КВАЗИБЕССТЫКОВАЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ КОЛЕЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ
QUASICONTINUOUS WELDED TRACK OF MAINLINE SECTIONS

Известна железнодорожная колея с двумя одинарными плетями рельсов, торцы которых стыкуются между собой с помощью накладок и между которыми имеются зазоры в несколько миллиметров для компенсации их температурных деформаций [См. « Конструкция железнодорожного пути и его содержание». Авторы: М.А.Фришман, Н.А.Пономаренко, С.И.Финицкий. Москва: Транспорт, 1987, стр.34-46, 48-61, 89-95, 98-103, 167-190, 195-204, 217, 218, 247-266].
Примечание. Требует пояснения термин «Квазибесстыковая железнодорожная колея…» Приставка «Квази-» означает «как будто», т.е. на самом деле зазоры между торцами рельсов есть, более того, они могут быть рассчитаны на большие перепады температур, чем принято рассчитывать в известных устройствах железнодорожной колеи с болтовыми стыками, например, до 150°С. Но, несмотря на наличие даже увеличенных зазоров в стыках рельсов, предлагаемое изобретением устройство железнодорожной колеи практически полностью исключает их негативные проявления. Более подробные сведения об устройстве и свойствах предлагаемой изобретением железнодорожной колеи приведены в описании далее.
По рельсам движутся экипажи (локомотивы, вагоны и т.д.) с колесами в виде стальных дисков, имеющих гребень, расположенный с внутренней стороны колеса, и дорожку катания - с наружной, колеса которой опираются на рельсы и катятся по ним. При качении колес по рельсам гребень не позволяет колесу соскальзывать с рельса в поперечном направлении и таким образом обеспечивается устойчивое движение экипажей по железнодорожной колее. Однако известное устройство железнодорожной колеи имеет ряд недостатков:
- каждый участок рельса испытывает пульсирующую нагрузку от каждого перекатывающегося по нему колеса, в основном изгибающую рельс в вертикальной плоскости, причем максимальный изгиб испытывают концы рельсов в месте их стыков, которые по схеме нагружения являются консолями. И хотя концы смежных по длине рельсов соединяются накладками, расположенными с двух сторон рельсов и стягиваемыми болтами, суммарная жесткость двух накладок (т.е. способность их сопротивляться изгибу) в несколько раз меньше таковой у сплошного рельса. Например, для рельса Р50 она (суммарная жесткость двух накладок) примерно в три раза меньше жесткости самого рельса. Следовательно, накладки в сравнительно малой степени разгружают концы рельсов от увеличенного изгиба и более раннего излома по сравнению со средней частью рельса. Да, к тому же отверстия на концах рельсов, служащие для закрепления накладок, являются концентраторами напряжений и
зачастую от них начинаются трещины, выводящие рельс из строя. Этот недостаток усугубляется практически ударной нагрузкой на стыки рельсов от колес;
- ударные нагрузки на колеса со стороны стыков, как реакция на наезд колеса на стык, которые передаются на все элементы экипажей и выводят их преждевременно из строя;
- недостаточна жесткость рельсов в поперечном направлении, вследствие чего при случайных поперечных нагрузках, а также на поворотах, происходит их искривление в плане, местные уширения колеи и т.д., что вызывает « виляние» и раскачивание вагонов и локомотивов и опять-таки способствует ускоренному износу их элементов.
Что касается пассажирских поездов, то стуки колес, «виляние», раскачивание и т.д. отнюдь не повышают комфортность проезда пассажиров.
Одним из способов уменьшения отрицательного влияния указанных выше факторов являются меры по уменьшению количества стыков: применение рельсов вдвое большей длины (25 вместо 12,5 м), хотя в более или менее серьезной степени это проблемы не решает; применение участков бесстыкового пути длиной 500-1500 м и более, которые получаются при сваривании по торцам соседних рельсов.
Бесстыковой путь много кардинальнее решает проблему плавности движения по рельсам экипажей, но его применение порождает новые проблемы из-за присущих только ему недостатков:
- работоспособное состояние бессстыкового пути в сильной степени зависит от перепадов температуры окружающего воздуха, особенно от внезапных, а также от нагрева рельсов солнцем.
В бессстыковом пути температурные удлинения рельсовых плетей «подавляют», значительно прочнее закрепляя их к шпалам.
Но это «подавление» не дается даром - в поперечных сечениях рельсов при повышении температуры появляются сжимающие напряжения, которые стремятся удлинить рельс. Но, поскольку он не может двигаться вдоль, то при превышении этими напряжениями некоторой критической величины (или при превышении температурой рельсов критической величины) рельсы вместе со шпалами могут резко сдвинуться в поперечном направлении - происходит так называемый «выброс», т.е. искривление в одну сторону двух рельсовых плетей одновременно со шпалами на расстояние до 10 см и более, что практически всегда ведет к сходу подвижного состава с рельсов.
