Назначение рельсов и требования, предъявляемые к ним

Основной несущий элемент верхнего строения пути – рельсы. Они представляют собой стальные брусья специальных сечений, по которым движется подвижной состав. Стандартными и общепринятыми рельсами на всех дорогах мира являются рельсы широкоподошвенные.

Широкоподошвенный рельс состоит из трех основных частей:

- головки;

- подошвы;

- шейки, соединяющей головку с подошвой.

Рельсы являются главнейшим элементом верхнего строения пути. Они предназначены:

- непосредственно воспринимать давления от колес подвижного состава и передавать эти давления нижележащим элементам верхнего строения пути;

- направлять колеса подвижного состава при их движении;

- на участках с автоблокировкой служить проводником сигнального тока, а при электротяге – обратного силового тока. Поэтому рельсовые нити должны обладать необходимой электропроводимостью.

Основные требования к рельсам состоят в том, что они должны быть устойчивыми и прочными; обладать наибольшим сроком службы; обеспечивать безопасность движения поездов; быть удобными и недорогими в эксплуатации и изготовлении.

Рисунок 2 – Широкоподошвенный рельс

Таким образом, требования и условия, которым должны удовлетворять рельсы, являются исключительно важными, необходимыми и вместе с тем противоречивыми. Все это чрезвычайно усложняет решение рельсовой проблемы вообще. Ее решение представляет собой одну из важнейших задач транспортной науки и техники.

Профиль рельсов

Служебные свойства рельсов в основном характеризуются их массой, отнесенной к 1 м длины, профилем поперечного сечения и механическими характеристиками металла, из которого они изготовлены. Чтобы увеличить сопротивление вертикальным силам, рельсу придают форму двутавровой балки, верхняя полка которой (головка рельса) приспособлена для контактирования с колесами подвижного состава, а нижняя (подошва рельса) – для закрепления на опорах. Вертикальная стенка, соединяющая головку и подошву, называется шейкой.

Рисунок 3 – Основные части рельсов

Профиль рельсов обусловлен взаимодействием его с колесами подвижного состава и конструктивным оформлением элементов верхнего строения пути.

Поверхность катания головки всегда делают выпуклой, чтобы обеспечить наиболее благоприятную передачу давления от колес. Для рельсов типов Р75, Р65 и Р50 больший радиус R ₁ этой поверхности принят равным 300 мм. К граням кривизна изменяется до радиуса R ₂, равного 80 мм. В рельсах типа Р43 поверхность катания головки рельса очерчена одним радиусом R ₁.

Рисунок 4 – Современный широкоподошвенный рельс

Поверхность катания сопрягается с боковыми гранями головки по кривой радиусом r ₁, по величине близким к радиусу выкружки бандажа. В рельсах типов Р75, Р65 и Р50 r ₁ равен 15 мм.

Рисунок 5 – Стандартные профили рельсов: а – типа Р75; б – Р65; в – Р50

Шпалы (рельсовые опоры) служат для:

- восприятия давления от рельсов и передачи его балластному слою;

- упругой переработки динамических воздействий на путь;

- обеспечения постоянства ширины колеи и совместно с балластом устойчивости рельсошпальной решетки в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

В соответствии с этим шпалы должны обладать достаточной прочностью, упругостью, хорошо сопротивляться механическому износу и перемещениям, быть простыми по форме, иметь наибольший срок службы и наименьшую стоимость при изготовлении и содержании.

Шпалы (в зависимости от материала) бывают деревянные, железобетонные и металлические.

Деревянные шпалы

Деревянные шпалы преобладают на железных дорогах мира, так как они с технической точки зрения в наибольшей степени отвечают требованиям, предъявляемым к подрельсовому основанию.

Главные достоинства деревянных шпал – хорошая упругость, простота изготовления и эксплуатации (транспортировки, подбивки, смены), большое электрическое сопротивление.

Недостатки деревянных шпал – малый срок службы при высокой грузонапряженности, большая потребность в деловой древесине, необходимой для разнообразнейших нужд народного хозяйства.

