ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Верхнее строение пути (ВСП) - это верхняя, периодически заменяемая часть железнодорожного пути. ВСП предназначено для восприятия нагрузок от подвижного состава, передачи их на земляное полотно и искусственные сооружения, а также для направления движения подвижного состава. Конструкция ВСП должна быть прочной, устойчивой, стабильной, износостойкой, экономной, обеспечивать безопасное и плавное движение поездов с установленными скоростями.

Верхнее строение пути работает в сложных условиях, так как железнодорожный путь подвергается воздействию: подвижного состава, природно-климатических факторов (температурные изменения и атмосферные осадки), собственных напряжений, возникающих в элементах ВСП при изготовлении, укладке и эксплуатации.

Верхнее строение пути должно удовлетворять следующим основным требованиям:

• обладать высокой надежностью, обеспечивающей безопасное и бесперебойное движение поездов с установленными скоростями;
• быть долговечным - сохранять работоспособность достаточно продолжительное время при установленной системе текущего содержания и ремонта;
• быть ремонтопригодным - позволять выполнение ремонта всех элементов как в по отдельности, так и комплексно;
• допускать массовое изготовление всех элементов, а также применение высокопроизводительных средств механизации при сборке, замене и ремонте.

Вехнее строение железнодорожного пути включает в себя следующие компоненты:

• стальные высокопрочные рельсы и элементы стрелочных переводов, непосредственно воспринимающие нагрузку от колесных пар подвижного состава и направляющие их движение;
• рельсовые скрепления, предназначенные для соединения рельсов между собой и прикрепления их к рельсовым опорам;
• рельсовые опоры - железобетонные или деревянные шпалы, мостовые и переводные брусья - предназначенные для удержания рельсов на определенном расстоянии друг от друга и передающие нагрузку на балластный слой. Рельсы, соединенные со шпалами, образуют рельсошпальную решетку;
• баластный слой из щебня, гравия, песка и т.п., позволяющий равномерно распределять нагрузку от рельсошпальной решетки и не допускать продольное и поперечное ее перемещение и вертикальную осадку.

Рельсы предназначены для направления движения колесных пар подвижного состава, восприятия нагрузки от него и передачи ее на шпалы. Кроме того, на участках с автоблокировкой рельсы служат проводниками сигнального (кодового) тока, а при использовании электрической тяги - проводниками обратного тягового тока.

В настоящее время на железных дорогах применяют широкоподошвенные стальные рельсы двутаврового сечения.

Тип рельса определяется массой его одного погонного метра, округляемой до целого числа, перед которым ставится буква «Р». На железных дорогах России в настоящее время применяют рельсы марок Р75, Р65, Р50, имеющие массу одного погонного метра соответственно 74,4, 64,7 и 51,7 кг. Наибольшее распространение на магистральных линиях, главных и приемоотправочных путях станций имеют рельсы марки Р65 (87,7 % протяженности линий). Рельсы марки Р75 укладываются на главных путях грузонапряженных линий, а рельсы марки Р50 - на путях необщего пользования, грузовых дворов, линиях метрополитенов.

Для того, чтобы рельс под нагрузкой не деформировался и не ломался, ему придают профиль двутавра. Такая форма позволяет рельсу изгибаться. Верхняя часть рельса называется головкой, нижняя - подошвой. Соединяет головку с подошвой шейка рельса. Для улучшения взаимодействия с колесом поверхность катания головки рельса имеет выпуклое криволинейное очертание. Подошва рельса имеет достаточную ширину, чтобы обеспечить боковую устойчивость рельса и увеличенную площадь для опирания на шпалы. Все переходы от головки к шейке и от шейки к подошве делают плавными, а сама шейка имеет криволинейное очертание, чтобы обеспечить наименьшую концентрацию внутренних напряжений металла.

Стандартная длина рельсовых звеньев принята 25 м. Для укдладки на внутренних нитях кривых изготавливают укороченные рельсы длиной 24,92 м и 24,84 м.

