Верхнее строение пути (ВСП) — часть железнодорожного пути, предназначенная для:
В наше современное время наращивание мощностей по пассажирским и грузовым перевозкам при использовании железнодорожного транспорта является актуальном вопросом, что требует от правительства РФ и руководства РЖД оперативного решения новых поставленных задач. При реализации данного вопроса необходимо увеличивать скорость движения составов, повышать весовые характеристики формируемых составов, а также продолжать заниматься в больших размерах электрификацией железнодорожных путей. На сегодняшний день увеличивается объём работ, связанных с усилением железнодорожного полотна. Для этого производится укладка тяжёлых рельсов Р75 и Р65, применяются рельсовые основания из железобетона, создаются бесстыковые пути. Меняется непосредственно и рельсовая колея. Достигается всё это посредством уложения ряда круговых кривых, удлинения переходных кривых и увеличения возвышения наружной поверхности рельса.
Российские железные дороги эксплуатируют порядка двухсот тысяч стрелочных переводов, имеющих различные виды, каждый из которых является сложным и дорогостоящим элементом железнодорожных дорог. Обеспечение безопасности следования грузовых и пассажирских составов, бесперебойности перевозочного процесса и улучшения экономических показателей всего путевого хозяйства достигается надёжностью работы означенных узлов.
В последние время уделяется повышенное внимание к стрелочному хозяйству на российской железной дороге. Сейчас производится совершенствование технологий и конструкций стрелочных приводов. Под постоянным контролем находится текущее содержание и укладочных технологий.
Приоритетными направлениями стрелочного хозяйства являются: разработка новых условий в различных эксплуатационных условиях, обеспечение постоянного контроля, путём оценки их надёжности и прочности всех составляющих. Обязательно вести новую разработку по проектированию стрелочных приводов, их математической и теоретической базы.
При выборе строения железнодорожного пути, его конструктивной особенности и типа, должны обязательно учитываться и ложиться в основу технико-экономические и технические расчёты, с учётом эксплуатационного опыта, анализа, тщательного проектирования и научного исследования.
При строительстве железных дорог производится применение двух типов железнодорожных путей, которые имеют принципиальное различие. Так сооружается безбалластный или балластный слой. Сооружение слоя безбалластного типа применяется, в основном, при строительстве эстакад, больших тоннелей, и металлических мостов. Балластный слой пути предназначен для создания горизонтальной и вертикальной устойчивости и решёток для обеспечения эксплуатационного процесса, что позволяет обеспечивать равномерное распределение давления, возникающего на шпалах, которое отводят на земляное полотно большей площади. Данный тип слоя позволяет достичь быстрой отводки воды непосредственно со всей площади земляного полотна и балластной призмы. Это функция позволяет формировать оптимальную упругость в подрельсовом основании, особенно при применении железобетонных шпал.
Основные требования к балластному материалу заключаются в следующем: применяемые материалы должны обладать прочностью, упругостью и устойчивостью при атмосферных воздействиях и различных нагрузках, возникающих в эксплуатационный период. Данный материал не должен прорастать травяным покровом, размываться под воздействием дождя, пылить в момент прохождения составов, не должен распыляться при ветровой погоде. Идеальным дренирующим материалом для балластного слоя служит ракушечник, песок, гравий, щебень. Один из лучших материалов для создания подобного слоя служит щебень, созданный из гальки, валунов и естественного камня.
Однако чисто экономические соображения взяли верх и уже начиная с середины XVII века, железнодорожники того времени вернулись к деревянным шпалам, но уложенным перпендикулярно рельсам с определённым шагом. Такое решение не только значительно снизило стоимость строительства и эксплуатации железнодорожного пути, но и значительно повысило надёжность его эксплуатации, так как расстояние между рельсами довольно надёжно фиксировалось на деревянной шпале. При этом отпала необходимость закрепления рельсового пути к подстилающему грунту, а вопросы связанные с ремонтом того или иного участка значительно упрощался, что сокращало время вынужденного «простоя» железнодорожного пути. Так, что при таком решении, железнодорожный путь стал практически классикой железнодорожного транспорта, что подтверждается его неизменностью на протяжении вот уже третьего столетия.
На всех мировых железных дорогах применяются деревянные шпалы. Считается, что материал такой продукции отвечает всем техническим требованиям при создании подрельсового основания. Главным достоинством шпалы деревянной считается эксплуатационная и производственная простота. Отсутствуют проблемы в период замен, подбивок и при транспортировке таких изделий. Продукция обладает наибольшим электрическим сопротивлением.