С 1 января 1966 г. на дорогах России укладывают деревянные шпалы (рис. 1) двух видов:

• обрезные (А), у которых пропилены все четыре стороны;
• необрезные (Б), у которых пропилены две противоположные стороны – постели.

Деревянные шпалы делятся на три типа:

• I – для главных путей;
• II – для станционных и подъездных (железнодорожных путей необщего пользования);
• III – для малодеятельных путей необщего пользования промышленных предприятий.

Рисунок 6 – Типы деревянных шпал (поперечные сечения)

Шпалы изготовляют из сосны, ели, пихты, кедра, бука и березы. Длина шпал 2,75 м. Для особо грузонапряженных участков поставляют шпалы длиной 2,8 м, а для участков с совмещенными путями различной ширины колеи – 3,0 м.

Деревянные шпалы заменяют из-за гниения и механического износа.

Среди всех мероприятий по продлению срока службы деревянных шпал особое место занимает пропитка их антисептиками, которые убивают разрушающие древесину грибки и не допускают их развития. Лучший антисептик – каменноугольное креозотовое масло. Это – чистый отгон каменноугольной смолы без посторонних примесей. Его получают на коксохимических заводах перегонкой смолы при температуре 200–400 °С. Этот антисептик не выщелачивается, не влияет вредно на металл и не повышает электропроводность шпал. Обычно его применяют в смеси с мазутом (40–50% каменноугольного креозотового масла и 60– 50% мазута).

Железобетонные шпалы имеют следующие преимущества: они сберегают древесину; не гниют; выдерживают большие сжимающие напряжения, чем деревянные; обладают большей сопротивляемостью перемещениям; имеют больший срок службы. Вместе с тем к недостаткам следует отнести большую жесткость по сравнению с деревянными, что требует применения упругих прокладок. Железобетонные шпалы обладают большей электропроводностью и нуждаются в использовании изолирующих элементов; повышенная хрупкость требует соблюдать осторожность при перевозках и подбивке, а большая масса создает неудобства в работе с ними.

В процессе эксплуатации пути с железобетонными шпалами сильно изнашиваются рельсовые скрепления. Это побуждает заменять рельсошпальную решетку, укладывая старогодную на менее деятельные линии, а затем – на станционные и пути необщего пользования. Такая система многократной перекладки путевой решетки с железобетонными шпалами позволит обеспечить срок их службы значительно больше 50 лет.

Техническая политика предполагает дальнейшее увеличение полигона путей с железобетонными шпалами. В ближайшей перспективе намечено увеличить его до 64– 65 тыс. км.

Металлические шпалы наиболее распространены в ФРГ, ГДР и Индии. Используются шпалы корытообразной формы (рис. 4). Масса нестыковой шпалы 50–80 кг, а стыковой 115–145 кг. Сейчас такие шпалы не укладывают.

Рисунок 7– Металлические шпалы дорог ГДР: а – нестыковая; б - стыковая

Незначительное количество металлических шпал имеется также на дорогах и других стран, в частности Франции.

Балластный слой – это слой сыпучих материалов (щебня, отходов асбестового производства, гравия, крупно- и среднезернистого песка, ракушки) в виде трапеции на основной площадке земляного полотна. На балластный слой укладывают рельсовые опоры (шпалы, брусья, иногда – железобетонные рамы) и балласт под ними уплотняют подбивочными машинами или электрическими шпалоподбойками.

Назначение балластного слоя:

- оказывать необходимое сопротивление вертикальным, боковым и продольным смещениям рельсошпальной решетки;

- равномерно распределять воспринимаемое от рельсовых опор давление на большую поверхность земляного полотна, амортизируя при этом ударные и вибрационные воздействия проходящего подвижного состава;

- отводить от пути поверхностную воду и не допускать увлажнения подшпального основания капиллярной влагой из грунтов земляного полотна;

- допускать выправку положения рельсошпальной решетки в плане и профиле.