Рельсы изготавливают из рельсовой стали, в химический состав которой помимо железа и углерода добавляют марганец и кремний. Это позволяет повысить прочность рельса при изгибе, увеличить износостойкость и твердость. Кроме того рельсы подвергают термической обработке по всей длине путем объемной закалки в масле с последующим печным отпуском. Это позволяет увеличить срок службы рельса в 1,5 раза. Для районов Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера выпускаются рельсы с более высокой низкотемпературной надежностью с добавками ванадия, ниобия и бора. Для изготовления таких рельсов вместо мартеновской стали используется электросталь, которая позволяет выдерживать высокие нагрузки при температурах ниже 60 ºС. Кроме того для увеличения срока службы рельсов применяется шлифовка головки рельса рельсошлифовальными поездами для удаления неровностей на поверхностях катания.

Срок службы рельсов определяется количеством тонн груза, проследовавшего по ним до перекладки. После истечения срока службы рельсы снимают, сортируют, ремонтируют и снова укладывают в путь, но на менее напряженные участки.

Для опеределения места и времени изготовления, а также для правильной укладки в путь рельсы маркируются. На шейке рельса через каждые 2,5 - 3 м указывается марка завода, месяц и год изготовления, тип рельса.

Стыком называется место соединения рельсовых звеньев между собой. На стыках рельсов устанавливают рельсовые скрепления, основными элементами которых являются накладки, болты с гайками и шайбами. В настоящее время применяются двуголовые накладки, имеющие 4, либо 6 отверстий. Болты и гайки изготавливаются из стали повышенной прочности и подвергаются термической обработке. Пружинные шайбы обеспечивают постоянное натяжение болтов.

На электрифицированных участках железнодорожных линий и на участках с автоблокировкой и электрической централизацией рельсовые нити являются токопроводящими. Рельсовые стыки должны обеспечивать хорошую токопроводиомость, а на границах рельсовых цепей должны устанавливаться изолирующие стыки. В токопроводящих стыках для уменьшения электрического сопротивления устанавливаются проволочные стыковые соединители. Изолирующие стыки, наоборот, препятствуют проходжению тока с одного рельсового звена на другое из-за наличия диэлектрических прокладок между накладками и рельсами, либо диэлектрических накладок.

Промежуточные рельсовые скрепления предназначены для соединения рельсов с подрельсовым основанием (шпалами, брусьями). Они должны:

• обеспечивать прижатие рельсов к подрельсовому основанию, исключающее их отрыв и продольное перемещение;
• препятствовать опрокидыванию рельсов под воздействием подвижного состава;
• допускать замену деталей ВСП без существенных перерывов в движении поездов;
• допускать регулирование высоты рельсовых нитей в пределах 10 - 20 мм;
• обеспечивать электрическую изоляцию рельсов от основания (при железобетонных шпалах и брусьях);
• обеспечивать экономическую эффективность конструкции верхнего строения пути.

Различают промежуточные рельсовые скрепления для деревянных шпал и для железобетонных опор.

Скрепления для деревянных шпал бывают раздельные, нераздельные и смешанные. При раздельном скреплении рельс присоединяется болтами к подкладке, а подкладка к шпале - отдельно с помощью шурупов или костылей. В нераздельном скреплении рельс вместе с подкладкой соединяется со шпалой общими костылями. При смешанном скреплении рельc через подкладку соединяется со шпалой, а подкладка дополнительно крепится к опоре отдельными костылями.

Смешанное скрепление является наиболее распространенным, так как имеет небольшое число деталей, просто в изготовлении и эксплуатации. Основными элементами смешанного скрепления являются ребордчатая подкладка и костыли. Для уменьшения износа шпал между подкладкой и шпалой устанавливают резиновые прокладки толщиной 6 - 10 мм.

Основным недостатком смешанных и нераздельных рельсовых скреплений является плохое сопротивление угону пути - продольному перемещению рельсов по шпалам, что вызывает необходимость установки противоугонов - пружинных скоб, надеваемых на подошвы рельсов. Количество противоугонов, устанавливаемых на одно рельсовое звено, зависит от интенсивности проявления угона (от 18 до 44 противоугонов на звено).