Размер шпалы железнодорожной деревянной для первого типа железнодорожного полотна представляет следующие параметры: ширина верней части 180-210 мм, высота пропиленных боковых сторон – 150 мм, толщина 180 мм, ± 5 мм. Длина шпалы деревянной железнодорожной составляет 2750 мм, допускается корректировка ± 20 мм.
Для двух других типов железнодорожного полотна, неизменной остаётся только длина шпалы, остальные размеры несколько меньше.
Описываемая продукция изготавливается из древесины берёзы, бука, кедра, пихты, ели и сосны. Секрета, чем пропитывают шпалы деревянные железнодорожные не существует, ибо эта продукция пропитана специальным защитным составом, что позволяет ей служить значительно дольше, таким образом продлевается эксплуатационный срок данных изделий. Осуществляется пропитка шпал креозотом или каменноугольным маслом. Два этих компонента и составляют основу пропитки.
А основными достоинствами деревянной шпалы, из которой изготовлен железнодорожный путь, является её относительная дешевизна при изготовлении, хорошая упругость при довольно солидных нагрузках и возможности уширения рельсовой колеи при радиусах поворота менее 350 метров. При этом если говорить об отечественном железнодорожном транспорте, то обилие у нас лесных запасов, никогда не дело особой проблемы в необходимом количестве исходного материала для изготовления деревянных шпал.
Однако у деревянной шпалы есть и свои недостатки. Так в частности железнодорожный путь выполненный из деревянной шпалы со временем подвержен гниению, что существенно сокращает не только срок службы того или иного участка рельсового пути, но и снижает надёжность транспортных перевозок. С целью устранения этого недостатка ещё в начале минувшего столетия деревянные шпалы начали обрабатывать специальными антисептическими растворами. Наибольшее распространение при выполнении этой обработки деревянных шпал получил «креозот», который представляет из себя, труднорастворимое в воде соединение каменноугольного дёгтя и фенола. Обладая антисептическими свойствами, креозот довольно эффективно противостоял гниению деревянных шпал, что давало возможность существенно повысить срок эффективной службы деревянных шпал, доведя этот показатель до 20 – 40 лет.
На сегодняшний день в Российской Федерации деревянные шпалы выпускаются двух основных типов:
При этом по характеру обработки деревянные шпалы так же подразделяются на три основных вида:
На смену деревянной продукции пришли шпалы железобетонные. При изготовлении применяется цементный бетон тяжёлых марок. Классификация этих изделий предусматривает наличие трёх групп, в зависимости от способа крепления рельс.
Начиная где-то с 70 – х годов минувшего столетия железнодорожный путь в бывшем СССР начали монтировать с применением железобетонных шпал. Одним из основных достоинств железобетонных шпал является практически неограниченный срок их эксплуатации, так как у них отсутствует процесс гниения под воздействием внешних атмосферных факторов. При этом довольно высокая их механическая стойкость, позволяет их с большой эффективностью применять там, где железнодорожный путь имеет высокую интенсивность грузопотока.
Вторым не менее существенным фактором влияющим на экономическую эффективность применения железобетонных шпал является значительное сокращение затрат на выполнение строительных и монтажных работ, так как наличие в их конструкции готовых посадочных мест под крепление рельс. С учётом этого железнодорожный путь, уложенный с применением данного типа шпал, по трудоёмкости имеет значительно меньшую величину, чем тот же участок железнодорожного пути выполненного из деревянных шпал. Так, что с учетом даже несколько высокой стоимости железобетонных шпал именно этот тип шпал имеет наиболее широкое распространение на отечественном железнодорожном транспорте.
Первый тип предусматривает раздельное скрепление рельс, второй тип – это нераздельное скрепление и третий тип применяет резьбовой способ скрепления рельс.
Каждая группа подразделяется на подтипы, с наличием отличающихся определённых, конструктивных особенностей, включая обычное армирование или поднапряжённые изделия. Данная продукция, в основном, имеет первый сорт качества. Пути, относящиеся к пятому классу, допускают применение шпал, относящихся ко второму сорту, где имеются пониженные требования к таким показателям, как трещиностойкость, больший допуск по изменению размеров и более низкие требования к качеству продукции.
Путевая кривизна подразделяет шпалы на прямолинейные, где с R>350 м или криволинейные, где с R<350 м, устанавливаются на соответствующих участках железной дороги. Обустраивая пути, имеющие различную совмещённой ширину колеи, изготавливаются особенные шпалы, обладающие тремя или четырьмя рельсовыми нитками. Вес железобетонной шпалы или полушпалы может варьироваться в зависимости от её предназначения от 177 кг до 288 кг.
