/ N = К / l = tga, где a – угол крестовины; N – целое число.
Полную длину перевода можно определить из выражения
L п = L т + m + q = а + b. (2.4)
Для удобства изображения и чтения схем и планов путей на чертеж наносят лишь оси путей и центры стрелочных переводов (см. рисунок 2.33).
Таким образом, обыкновенный стрелочный перевод в осях путей представляет собой изображение в виде двух линий, расходящихся от центра перевода под углом крестовины a. Для вычерчивания стрелочных переводов в осях путей необходимо знать угол a и расстояние А0 = а от начала рамных рельсов до центра перевода и 0Е = b от центра перевода до корня крестовины.
Для нанесения на чертёж стрелочного перевода от центра перевода по оси прямого пути откладывают в принятом масштабе число единиц, соответствующее значению марки крестовины, а в конце этого размера перпендикулярно оси пути откладывают единицу (числитель марки крестовины) в том же масштабе; после этого полученную точку соединяют с центром перевода.
Для сокращения длины путей, занимаемой стрелочными соединениями, удобства обслуживания стрелок их необходимо располагать компактно.
Возможные схемы взаимного расположения стрелочных переводов приведены на рисунке 2.35. Там же даны формулы для расчета расстояний между центрами стрелочных переводов l. Прямая вставка f между переводами по схемам 1, 2 и 3 в зависимости от скорости движения, назначения пути и наличия места составляет от 4,5 до 25 м. По схемам 4 и 5 вставка определяется в зависимости от ширины междупутья е.
Схема 1 Схема 3
1 2
l
l
l = a 1 + f + a 2
l = a 1 + f + b 2
Схема 2 Схема 4
1 2 е
l l
l = a 1 + f + a 2 l = e / sin a1,
f = e / sin a1 - b 1 - a 2.
Схема 5
l = e / sin a1, f = e / sin a1- b 1- b 2.
Рисунок 2.35 – Взаимное расположение стрелочных переводов
Кроме обыкновенных стрелочных переводов другим устройством для соединения путей являются с ъ е з д ы. В зависимости от расположения соединяемых путей съезды бывают обыкновенные, перекрестные и сокращенные (рисунок 2.36).
Обыкновенный съезд состоит из двух одиночных стрелочных переводов и соединительного пути, укладываемого между корнями крестовин.
Перекрестный съезд, или двойной, переставляет собой пересечение двух одиночных съездов. Он имеет четыре стрелочных перевода и глухое пересечение, помещаемое между корнями крестовин. Такие съезды укладываются в стесненных условиях, когда для последовательного расположения двух одиночных съездов нет участка достаточной длины.
Сокращенные съезды применяют при соединении двух далеко отстоящих друг от друга путей для уменьшения общей длины соединения.
а) б)
в)
Глухое
пересечение
Рисунок 2.36 – Схемы съездов: а) обыкновенного, б) сокращенного, в) перекрестного
При устройстве перекрестных съездов, а также в местах, где пути пересекаются между собой без перевода подвижного состава с одного пути на другой, делают глухие пересечения.
Глухие пересечения могут быть под прямым или острым углом. На магистральных железных дорогах применяются глухие пересечения под острыми углами с крестовинами марок 2/9 и 2/11. Они состоят из четырех крестовин с контррельсами, из них две крестовины острие и две тупые. У прямоугольных пересечений все крестовины одинаковые.
С т р е л о ч н а я у л и ц а – путь, на котором последовательно расположены стрелочные переводы, ведущие на параллельные пути. Улица позволяет перемещать подвижной состав на любой из соединяемых путей. Стрелочные улицы объединяют группы путей одного назначения в парки. В зависимости от расположения по отношению к основному пути и угла наклона стрелочные улицы бывают разных видов (рисунок 2.37).
а) б)
Рисунок 2.37 – Расположение стрелочных переводов: а - на главном пути; б – на боковом пути
Для соединения путей в стесненных условиях, а также для уменьшения длины маневровых передвижений применяют сокращенные стрелочные
улицы; улицы под углом, больше угла крестовины и другие приемы.
Требования ПТЭ к стрелочным переводам изложены в пунктах 3.13–3.20.
Группы станционных путей, предназначенные для выполнения одних и тех же операций, называются п а р к о м. По своему назначению они делятся на парки приема поездов, парки отправления поездов, на сортировочные, технические и т. д.). По конфигурации парки бывают различных видов (рисунок 2.38).
 |
а) б) в)
Рисунок 2.38 – Конфигурации парков путей: а – трапеция; б – рыбка; в - параллелограмм
На станциях используются радиусы кривых 180; 200; 250; 300 м. Для плавности хода применяют переходные кривые с радиусом, изменяющимся от ¥ до радиуса круговой кривой.
У станционных путей различают п о л н у ю и п о л е з н у ю д л и н у. Полной называется длина пути, включающая и длину стрелочных переводов, ограничивающих данный путь. Полезной длиной считается часть станционного пути, в пределах которой может находиться подвижной состав, не нарушая безопасности движения по соседним путям.
Полезная длина приемо-отправочных путей стандартная и может быть 850; 1050; 1250; 1550; 1700; 2000 м. Она измеряется между выходным сигналом с пути и предельным столбиком.
Каждому пути и каждому стрелочному переводу присваивается номер. Главные пути нумеруются римскими цифрами (I, II, III и т. д.), а станционные – арабскими (1, 2, 3 и т. д.). Стрелочные переводы со стороны прибытия четных поездов нумеруются четными арабскими цифрами (2, 4, 6 и т. д.), а со стороны прибытия нечетных поездов – нечетными арабскими цифрами (1, 3, 5 и т. д.). Границей между четной и нечетной сторонами станции или парка путей при нумерации стрелочных переводов является ось пассажирского здания или ось парка, перпендикулярная путям.
П р е д е л ь н ы й с т о л б и к устанавливается от стрелочного перевода в сторону расходящихся путей в том месте, где расстояние между их осями составляет 4100 мм (рисунок 2.39).
 |
·
|
