Рельсовые скрепления. Противоугоны

Основные сведения

Верхнее строение пути является единой комплексной конструкцией, состоящей из рельсов, скреплений с противоугонами, рельсовых опор (чаще всего в виде шпал), балласта, мостового полотна, стрелочных переводов и ряда специальных устройств. Верхнее строение пути воспринимает и упруго передает на основную площадку земляного полотна динамические воздействия колес подвижного состава, а также направляет колеса движущегося по пути подвижного состава.

Рельсы, соединенные между собой стыковыми скреплениями, а со шпалами — промежуточными скреплениями, образуют вместе путевую (рельсо- шпальную) решетку; шпалы (или брусья) заглублены в балластный слой, который опирается на основную площадку земляного полотна. На мостах при устройстве проезжей части без балласта рельсы опираются на деревянные мостовые брусья или железобетонные плиты.

В местах разветвления и соединения путей укладывают стрелочные переводы, опорами для металлических частей которых служат переводные брусья; в опытном порядке уложены железобетонные брусья и плиты. Рельсы, шпалы и другие элементы верхнего строения пути типизированы; для каждого типа установлены стандарты, определяющие их конструкцию, размеры, качество материала. Конструкция верхнего строения пути должна быть прочной, устойчивой, стабильной, износостойкой, экономичной, в любых эксплуатационных условиях обеспечивать безопасное и плавное движение поездов с максимальными скоростями.

Рельсы

Стандартными и общепринятыми рельсами на всех дорогах мира являются рельсы широкоподошвенные.

Широкоподошвенный рельс состоит из трёх основных частей:  головки, подошвы и шейки, соединяющей головку с подошвой.

    Рельсы являются главнейшим элементом верхнего строения пути. Они предназначены:

1) непосредственно воспринимать давление от колёс подвижного состава и передавать эти давления нижележащим элементам ВСП;

2) направлять колеса подвижного состава при их движении;             

3) на участках с автоблокировкой служить проводником сигнального тока, а при электротяге – обратного силового тока.

Для надёжной работы рельсы должны быть достаточно прочными, долговечными, износоустойчивыми, твердыми и в то же время нехрупкими, так как они воспринимают динамическую нагрузку. Материалом для рельсов служит высокопрочная углеродистая сталь. В зависимости от массы и поперечного профиля рельса подразделяется на типы Р50, Р65 и Р75. Буква Р означает «рельс», а цифры углеродную массу 1м в килограммах. Новые рельсы могут быть стандартной длины 25м и 12,5м. Для кривых изготавливаются укороченные рельсы длиной 24,95 и 24,84 м, 12,46 и 12,38 м.  

Таблица 1 – основные размеры поперечного сечения рельса

Расположение, количество и диаметр болтовых отверстий в шейке на концах рельсов должны соответствовать приведенным на рисунке 2 и в таблице 2.

Рисунок 1 – основные размеры поперечного сечения рельса

Рисунок 2 – расположение болтовых отверстий

Таблица 2 – Параметры расположения болтовых отвестий

Примечание — размер t приведен для настройки сверлильных агрегатов; на готовых рельсах его не контролируют.

Бесстыковой путьпо сравнению со звеньевым является более прогрессивной конструкцией. Отсутствие в рельсовых плетях стыков позволяет улучшить плавность движения 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 колёс в стыках.

    Основным отличием бесстыкового пути от звеньевого является то, что рельсовые плети не могут изменить свою длину при изменении температуры, кроме небольших перемещений концевых плетей. Это вызывает дополнительные сжимающие или растягивающие температурные напряжения в рельсовых плетях, равные 2,5МПа на каждый градус повышения или понижения температуры рельсовой плети по сравнению с температурой её укладки. Стандартная длина плетей 400 и 800 м.

    При колебании температуры возможно изменение длины концевых участков плетей. Для того чтобы это изменение длины было возможно, между смежными плетями укладывают уравнительные рельсы, образующие уравнительный пролет. Число уравнительных рельсов зависит от климатических условий и может составлять две или три пары рельсов длиной 12,5 м. Укладка уравнительных рельсов обеспечивает также проведение в случае необходимости разрядки температурных напряжений в плетях при ремонтных и других работах. Для этого ослабляют скрепления плетей со шпалами, предварительно снимаю уравнительные рельсы. В результате плеть укорачивается или удлиняется. После этого плеть закрепляют и укладывают уравнительные рельсы нужной длины.