Расстояние между шпалами железной дороги вопрос не праздный. И на этот вопрос отвечают государственные стандарты предприятия, которые предусматривают на один километр железнодорожного пути иметь определённое количество шпал в звене. Градации количества материала в звене следующие: 1440 шт., 1660 шт., 1840 шт. и 2000 шт. Названные числа относятся к термину: эпюра шпал.
Соответственно какие применять рельсы и какую эпюру применять, зависит от предназначения конкретного участка железнодорожного пути – это может быть сортировочный, приемоотправочный, станционный, главный или другие. В качестве примера можно привести эпюру шпал главного пути колеи, на котором устанавливаются на двадцать метров пути 46 шпал, общее количество на один километр равно 1840 шт. Длина такого участка: прямого или кривым радиусом может составлять 1200 метров.
Участки с кривым радиусом, где скорость составляет 141 км/ч, предусматривает наличие в звене пятидесяти шпал, длина кривого радиуса составляет 1200 м. Общее количество шпал на участке составляет 2000 шт. на один километр.
На подъездных прямых участках путей и малодеятельных линиях потребуется установка 1440 шт. на один километр. Участки с кривым радиусом, длина которого составляет менее 650 м, потребует установки сорока шпал в звено, при общем количестве на один километр равным 1600 шт.
Хотя нам на сегодняшний день довольно трудно представить, что рельс, из которого собственно и состоит железнодорожный путь, может быть изготовлен из чего нибудь кроме как из стали, но в истории рельса были времена, когда он имел несколько иной вид и был изготовлен несколько из иного материала.
Так уж сложилось, что железнодорожный путь мы в основном ассоциируем с появлением паровых локомотивов и прицепленных к нему целой вереницы несколько примитивных, но все, же железнодорожных вагонов перевозящих тяжёлые грузы или тех, же пассажиров. Но в данном аспекте для полной справедливости и ясности постановки вопроса нам необходимо немного уточнить такой принципиальный момент в истории рельса, что именно считать отправной точкой в его истории или сам принцип перемещения груза по параллельно уложенным направляющим или тот момент, когда эти направляющие начали изготавливать из металла.
Ведь стоить отметить то объективное обстоятельство, что транспортировка грузов, особенно тяжёлых и крупногабаритных, гораздо легче и быстрей, когда перемещение этого груза происходит не по грунтовому покрытию, а по уложенным на тот же грунт более плотным направляющим. Данная физическая особенность, даже без теоретического обоснования, была подмечена и применена ещё древними греками, которые на своих «диолках», дорогах, выложенных из каменных плит с глубокими желобами, в свои годы, перетаскивали через Коринфский перешеек свои галеры. Разве это не железнодорожный путь в своём первородном виде?
Или взять более поздний пример XVI – XVII века. На угольных и железорудных шахтах Германии довольно широко начали применять деревянные рельсовые пути, по которым на конной тяге двигались вагонетки, которые уже имели колёса с так называемыми «ребордами», выступами с их внутренней стороны, для предотвращения соскальзывания вагонетки с деревянного рельса. Это ведь тоже железнодорожный путь. И даже в более близком к его современному виду.
Но в более полном своём понимании железнодорожный путь можно назвать только с середины XVIII века, когда с экономической точки зрения английские предприниматели на своих шахтах начали заменять деревянные рельсы на чугунные, как более долговечные и надёжные. И хотя с паровыми локомотивами тогда была определённая «напряжёнка», так как Джордж Стефенсон ещё только конструировал свою знаменитую паровую «Ракету», а локомотив Джеймса Уайта просто «ломал» чугунные рельсы, но железнодорожный путь уже был «железнодорожным» хоть и на конной тяге.
Ну а дальше техническая мысль не заставила себя долго ждать, и чугунные рельсы начали заменять на стальные, а квадратный их профиль уступил место почти современной двутаврово-галтельной форме. При этом стоит отметить, что двутаврово-галтельную форму стального рельса в 1789 году предложил некто Стив Джессон из Лоуберроу, что в Англии, а предложенные им размеры «подошвы» и «головки» рельса, а именно 110 мм. и 35 мм. соответственно, применяются и в настоящее время как железнодорожный путь с узкой колеёй.
Данные нововведения не оставили на месте и развитие самой металлургии. Так если первые железнодорожные рельсы производились методом ковки, что так же было существенным прогрессом, то начиная с 1857 года, рельсы начали получать методом прокатывания стальной заготовки на трёхвалковом прокатном стане. А со временем это привело к тому, что производство железнодорожных рельс, стало практически основной продукцией металлургических прокатных станов. При этом на сегодняшний день только Российская Федерация производит железнодорожных рельс в количестве более 6 миллионов тонн, что может составить железнодорожный путь, длинною, более чем в 130 тысяч километров.
