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. ХIХ 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 нагружением 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 про;дольных 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 Калязина. 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 бывшей Томской железной дороге по предложению М.С. Боченкова был уложен бесстыковой путь с саморазрядкой температурных напряжений.

Начало 50-х гг. характеризуется бурным внедрением бесстыкового пути и за рубежом. ХVIII 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. ХIХ в. стали применять стальные рельсы с новым типом стыка, располагаемого на весу между шпалами. При этом сначала применяли простые плоские накладки, а затем фасонные.

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 про:ходящего 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.

Даже в небольшом по объему введении несколько раз повторялись термины «рельсы обычной длины», «длинные рельсы», «бесстыковой путь». Какая между ними разница? Что же такое «бесстыковой путь»?

Чтобы ответить на эти, да и на многие другие вопросы, необходимо проанализировать температурную работу рельсов, что мы и сделаем в следующем разделе.