Шпалы

Шпалы — (от голл. spalk — подпорка), опоры для рельсов в виде брусьев, укладываемых на балластный слой верхнего строения пути. Шпалы обеспечивают неизменность взаимного расположения рельсовых нитей, воспринимают давление от рельсов и передают его на балластный слой.

Деревянные шпалы изготавливают из сосны, ели, пихты, лиственницы, кедра и березы. В путь их укладывают только после пропитки маслеными антисептиками. В зависимости от назначения деревянные шпалы изготавливаются трех типов:

I-для главных путей 1-го и 2-го классов;

II-для главных путей 3-го и 4-го классов, подъездных путей с интенсивной работой, приемоотправочных и сортировочных путей на станциях;

III-для путей 5-го класса (для малодеятельных подъездных путей промышленных предприятий).

По форме поперечного сечения деревянные шпалы подразделяются на три вида (рисунок 3): обрезные (а), полуобрезные (б), необрезные (в)

а                                        б                               в

Рисунок 3 – Формы поперечного сечения шпал

Таблица 3 – Габаритные размеры деревянных шпал

Порядок расположения шпал по длине рельсового звена называют эпюрой шпал. На железных дорогах РФ применяют четыре эпюры, соответствующей укладке 1440, 1600, 1840 и 2000 шпал на 1 км пути.

Достоинство деревянных шпал: они упруги, легко обрабатываютя, неэлектропроводны, устойчивы в балласте. В то же время деревянные шпалы стали очень дефицитными и дорогими, срок службы – небольшой, они выходят из строя из-за износа, трещин и гниения. 

Помимо деревянных шпал на железнодорожном транспорте используют также и железобетонные шпалы.  Арматура таких шпал состоит из 44 стальных проволок диаметром 3 мм. Эти проволоки до бетонирования подвергают сильному натяжению. После твердения бетона с проволоками последние освобождают от растягивающих сил, и они, стремясь возвратиться к своей первоначальной длине, сжимают бетон. Создается предварительное напряжение, предохраняющие шпалы от появления трещин во время эксплуатации.

Железобетонные шпалы имеют одинаковые размеры (рисунок 4), что положительно сказывается на плавности движения поездов. Они не боятся воды, солнца, мороза и не гниют в отличие от деревянных шпал. Длина шпалы 2700 мм, масса – 270 кг.     

Металлические шпалы не получили в нашей стране распространения из-за большого расхода металла, подверженности коррозии, электропроводности, большой жесткости и неприятного шума при движении поездов.

Рисунок 4 – Габаритные размеры железобетонных шпал

Рельсовые скрепления. Противоугоны

Рельсовый путь представляет собой две непрерывные рельсовые нити, расположенные на определенном расстоянии одна от другой благодаря креплению рельсов к шпалам и отдельных рельсовых звеньев друг к другу. Рельсы соединяют со шпалами с помощью промежуточных скреплений, которые должны обеспечивать надежную и достаточно упругую их связь, неизменную ширину колеи и необходимый уклон рельсов, не допускать их продольного смещения и опрокидывания, а при использовании железобетонных шпал помимо этого электрически изолировать рельсы и шпалы. Существуют три основных типа промежуточных скреплений: нераздельные, смешанные и раздельные.

Рисунок 5 – Рельсовые скрепления

При нераздельном скреплении рельс и подкладки, на которые он опирается, крепят к шпалам одними и теми же костылями или шурупами. При смешанном скреплении подкладки, кроме того, крепят к шпалам дополнительными костылями. Смешанное костыльное скрепление с применением клинчатых подкладок, имеющих уклон 1:20, широко распространено на дорогах нашей страны. Его достоинствами являются простота конструкции, небольшая масса, сравнительная легкость зашивки, перешивки и разборки пути. Однако такое скрепление не гарантирует постоянства ширины колеи и способствует механическому изнашиванию шпал.
При раздельном скреплении рельс соединяют с подкладками жесткими или упругими клеммами и клеммными болтами, а подкладки крепят к шпалам болтами или шурупами. Достоинства раздельного скрепления (возможность смены рельсов без снятия подкладок, большое сопротивление продольным усилиям, обеспечение постоянства ширины колеи) способствуют все более широкому его применению, хотя оно несколько дороже и сложнее по конструкции скреплений других видов.

