Рельс

РЕЛЬСЫ — стальные балки специального сечения, укладываемые на шпалы или другие опоры для образования, как правило, двухниточного пути, по которому перемещаются ж.-д. подвижной состав (в т. ч. городской - трамвай и метрополитен), специализированный состав в шахтах и карьерах, крановое оборудование. Иногда используется один рельс (например, в монорельсовых дорогах, для перемещения кран-балки). Рельсы соединяют между собой в стыках специальными скреплениями или сваркой (бесстыковой путь).

Рельсы являются основным элементом верхнего строения пути, предназначены непосредственно воспринимать и передавать нагрузки от колес подвижного состава на подрельсовые опоры, направлять колеса подвижного состава, а также служат электрическими проводниками на участках с автоблокировкой и электротягой. Они должны быть достаточно прочными (сталь), иметь большие моменты инерции и сопротивления, чтобы возникающие в них напряжения изгиба и кручения не превышали допустимые значения, долговечными (должны иметь высокую твердость, износостойкость и вязкость), обладать высокой контактно-усталостной выносливостью.

За историю существования железных дорог рельсы прошли долгую эволюцию от чугунных до железных и, наконец, стальных. Форма рельсов также претерпевала изменения: известны уголковые, грибовидные, двухголовые, широкоподошвенные рельсы. На мировой сети ж. д. повсеместно применяются только широкоподошвенные рельсы. Профиль широкоподошвенных рельсов обеспечивает необходимое сопротивление их изгибу в вертикальном и горизонтальном направлениях, наибольший запас металла в головке на износ (в зоне контакта с колесами), наибольшее сопротивление скручиванию и опрокидыванию при передаче колесами рельсам поперечных горизонтальных сил. Форма головки, шейки, подошвы, радиусы сопряжения определяются условиями эксплуатации, в т. ч. уровнем осевых нагрузок, скоростями движения, грузонапряженностью, а также принятой технологией изготовления.

При схожей форме широкоподошвенных рельсов их мощность определяется массой одного погонного метра и качеством рельсовой стали. На ж. д. США, Канады, где типовые грузовые вагоны имеют осевые нагрузки 30-35 тс/ось, масса большинства укладываемых в путь рельсов составляет 65,53-69,40 кг/м. На ж. д. Западной Европы при вагонных нагрузках 22,5—25,0 тс/ось на большинстве магистральных линий применяется рельс ЩС60 массой 60,34 кг/м. В качестве основного рельса на дорогах России при небольших допускаемых осевых нагрузках вагонов 23,5-24 тс/ось, учитывая, что большая часть протяженности ж.-д. сети эксплуатируется в суровых климатических условиях, принят типовой рельс Р65 (масса 64,72 кг/м).

Рельсы стандартной длины, выпускаемые для укладки в звеньевой путь, около своих концов имеют на шейке обычно по три отверстия для обеспечения стыкования с помощью «клинчатых» накладок, охватывающих смежные рельсы с двух сторон и соединенных между собой стыковыми болтами. Для возможности удлинения (при нагревании) или укорочения (при понижении температуры относительно укладки) рельса диаметры стыковых болтов делаются меньше диаметров отверстий в рельсах, что позволяет изменять величину стыкового зазора обычно от нуля до 21-23 мм. Зазоры больших размеров приводят к резкому увеличению воздействия колес подвижного состава. Стыковые накладки, стянутые болтами, создают значительное сопротивление перемещению рельса, достигающее по одной рельсовой нити 200-250 кН. Для его преодоления и начала перемещения концов рельсов (с со- ответствующим изменением величины стыкового зазора) необходимо нагревание (или охлаждение) рельса на 10—12 °С. Стыки являются «слабым» местом ж.-д. пути, т. к. помимо необходимости в добавочных элементах (накладках, болтах, гайках и др.) в зоне стыка имеется добавочное динамическое воздействие на путь подвижного состава. В целях уменьшения числа стыков на протяжении всей истории существования ж. д. (и одновременного совершенствования завод- ских технологий) во всех странах проводилось увеличение длины стандартных рельсов. Например, на дороге Санкт-Петербург-Москва при ее постройке в 1851 г. были уложены рельсы длиной 5,49 м; в 1892 г. в России стандартным стал рельс длиной 10,67 м, затем - 12,5 м; позже - 25 м. В Германии и Австрии от стандартной длины рельса 15 м перешли к длинам 30 и 60 м. В Англии, Италии, Франции, Швейцарии в дополнение к стандартной длине рельса 18 м введена длина 36 м. В США вместо стандартной длины 11,89 м стали применять рельсы удвоенной длины 23,78 м. Переход от звеньевого к бесстыковому пути проходил с постепенным удлинением сварных рельсовых плетей. На дорогах России (и в ряде зарубежных стран) еще большая часть бесстыкового пути представляет собой сварные плети длиной 250-800 м, между которыми уложены 3—4 уравнительных рельса длиной по 12,5 м. Следующим этапом совер- шенствования этой конструкции является ликвидация уравнительных рельсов с удлинением сварных плетей до размеров блок-участка B,5—3 км), где на первом этапе приходилось укладывать 4 уравнительных рельса с изолирующим стыком посередине участка.