Скрепления для железобетонных шпал выполняют раздельными. Типовым является раздельное клеммно-болтовое скрекпление КБ, в котором рельс прижимается к подкладке клеммами (жесткими, либо прутковыми), надеваемыми на клеммные болты и фиксируемыми гайками с пружинными шайбами. Между подошвой рельса и подкладкой устанавливают резиновую, либо полимерную прокладку, являющуюся виброизоляцией. Металлические подкладки укладывают на заглубленную в тело шпалы подрельсовую площадку и крепят к шпале закладными ботами с гайками и пружинными шайбами. Между подкладкой и шпалой устанавливают резиновую прокладку, обеспечивающую электро- и виброизоляцию.

Недостатком скрепления КБ является его многодетальность (21 деталь в каждом скреплении). На 1 км пути приходится около 16 тыс. болтов и гаек, содержание которых требует больших затрат (очистка от грязи, смазка, подтягивание).

Кроме типовых раздельных скреплений КБ применяют нераздельное рельсовое скрепление ЖБР, содержащее меньшее количество деталей. Такое скрепление имеет два болта, которыми при помощи упругих клемм рельс прижимается к шпале. Между подошвой рельса и шпалой устанавливают резиновую прокладку, а на болты надевают изолирующие втулки.

В настоящее время широко применяется анкерное рельсовое скрепление АРС на пружинных клеммах, наиболее перспективное для пути с железобетонными шпалами. Такое скрепление содержит меньше деталей, а применение скоб со специальными анкерными замками позволяет ускорить и упростить процесс замены элементов верхнего строения пути.

Опорами для рельсов служат шпалы. На металлических мостах рельсы укладывают на мостовые брусья, на стрелочных переводах - на переводные брусья.

Главное назначение подрельсовых опор:

• воспринимать вертикальные, боковые и продольные усилия от рельсов и передавать их на балластный слой;
• обеспечивать постоянство ширины рельсовой колеи, подуклонки рельсовых нитей и их электрическую изоляцию друг от друга;
• совместно с балластным слоем обеспечивать стабильное положение рельсовой колеи в плане и профиле.

Подрельсовые опоры должны обладать:

• прочностью, износостойкостью и долговечностью;
• высокой сопротивляемостью продольным и поперечным смещениям в балластном слое;
• дешевизной и простотой изготовления, иметь простую форму, удобную для уплотнения балласта под шпалой;
• электроизолирующими свойствами.

Количество шпал, укладываемых на 1 км железнодорождного пути устанавливается из условия обеспечения необходимой сопротивляемости рельсошпальной решетки продольному и поперечному сдвигу, а также из условия выравнивания давления в балластном слое по его глубине. На основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований было определено оптимальное количество шпал на 1 км пути в зависимости от категории линии и криволинейности участка, принятое в качестве стандарта:

Шпалы и брусья бывают деревянные и железобетонные.

Деревянные шпалы изготавливают из сосны, ели, пихты, лиственницы, кедра и березы, причем лучшими являются сосновые шпалы. Достоинства деревянных шпал: упругость и хорошие амортизирующие свойства, легкость изготовления и обработки, простота скрепления с рельсами, хорошее сцепление со щебнем, малая чувствительность к ударам и колебаниям температуры, сравнительно небольшая масса, электроизолирующие свойства. Вместе с тем у деревянных шпал есть недостатки: сравнительно небольшой срок службы из-за гниения (в среднем до 15 лет), большой расход древесины, неоднородность упругих свойств по длине. Для повышения срока службы шпал их пропитывают масляными антисептиками (каменноугольными, креозотовыми, антраценовыми). Для предупреждения появления трещин концы шпал стягивают обвязочной проволокой, либо на их торцы устанавливают металлические скобы.

По форме поперечного сечения деревянные шпалы подразделяются на три вида: обрезные - отёсанные со всех четырех сторон, полуобрезные - отёсанные только с трех сторон и необрезные - отёсанные только сверху и снизу. В зависимости от категорий линий, на которые укладываются шпалы, шпалы подразделяются на 3 типа, отличающиеся геомертическими размерами. Шпалы I типа укладывают на главные пути перегонов и станций. Шпалы II типа укладывают на станционные пути. Шпалы III типа применяют на подъездных путях предприятий и иных путях необщего пользования.