Все вышеупомянутое заставляет держать бесстыковые участки пути под пристальным вниманием, содержать усиленный контингент рабочих и все работы по обслуживанию бесстыковых участков выполнять особенно тщательно и согласованно. К тому же замена дефектных участков бесстыковых плетей много сложнее: если на стыковых участках достаточно убрать крепление рельсов к шпалам и между собой и заменить дефектный рельс новым, то на бесстыковых участках надо дефектную часть рельса вырезать, приняв меры против самопроизвольного сдвига обеих рельсовых плетей в продольном или поперечном направлениях, что само по себе трудоемко, а потом на место вырезанного участка вварить кондиционный рельс, причем сам процесс сварки довольно сложен и имеет ограничения по температуре окружающего воздуха во время его проведения. Так, при температуре ниже минус 10°С такая сварка вообще запрещена. Да, и металл сварного шва довольно значительно уступает по прочности металлу целого рельса и является местом повышенного риска.
Предлагаемое настоящим изобретением устройство железнодорожной колеи устраняет отмеченные выше недостатки известного устройства этой колеи.
Во-первых, каждое колесо экипажей катится почти все время по двум рельсам сдвоенной плети и только в тот момент, когда оно проезжает над стыком рельсов, основное опирание его приходится на середину рельса, расположенного напротив стыка в сдвоенной плети и поэтому удара колеса о стык не происходит. И вообще, заметить момент прохождения колеса над стыком, находясь в экипаже, практически невозможно.
Во-вторых, снижается нагрузка на рельсы, поскольку масса экипажей распределяется равномерно на 4 рельса, а не на 2, что способствует увеличению сроков их службы.
В-третьих, отпадает необходимость в установке накладок в стыках рельсов и крепежных элементов (а это около 8 тонн на один километр известного устройства железнодорожной колеи).
В-четвертых, увеличивается жесткость рельсовых плетей: в вертикальном направлении в два раза, в горизонтальном - в 10 раз. И как следствие этого, а также того, что противолежащие рельсы в сдвоенной плети соединены между собой стяжными шпильками, многократно снизится возможность расхождения плетей друг от друга. Т.е. экипажи смогут двигаться по железнодорожной колее в несколько раз более плавно без «виляний» и раскачиваний, что будет способствовать значительному повышению скоростей их движения.
В-пятых, улучшатся условия работы шпал и в целом железнодорожного полотна из-за более равномерной нагрузки на них (площадь опирания рельсов на шпалы в два раза больше, а значит, удельное давление на шпалы и полотно в два раза меньше).
В-шестых, не требуется трудоемкое и хлопотное обслуживание, которое необходимо выполнять для безаварийного содержания известного бесстыкового пути, при сохранении всех преимуществ железнодорожной колеи с «зазоровыми» стыками в части удобства замены рельсов.
Устройство квазибесстыковой железнодорожной колеи показано на Фиг.1 и Фиг.2.
На Фиг.1 схематически изображен вид сверху участка этой колеи.
Здесь: 1 - сдвоенная рельсовая плеть; 2 - стяжные шпильки с элементами их крепления к рельсам; А - зазор между торцами рельсов.
На Фиг.2 изображен поперечный разрез Б-Б сдвоенной плети.
Здесь: 3 - рельс, например, Р50 длиной 12,5 или 25 м; 4 - стяжная шпилька со сферическим пояском «Г»; 5 - резьбовая втулка с шестигранником под ключ и конической проточкой «В»; 6 - косая шайба; 7 - гайка; 8 - пружинная шайба; Д - профиль рабочей поверхности колеса.
Предлагаемый изобретением профиль рабочей поверхности колеса состоит из двух частей: левой (как показано на Фиг.2), которая имеет известный профиль, начиная от боковой поверхности колеса до наиболее удаленной от оси колеса точки Е его гребня, и симметричной ей относительно оси И правой части.
Каждый рельс в своей средней части закрепляется к шпалам так, что исключается возможность перемещения этой средней части в продольном направлении, и все температурные удлинения (или сокращения) происходят за счет перемещения его половин в противоположные стороны. В остальных местах крепление рельсов к шпалам производится известными способами.
Противолежащие рельсы в сдвоенных плетях наклонены навстречу друг другу на одинаковые углы по отношению к вертикали, например, на такие, которые приняты для одиночных плетей в известных устройствах железнодорожной колеи (так называемая «подуклонка»), при этом между рельсами остается некоторое пространство, в котором размещается средняя часть колеса по п.2 формулы с гребнем. Головки самих рельсов образуют как бы края желоба, по которым катится это колесо.
Стяжные шпильки расположены с шагом, например, 2 м, при этом они обязательно должны соединять концы рельсов в стыках с серединами противолежащих в сдвоенных плетях рельсов и служат для обеспечения стабильного расстояния между рельсами сдвоенной плети, при этом они не препятствуют продольному перемещению рельсов при их температурных деформациях, так как их концы закреплены к противолежащим рельсам шарнирно и имеют возможность поворачиваться на некоторый угол, который определяется величиной продольного перемещения противолежащих участков рельсов, соединяемых стяжной шпилькой относительно друг друга.