В последнее время широко внедряется бесстыковой путь, не имеющий уравнительных рельсов. Существуют два основных варианта такой конструкции. В первой, получившей наибольшее распространение на ж. д., рельсовые плети длиной, равной длине блок-участка, соединяются между собой мощными электроизолирующими стыковыми накладками. Вторая конструкция основана на применении непрерывных сварных плетей протяженностью от станции до станции (обычно со сваркой стыков в зоне стрелочных переводов и главного пути в пределах станции). В последнем случае на границах блок-участков применяется т. н. тональная блокировка, учитывающая различные частоты сигнального тока в смежных сварных плетях. Образование рельсовых плетей, равных длине блок-участка (или всего перегона), производится в следующей последовательности. На рельсосварочных предприятиях (РСП) из рельсов стандартной длины (не имеющих болтовых отверстий) с помощью электроконтактной или газопрессовой сварки формируют плети обычно длиной 800 м, которые на специальных поездах доставляют на перегонах к месту укладки. После раскладки согласно проекту их сваривают с помощью передвижных сварочных агрегатов в непрерывные рельсовые нити заданной длины.

Стандартные рельсы, выпускаемые заводами, в зависимости от условий эксплуатации разделяются на две категории - рельсы обычной длины (т. н. короткие) и удлиненные рельсы. Рельсы обычной длины, уложенные в путь, имеют по концам зазоры, размер которых достигает своего конструктивного максимума (например, 21 мм) только при самой низкой температуре зимой, а нулевых размеров - при самой высокой температуре летом. Под воздействием солнечных лучей максимальная температура рельса (t$ax) выше температуры окружающего воздуха (t£ax) на величину At =15-20 °С; при расчетах обычно принимают tf3* = ^g1** + 20 °С. Длинными рельсами принято называть такие, у которых летом при температуре t'p, меньшей чем t^ax, величина стыкового зазора становится равной нулю и торцы рельсов испытывают нажатие соседних рельсов, а зимой полное раскрытие зазора происходит, когда температура еще не достигает минимальной t™m. Так, отечественные стандартные рельсы типа Р65 длиной 25 м в районах с небольшими годовыми температурными амплитудами для рельсов (Ггод), например в районе Новороссийска (^ах = 59 °С, £™п = -24 "С, ГГОД = 83 °С), будут работать в пути как рельсы обычной длины, а в Сибири, ок. Читы а™ах = 59 °С, t™m = -52 °C, Ттл = 111 °С) эти же рельсы следует рассматривать как длинные.

После смыкания зазора дальнейшее повышение температуры приводит к образованию в двух смежных рельсах больших продольных сил N" . Расчетами и экспериментами установлены максимально допустимые величины Nmax , превышение которых может привести к потере устойчивости (выбросу) рельсо- шпальной решетки. Поэтому длинные рельсы (как и рельсы, сваренные в плети бесстыкового пути) при проектировании ж.-д. пути в конкретных условиях эксплуатации рассчитывают на прочность и устойчивость (см. также Бесстыковой путь).