Длина деревянной шпалы принята 2750 мм. Для грузонапряженных линий выпускаются шпалы длиной 2800 мм. Под стрелочными переводами укладывают длинные разновидности шпал — переводные брусья, длина которых доходит до длины двух шпал. Укладывать деревянные шпалы можно на любой балласт.

Деревянные шпалы преимущественно применяются:

• на участках звеньевого пути с кривыми малых радиусов (менее 300 м), где требуется уширение колеи до 1530 - 1535 мм;
• на вновь построенных линиях с нестабилизированным земляным полотном, особенно в зонах с вечной мерзлотой и на болотистых основаниях;
• на участках, подверженных пучинистым явлениям;
• на сильно засоряемых участках (угольно-рудные, торфяные маршруты и т.п.), где периодичность ремонтов пути, связанных с очитской балласта, составляет 2 - 3 года.

Железобетонные шпалы брускового типа изготавливаются из армированного бетона (железобетона). Арматура таких шпал состоит из 44 стальных проволок (струн) диаметром 3 мм, которые до бетонирования подвергаются сильному натяжению. После затвердевания бетона проволоки освобождаются от натяжения, в результате чего они сжимают бетон, создавая в шпале предварительное напряжение, предотвращающее появление трещин как при работе шпалы на сжатие, так и на растяжение. Железобетонная шпала имеет переменное сечение. На концевых частях шпал имеются площадки для установки рельсовых скреплений, а также отверстия под соединительные болты. Стандартная длина железобетонной шпалы 2700 мм.

Преимуществами железобетонных шпал являются: большой срок службы (30 - 50 лет), сокращение расхода древесины, стабильность ширины рельсовой колеи, равноупругость по всей длине, повышенная устойчивость против выброса пути (особенно бесстыкового).

К недостаткам железобетонных шпал можно отнести: повышенную жесткость пути на железобетонных шпалах, которую приходится снижать за счет установки резиновых прокладок между рельсами и шпалами, электропроводность и необходимость применять изолирующие детали в рельсовых скреплениях, хрупкость и чувствительность к ударам, большая масса (265 кг).

Наиболее оправданным является применение железобетонных шпал в сочетании с бесстыковыми рельсовыми нитями (звеньевой путь с железобетонными шпалами считается технически и экономически неэффективным), а также на линиях со скоростным движением поездов (свыше 140 км/ч) благодаря высокой стабильности пути на железобетонных шпалах.

Балластный слой является основанием для рельсовых опор и предназначен для восприятия нагрузки от рельсовых опор, ее равномерного распределения и передачи на основную площадку земляного полотна, отвода поверхностных вод от рельсошпальной решетки, смягчения ударов от подвижного состава. Балластный слой препятствует сдвигу рельсошпальной решетки как в продольном, так и в поперечном направлениях, позволяет производить выправку пути.

Балластный слой формируется из балластного материала, который должен быть прочным, не дробиться, быть упругим, морозоустойчивым, хорошо пропускать воду, не выдуваться ветром, не размываться водой, не пылить, обладать достаточными диэлектрическими свойствами.

Наилучшим материалом для балласта является щебень, который получают дроблением твердых и прочных горных пород, поэтому он имеет острые грани, препятствующие сдвигу рельсошпальной решетки. Щебень долговечен, обладает хорошими дренирующими и электроизоляционными свойствами. Путевой щебень должен иметь размеры частиц 25 - 60 мм.

Щебеночный балласт имеет более высокую стоимость по сравнению с другими видами балласта, поэтому его укладывают преимущественно на перегонах и на главных путях станций.

На других путях станций применяют гравийно-песчаный балласт, который получают в результате разработки естественно образовавшихся отложений гравия и крупнозернистого песка. Такой балласт дешевле щебня, меньше загрязняется, но вместе с тем менее устойчив к нагрузкам, хуже пропускает воду и может смерзаться в зимнее время года.

На малодеятельных линиях, а также на станционных путях с ограниченными скоростями движения в качестве балласта используют средне- и крупнозернистый песок, ракушечник и металлургические шлаки. Ракушечник как балласт имеет местное применение и используется лишь на линиях с малым грузооборотом. Песчаный балласт является наихудшим, поэтому его применяют только на линиях с малым грузооборотом и в качестве материала для подушки, создаваемой под щебеночным балластом.