Однако здесь стоит отметить, что железнодорожный путь нельзя рассматривать только как всё, что связанно с транспортировкой грузов с применением тепловых или тех же электрических локомотивов. Железнодорожный путь и соответственно железнодорожные рельсы имею более широкое применение в нашей повседневной жизни и экономике страны. Здесь достаточно вспомнить тот же метрополитен, городской электротранспорт и естественно необходимые им рельсовые пути. Но не стоит забывать, что для перемещения практически всех грузоподъёмных механизмов или, проще говоря, кранов, так, же необходимы рельсы, которые имеют не только несколько отличную область применения от своих собратьев по железной дороге. Эти рельсы имеют существенные отличия, как по своему рабочему профилю, так и по химическому составу металла из которого они изготовлены. Так, что, несмотря на некоторую архаичность нашего представления о тех же рельсах, железнодорожный путь это довольно сложно и интересно.
Верхнее строение железнодорожного пути в основе своей имеет рельс различного предназначения. Они являются стальными брусьями, имеющих специальное сечение, служат для обеспечения движения подвижного состава. Железные дороги всех стран мира применяют широкоподошвенные рельсы, которые являются общепринятым стандартом.
Современное производство рельсов предусматривает использование проката только из слитков стали.
В основе производства лежит способ Бессемера, в котором изготовление данного продукта происходит с использованием конвертеров или мартеновских печей. Бессемеровская сталь изготавливается с применением кислородной продувки уже расплавленного чугуна в течении четверти часа ± 3 минуты. При применении данного процесса обеспечивается выгорание какой-то части примесей и углерода, что позволяет металлу становится менее хрупким. Мартеновская сталь варится из стального лома и чугуна в печах с большой ёмкостью, начиная от двухсот тонн и до полутора тысяч тонн. Данная получаемая сталь имеет своё преимущество, отличаясь большей чистотой и меньшей хладноломкостью по сравнению бессемеровской сталью. Рельс, относящийся к тяжёлым типам, считается - Р75 и Р65, изготавливается путём проката стали из мартена. Рельсовая сталь должна быть только хорошего качества, что определяет её химический состав, микро и макроструктура. Все характеристики химического состава стали отечественного производства рельсов можно посмотреть в специальных таблицах, в которых даны проценты применяемых добавок в соотношении с железом.
Своё начало рельсовая история берёт со времён 16 века, когда на рудных шахтах создавались первые, простые деревянные сооружения, обеспечивающие транспортировку добытой руды. Развитие металлургии дало толчок для начала бурного производства рельсов. Мир узнал о развитии нового вида транспорта – железнодорожного. Поскольку деревянные рельсы, уже не отвечали новым требованиям, то через два века началось производство чугунных рельсов. Затем пришла короткая эра железных рельсов. Начиная с 19 века, железная дорога потребовала изготовления рельсов из высокопрочной стали. Наша современная железная дорога перешла на применение широкоподошвенных рельсов.
В основе классификации рельсов лежат весовые критерии, то есть вес рельсы одного метра. Описываемые изделия маркируют следующим образом, соответственно используются по классификационному назначению.
В качестве стандарта принята следующая длина рельса 12.5 м и 25 м. Необходимо заметить, что на российской территории есть железные дороги с узкой колеёй, а также вагонеточные и подкрановые пути в различных фирмах, где используется в качестве прокладки рельс Р18 и рельс Р24. Для обеспечения движения электропоездов в метро, сейчас специально устанавливается контактный рельс в метро. Что позволяет строить тоннели метро меньшего диаметра. В качестве основного преимущества считается надёжность токоснимания при имеющейся контактной связи с токоприёмниками электровозов или моторными вагонами. Для функционирования городского транспорта трамваев, применяется в качестве прокладки путей рельс Т58 и рельс Т62. Строительство путей подъёмных кранов происходит с применением рельсов КР120, КР100, КР80 и КР70.
Производственный процесс изготовления всех типов рельсов осуществляется посредством требований ГОСТов, которые в этом сегменте российского производства никто не отменял, ибо речь идёт об обеспечении безопасности человеческих жизней, потому и требования ставятся к данной продукции одни из самых высоких. При выпуске всей продукции для нужд железной дороги, должно учитываться всё, начиная с размерного ряда, местоположения различных деталей, их количества и заканчивая соответствием, согласно требований документации, соблюдения размеров диаметров отверстий для болтов на всех деталях.