Рельсовые звенья соединяют друг с другом с помощью стыковых скреплений, основными элементами которых являются накладки, болты с гайками и пружинные шайбы. Стыковые накладки предназначены для восприятия в стыке изгибающих и поперечных сил. Двухголовые накладки изготавливают из высокопрочной стали и подвергают закалке. Болты, как и накладки, должны обладать высокой прочностью. Под их гайки для обеспечения постоянного натяжения подкладывают пружинные шайбы. В последнее время переходят на применение шестидырных накладок.

По расположению относительно шпал в качестве стандартных приняты стыки на весу, что обеспечивает большую упругость и удобство подбивки балласта под стыковые шпалы. Так как с изменением температуры длина рельсов меняется, между их торцами в стыках оставляют зазор, наибольшая величина которого во избежание сильных ударов колес подвижного состава не должна превышать 35  мм. Каждому значению температуры воздуха (и рельсов) соответствует определенный стыковой зазор.

Для обеспечения возможности некоторого перемещения концов рельсов в стыках болтовые отверстия в ранее изготавливавшихся рельсах имели форму овала (с большой осью, направленной вдоль рельса) или круга большего диаметра, чем у болтов. Вновь выпускаемые рельсы имеют только круглые отверстия, что повышает прочность рельсов и упрощает технологию их изготов­ления.

На линиях с автоблокировкой на границах блок-участков применяют изолирующие стыки, препятствующие прохождению электрического тока от одного из соединяемых рельсов к другому. В стыковой зазор помещают прокладку из текстолита или трикопа, имеющую очертания рельса. В последнее время все шире применяют клееболтовые стыки, в которых металлические стыковые накладки, изолирующие прокладки из стеклоткани и болты с изолирующими втулками соединяют с помощью эпоксидного клея с концами рельсов в монолитную конструкцию.

Рисунок 6 – Конструкция изолирующего стыка

На линиях с электрической тягой и автоблокировкой для беспрепятственного прохождения тока через стык устанавливают специальные стыковые соединители.

Под действием сил, которые возникают при движении поездов, особенно при торможении на затяжных спусках, может происходить продольное перемещение рельсов по шпалам или вместе со шпалами по балласту, называемое угоном пути. Для предотвращения угона пути применяют противоугоны. Стандартные пружинные противоугоны представляют собой пружинную скобу, защемляемую на подошве рельса и упирающуюся в шпалу. На 25-метровом рельсовом звене устанавливают от 18 до 44 пар противоугонов.

Рисунок 7 – Противоугон

Балластный слой

Основным назначением балластного слоя является восприятие давление от шпал и равномерное распределение его на основную площадку земляного полотна, обеспечение устойчивости шпал под воздействием вертикальных и горизонтальных сил, обеспечение упругости подрельсового основания. Балластный слой не должен задерживать на своей поверхности воду, предохранять основную площадку от переувлажнения. Материал для балласта должен быть прочным, упругим, устойчивым под нагрузкой и атмосферными воздействиями, дешевым.

В качестве балласта применяют щебень из твердых горных пород, из дробленных валунов и гальки – это лучшие балластные материалы. Размеры щебенок от 25 до 60 мм.

Кроме этих балластов применяют асбестовый балласт, представляющий собой отходы обогатительных фабрик у месторождений хризотиласбеста. Реже применяют гравийный, гравийно-песчаный, песчаный балласт, ракушку, и металлургические шлаки.

Контрольные вопросы:

1) Элементы, относящиеся к верхнему строению пути.

2) Типы рельсов.

3) Назначение рельсовых скреплений, их основные виды.

4) Преимущества и недостатки применения бесстыкового пути?

5) Деревянные и железобетонные шпалы, их достоинства и недостатки.

6) Что называется эпюрой шпал?

7) Назначение противоугонов.

8) Требования, предъявляемые к балласту.