Железнодорожный путь на прямых участках и в кривых

Рельсовая колея образуется двумя рельсовыми нитями, установленными на определенном расстоянии друг от друга и прикрепленными к шпалам, брусьям или плитам. Ширина рельсовой колеи - это расстояние между внутренними гранями головок рельсов, измеряемое на расстоянии 13 мм ниже их поверхности катания (на уровне контакта гребня колеса с головкой рельса).

На железных дорогах нашей страны ширина колеи на прямых участках пути и в кривых радиусом 350 м и более установлена 1520 мм. Из-за невозможности обеспечить абсолютно точную ширину колеи при сборке рельсо-шпальной решетки и неизменность ее в процессе эксплуатации установлены допуски ширины колеи в бóльшую строну до +8 мм и в меньшую до –4 мм. Эти допуски действуют как для прямых участков, так и для кривых всех радиусов. Таким образом, нормальной считается колея, ширина которой на прямом участке имеет значение от 1516 до 1528 мм (п. 45 Главы V ПТЭ).

Ширина рельсовой колеи соответствует конструкции ходовых частей подвижного состава. Колесные пары вагонов и локомотивов состоят из двух колес, жестко соединенных с осью. Расстояние между внутренними гранями колес колесной пары называется насадкой и должно выдерживаться у ненагруженной колесной пары в пределах 1437—1443 мм при скоростях движения до 120 км/ч и 1439—1443 мм при скоростях движения более 120 км/ч (п.148 Главы IX ПТЭ). Колеса колесной пары имеют гребни толщиной 33…25 мм, обеспечивающие удержание колес на рельсах и направляющие их движение. Расстояние между рабочими гранями гребней колес называется шириной колесной пары.

Чтобы колесная пара с самой широкой насадкой (1443 мм) и самой большой толщиной гребня (33 мм) могла поместиться внутри колеи, колея должна иметь размер 1443 + 2 х 33 = 1509 мм, но при этом колесная пара будет зажата (заклинена) между рельсами. Для исключения такого заклинивания минимально допустимую ширину колеи устанавливают несколько больше этого значения - 1512 мм. При минимальных зазорах между рельсами и гребнями колес движение экипажа происходит более плавно. При увеличенном зазоре усиливается раскачивание и виляние экипажа, происходит увеличенный износ пути. При ширине колеи 1548 мм и более появляется явная опасность проваливания колесной пары внутрь колеи по причине бокового отжатия рельсов конусными поверхностями катания колес.

Движение на участках с шириной колеи менее 1512 мм и более 1548 мм запрещается.

Поверхности катания колес колесных пар, непосредственно соприкасающиеся с рельсами, имеют коническую поверхность с уклоном в средней части 1<20, что препятствует возникновению виляния колесной пары, следующей по горизонтальной поверхности рельса, и улучшает прохождение колесными парами кривых участков пути. Рельсы на прямых участках пути также устанавливают не вертикально, а c подуклонкой 1:20 (≈ 3°) внутрь колеи (п. 45 Главы V ПТЭ), чем обеспечивается более равномерная передача давления от конических поверхностей колес на рельсы, что уменьшает их износ.

Верх головок рельсов на прямых участках пути должен быть в одном уровне (п. 48 Главы IX ПТЭ). Разрешается на прямых участках пути содержать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой для повышения плавности хода за счет небольшого прижатия колесных пар гребнями колес к пониженной нити и, как следствие, уменьшения их виляния.

В кривых участках работа пути сложнее, чем в прямых, так как при их прохождении подвижным составом появляются дополнительные силы (например, центробежная), отрицательно сказывающиеся на поведении подвижного состава и его воздействии на путь. Кроме того, глухая насадка колес на ось, параллельность осей и жесткая база тележек (неизменное расстояние между осями) ухудшают вписывание подвижных единиц в кривые малых радиусов.

Железнодорожный путь в кривых имеет следующие особенности:

• уширение колеи в кривых малых радиусов (менее 350 м);
• возвышение наружной рельсовой нити относительно внутренней;
• укладка укороченных рельсов на внутренних нитях кривых;
• уширение междупутий.

Вписывание в кривые ходовых частей подвижного состава может быть заклиненным и свободным. При заклиненном вписывании, когда зазаоры между гребнями колес и рельсовыми нитями минимальны, все наружные колеса упираются гребнями в наружную нить, а все внутренние - во внутреннюю. Это сопровождается увеличением сопротивления движению из-за повышенного трения, что приводит к интенсивному износу гребней колес и рельсов.

При наличии увеличенного зазора между гребнями колес и головками рельсов происходит свободное вписывание в кривую жесткой базы экипажа, при котором гребень одного из колес передней по ходу движения колесной пары прижат к наружной рельсовой нити, а гребень одного из колес задней колесной пары прижат к внутренней рельсовой нити. В этом случае жесткая база располагается в рельсовой колее относительно свободно и не создает повышенного сопротивления движению.

Уширение колеи в кривых малых радиусов необходимо для предотвращения заклинивания колесных пар подвижного состава с длинной жесткой базой (расстоянием между центрами крайних осей одной тележки). При отсутствии уширения исчезает необходимый зазор между рельсами и гребнями колес из-за жесткой посадки колесных пар в раме тележки, что вызывает повышенное сопротивление движению, увеличивает износ рельсов и колес и может привести к заклиниванию колесных пар. Чтобы этого не происходило, колея в кривых радиусом от 349 до 300 м уширяется до 1530 мм, а в кривых радиусом 299 м и менее - до 1535 мм (п. 45 Главы V ПТЭ) с учетом действующих допусков +8 мм и –4 мм. Уширение колеи достигается за счет смещения внутреннего рельса к центру кривой. Переход от нормальной колеи к уширенной и наоборот устраивают в пределах переходной кривой. Рельсы уширенной колеи и в местах перехода к ней (от нее) размещают на деревянных шпалах.