С наступлением двадцать первого века, специалисты пришли к выводу, что значения ультразвукового контроля рельсов посредством датчиков не дают необходимой объективной картины по причине имеющихся поверхностных шероховатостей, наличия высокой температуры самого металла, окалины и прочих недостатков, которые неизменно появляются в процессе прокатки. Сегодня на территории Российской Федерации для обеспечения рельсовой дефектоскопии стоит на контроле вопрос о создании отечественного бесконтактного ультразвукового дефектоскопа, которые могут использовать в качестве приёма и излучения ультразвука электромагнитно-акустических преобразователей, имеющих аббревиатуру ЭМА. Требуемый зазор между рельсом и преобразователем ЭМА составляет 4 мм, что обеспечивает прохождение должного уровня сигнала. В зарубежных странах качество рельсов оценивается посредством применения установок и дефектоскопов, чья работа обеспечивается применением магнитографического и ультразвукового метода.
Посредством применения промежуточного скрепления происходит крепление рельсов к шпалам. Скрепления имеют три вида – это раздельные, смешанные и нераздельные. Раздельное крепление предусматривает процесс крепления рельса к подкладкам посредством клеммных болтов, жёстких и упругих клемм. Подкладка крепится к шпалам с помощью шурупов или болтов. Смешанное скрепление требует соединения подкладок со шпалами посредством дополнительных костылей. Нераздельное скрепление рельсов и подкладок, требует крепления к шпалам теми же шурупами или костылями. Во время затяжного спуска или резкого торможения поездного состава возникают силы, из-за которых, как правило, возможно смещение рельсового полотна в продольной плоскости. Это смещение может происходить вместе со шпалами или непосредственно по шпалам.
Для предотвращения подобного смещения рельсового пути, происходит обязательная установка, так называемых противоугонов. Их конструкция представляет собой стандарт пружинной скобы, которая защемляется на рельсовой подошве рельса и упирается в шпалу. На рельсовом звене длиной 25 метров должно быть установлено минимум 18 пар противоугонов, максимум потребуется установить 44 противоугона. На участках, где есть автоблокировка, установленная на границе блок-участков, применяются изолирующие стыки, которые не допускают прохождение электрического тока от соединённых соседствующих рельсов. Для этого в зазоре стыка размещают текстолитовую или трикоповую прокладку, которая в точности повторяет рельсовый контур. Сегодня уже нашло широкое применение клееболтовых стыков, в них установлены стыковые накладки, изготовленные из металла. Для этих же целей возможно применение изолирующих прокладок, изготовленных из стеклоткани, а также необходимо с помощью болтов, имеющих изолирующие втулки, произвести соединение, применяя эпоксидный клей с концевой частью рельсового полотна, создав монолитную конструкцию.
Рельсовая колея имеет тесную связь с колёсными парами подвижного состава, их размерами и конструктивными особенностями. Стальная ось наглухо соединена с колёсной парой, обладающая специальными гребнями, которые препятствуют сходу с рельсового полотна.
Кривые участки с железнодорожной колеёй обдают рядом особенностей, которые необходимо знать. На участках с кривизной наружный рельс обладает возвышением по отношению к внутреннему рельсу. Переходные кривые с малым радиусом требуют устанавливать на внутренней части рельсового пути укороченные рельсы. Необходимо усиливать путь, путём увеличения расстояния между двумя или тремя многопутными линиями и осями путей, учитывая все требования по габаритам. Наружный рельс возвышается при допустимом значении, когда радиус кривой равен 4000 м или имеет меньшее значение. В этом случае происходит равномерное распределение нагрузки. Поездная масса, скорость движения и радиус кривой напрямую влияют на величину возвышения. Правила технической эксплуатации допускают максимальную величину значения возвышения, которая равняется 150 мм.
Переходные кривые необходимы, поскольку, таким образом достигается плавное сопряжение примыкающей прямой с кривой, непосредственно на путевом профиле точно так, как это указано в плане. Процедура уширения колеи достигается на практике методом вписывание подвижного состава в кривые. Закрепление колёсных пар непосредственно в раме, что позволяет сохранить параллельность в рамках границ жёсткой базы. При нахождении в границах кривой, расположиться по радиусу, может только одна колёсная пара. Другие пары имеют определённый угол к нему. При этом необходимо увеличивать зазор между рельсами и гребнями колёс, что сделает возможным избежать в таких случаях клина колёсных пар.
Предотвращая возможную стыковку, на каждом радиусе кривой, должно быть установлено своё значение величины укорочения рельса. В таких случаях, унификация предусматривает установку стандартного укорочения, непосредственно длины звена рельсов, которое представлено следующими значениями, где длина равна от 25 м до 80 м и 160 мм.