Для того, чтобы балластный слой наилучшим образом выполнял свои функции, ему придают определенные размеры и форму, в результате чего образуется балластная призма. На главных путях устраивают двухслойную балластную призму - щебеночный балласт поверх песчаной подушки.

Толщина балластного слоя должна быть достаточной, чтобы избежать деформации основной площадки земляного полотна. Толщина песчаной подушки принимается 20 см, толщина щебеночного слоя - от 25 до 40 см в зависимости от категории линии. Уклон откосов призмы должен быть не более 1:1,5 для щебеночного слоя и 1:2 для песчаной подушки.

Ширина балластной призмы должна приниматься на однопутных участках не менее установленной для соответствующей категории линии. На двухпутных линиях ширина балластной призмы увеличивается с учетом междупутий в прямых и кривых участках.

Стык рельсов - наиболее напряженное и слабое место железнодорожного пути. Затраты на содержание стыков достигают 40% всех затрат на текущее содержание пути. Чтобы сократить число рельсовых стыков с середины 50-х годов XX века началось внедрение бесстыкового пути, обладающего рядом существенных преимуществ перед звеньевым.

Отсутствие в рельсовых плетях стыков позволяет улучшить плавность хода поездов, продлить сроки службы элементов верхнего строения пути, снизить расходы на содержание пути, ремонт подвижного состава и на тягу поездов, повысить надежность электрических рельсовых цепей, снизить уровень шума из-за отсутствия ударов колес в стыках. Отсутствие стыковых скреплений дает экономию металла до 4 т на 1 км пути.

Плети бесстыкового пути сваривают электроконтактной сваркой из рельсов типа Р65 без болтовых отверстий на стационарных рельсосварочных заводах и перевозят на места укладки на специальных составах из вагонов-платформ. Длина рельсовых плетей как правило не превышает 800 м в соответствии с полезной длиной приемоотправочных путей станций. Минимальная длина плетей на главных путях - 400 м, на станционных путях - 150 м.

Длинные рельсовые плети после укладки и соединения со шпалами свариваются непосредственно в пути в пределах блок-участков (1,5 - 2,5 км) или перегона (10 - 20 км) алюминотермитной сваркой с помощью специальных переносных установок, либо электроконтактным способом с помощью рельсосварочной машины ПРСМ. После сварки сварной шов и головки рельсов шлифуются.

Основным отличием бесстыкового пути от звеньевого является то, что рельсовые плети не могут изменять свою длину при изменении температуры (из-за сильного прижатия рельсов к шпалам клеммными промежуточными скреплениями), кроме небольших перемещений концевых частей. При повышении температуры в рельсовых плетях появляются сжимающие силы, которые могут привести к выбросу пути. При низких температурах продольные растягивающие силы могут вызвать разрыв рельсовой плети. Чтобы этого избежать, между смежными плетями бесстыковго пути укладывают уравнительные рельсы (2 - 3 звена длиной по 12,5 м, соединенные обычными стыковыми скреплениями), образующие уравнительный пролет. На станциях перед первой стрелкой со стороны перегона укладывают специальные уравнительные приборы.

Укладку бесстыкового пути производят при расчетной температуре. В некоторых случаях выполняют периодическую сезонную разрядку температурных напряжений. Для этого ослабляют скрепление плетей со шпалами, предварительно снимая уравнительные рельсы. В результате плеть укорачивается или удлиняется. После этого плеть закрепляют и укладывают уравнительные рельсы нужной длины.

Бесстыковой путь укладывается только на железобетонных шпалах и только на участках со здоровым земляным полотном. Балласт для бесстыкового пути применяется только щебеночный из твердых пород. Ширина плеча балластной призмы за концами шпал должна быть не менее 0,45 м.

На мостах с балластным полотном рельсовые плети бесстыкового пути укладываются на специальных железобетонных брусьях с элементами крепления охранных контруголков. На мостах с безбалластным полотном рельсовыне плети укладывают на железобетонных плитах.