При движении по кривой возникает центробежная сила, действующая на подвижной состав и направленная наружу от центра кривой. Если рельсы обеих нитей расположены в одном уровне, возникает дополнительное воздействие колес на наружную рельсовую нить, что сильно изнашивает рельсы этой нити и может привести к поперечному сдвигу наружного рельса и опасному уширению колеи. Кроме того возникает центробежное ускорение, величина которого тем больше, чем больше скорость движения поезда и чем меньше радиус кривой. Это ускорение вызывает крен кузова подвижной единицы, что отрицательно сказывается на комфорте пассажиров и устойчивости перевозимых грузов.

Возвышение наружного рельса относительно внутреннего в кривых радиусом 4000 м и менее позволяет компенсировать действие на подвижной состав центробежной силы. В этом случае экипаж наклоняется к центру кривой и опрокидывающая центростремительная сила (H) компенсирует центробежную силу (I), что выравнивает воздействие экипажа на оба рельса и ограничивает боковой наклон подвижных единиц. Величина возвышения (h) определяется исходя из величины радиуса кривой, средней скорости движения и веса поездов и устанавливается в пределах от 10 до 150 мм. При при большей величине возвышения подвижные единицы могут потерять устойчивость в случае остановки поезда в кривой или движения с малой скоростью. К тому же это ухудшает условия посадки/высадки пассажиров на остановочных пунктах, платформы которых расположены в кривых.

В случае неправильно подобранной величиы возвышения внешнего рельса относительно внутреннего действие центростремительной силы неполностью компенсирует действие центробежной (либо наоборот), вследствие чего возникает так называемое непогашенное ускорение, снижающее уровень комфорта и ухудшающее условия движения подвижного состава. Непогашенное ускорение может также возникать вследствие изменения скорости движения поезда, следующего в кривой. Величина непогашенного ускорения не должна превышать значений, установленных в п. 48 Главы V ПТЭ.

Возвышение внешнего рельса относительно внутреннего в кривых обеспечивается наклоном рельсошпальной решетки в вертикальной плоскости, что достигается подсыпкой дополнительного количества балластного материала под внешние концы шпал. Переход к возвышению и обратно устраивается в переходных кривых.

На кривых участках пути радиус наружной рельсовой нити больше радиуса внутренней на величину ширины колеи, соответственно, наружная рельсовая нить получается длиннее внутренней. Чтобы число рельсовых звеньев в обеих нитях было одинаковым, а рельсовые стыки находились напротив друг друга (располагались «по наугольнику»), как это принято на наших железных дорогах, производится укладка укороченных рельсовых звеньев во внутреннюю рельсовую нить, начиная с переходных кривых.

Для одной и той же длины кривой по наружной рельсовой нити укорочение внутренней рельсовой нити зависит от радиуса кривой. Для укладки во внутреннюю рельсовую нить выпускают несколько типов укроченных рельсов: на 80 мм и на 160 мм (относительно рельсов стандартной длины 25 м). Число укороченных рельсов и порядок их укладки во внутреннюю рельсовую нить определяют по специально разработанным схемам укладки.

Расстояния между осями смежных путей на двухпутных и многопутных линиях устанавливаются исходя из соблюдения требований габарита, обеспечения безопасности движения и определяются требованиями п. 17 Главы III ПТЭ.

Расстояние между осями смежных путей на прямых участках должно быть не менее:

• на перегонах между первым и вторым, а также между третьим и четвертым путями - 4100 мм;
• на перегонах между вторым и третьим путями - 10000 мм при скорости движения по любому из смежных путей свыше 140км/ч и 8000 мм при скорости движения не выше 140 км/ч.
  В трудных условиях данное расстояние может быть уменьшено до 6000 мм, а на линиях, не прошедших реконструкцию, может сохраняться равным 5000 мм. В обоих случаях максимальная скорость движения по смежным путям должна быть уменьшена до 90 км/ч;
• на железнодорожных станциях - 4800 мм, а на железнодорожных станциях путей необщего пользования - 4100 мм;
• на второстепенных путях и в грузовых районах - 4500 мм.
• между осями путей, предназначеннных для прямой перегрузки грузов и контейнеров из вагона в вагон - 3600 мм.

При движении по кривым участкам пути концевые части подвижных единиц выносит наружу, а средние смещаются к центру кривой, вследствие чего происходит боковое сближение подвижных единиц, следующих по смежным путям. Это сближение увеличивается из-за бокового раскачивания кузовов подвижных единиц под действием центробежной и центростремительной сил. Кроме того, при возвышении наружной рельсовой нити относительно внутренней происходит уменьшение расстояний между верхними частями подвижных единиц в вертикальной плоскости, особенно, если движение по внешнему пути осуществляется с меньшей скоростью, чем по внутреннему.

Для исключения возможности опасного бокового сближения подвижных единиц и сохранения достаточного пространства между подвижным составом, одновременно движущимся по смежным путям, в кривых участках увеличивают расстояния между осями смежных путей, а, следовательно, и ширину междупутий. Значение величины уширения рассчитывается в зависимости от радиуса кривой в соответствии с нормами и правилами.

Изменяют ширину междупутий двумя способами: за счет сдвижки на необходимую величину одного из путей на прямом участке и за счет сдвижки внутреннего пути в переходной кривой. В первом случае перед переходной кривой укладывают дополнительную S-образную кривую. Однако устройство дополнительных кривых является нежелательным, в связи с чем предпочтение отдается второму способу: переходные кривые по внутреннему пути устраивают более длинными, чем по наружному, чтобы разница сдвижек круговых кривых была равна требуемому уширению междупутья.