Admin

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. XIX 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 нагружени-ем 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 продольных 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 Калягина. 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 быв. 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 быв. 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 быв. 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. XVIII 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. XIX 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:

• воспринимать изгибающий момент и поперечную силу в зоне рельсового стыка;

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

• 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 проходящего 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.