В процессе эксплуатации происходит снижение служебных свойств рельсов за счет износа головки (особенно в кривых малых радиусов и на тормозныучастках); коррозии подошвы; возникновения поверхностных и внутренних дефектов в металле. Все это сокращает максимально допустимую нормативную наработку пропускаемого по рельсам тоннажа; на прямых участках ж. д. России и кривых радиусом более 1000 м тоннаж обыч- но колеблется в пределах 600-700 млн. т брутто, в кривых участках пути радиусом 300- 1000 м тоннаж в 2-4 раза меньше. В целях поддержания служебных свойств рельсов на требуемом (для данных условий эксплуатации) уровне, а также продления срока их службы в пути, разработаны и широко применяются следующие технические мероприятия.

Периодическое выравнивание головки путем шлифовки, фрезерования или строжки ее поверхности с ликвидацией т. н. волнообразного износа, который образуется при периодическом максимальном и минимальном воздействии колес однотипного подвижного состава на одних и тех же коротких участках рельсовой колеи. Профильная шлифовка рельсов специальными поездами, оборудованными вращающимися абразивными кругами, с формированием т. н. ремонтных профилей головки (в зависимости от формы износа рельса) для восстановления его первоначального проектного очертания, удаления металла в зоне выкружки головки, где имеются внутренние микротрещины, выравнивания поверхности катания. Дозированная смазка (лубрикация) боко- вой рабочей грани наружных рельсов в кри- вых радиусом менее 500-600 м с применением лубрикаторов — стационарных, а также уста- новленных на локомотивах, дрезинах, ваго- нах. При очень обильной смазке боковой из- нос рельсов может быть сведен практически к нулю (что и имеет место на эксперимен- тальном замкнутом полигоне ВНИИЖТ, ст. Щербинка). В этом случае сроки службы рельсов в кривых Ж 500-600 м определя- ются их одиночным выходом по дефектам контактно-усталостного происхождения с об- разованием (после определенной наработки) трещин около рабочей выкружки головки, где металл под воздействием колес работает в зоне ограниченного предела выносливости. Экспе- риментально установлено, что при определен- ной (оптимальной) интенсивности износа го- ловки микротрещины не успевают появ- ляться, т. к. эта зона металла удаляется за счет истирания рельса проходящими колесами При этом максимум контактных напряжений по мере нарастания бокового износа переме- щается к середине головки, где усталостные процессы в металле еще только начинают раз- виваться. Для условий ж. д. России установ- лены следующие величины износа головки при R = 300-400 м - 0,05; # = 401-500 м - 0,04; R 2*500 м - 0,03. Если лубрикация от- сутствует, то интенсивность бокового износа в кривых указанных радиусов У&ж" > Y<x>io Де~ фекты контактно-усталостного происхожде- ния не появляются, но боковой износ головки быстро достигает разрешенного максимума. Профильная шлифовка и дозированная луб- рикация позволяют увеличить сроки службы рельсов в пути в 1,5-2 раза. Перекладка рельсов с заменой рабочего канта. Широко применяется в кривых ради- усом менее 500—550 м в тех случаях, когда интенсивность бокового износа наружного рельса УбоК больше (или равна) у^к- После взаимного смещения наружной и внутренней рельсовых нитей бывшие нерабочие канты (обычно имеющие небольшой износ) становят- ся после перекладки рабочими, что позволяет использовать обе стороны головки рельсов. В тех случаях, когда на внутренней рельсовой нити в кривой обнаружены дефекты или имеет место большое смятие головки, перекладка наружного рельса на место внутреннего про- изводится обычным порядком (со сменой ра- бочего канта), но внутренний рельс для пе- рекладки не используется (вместо него укла- дываются новые рельсы). Общие сроки службы рельсов определя- ются объемами пройденного тоннажа: по но- вым рельсам; по переложенным с заменой рабочего канта, а также сняты при капиталь- ном ремонте и переложенным на менее дея- тельные пути (т. н. старогодные рельсы, или рельсы второй укладки). Перед вторичным использованием снимаемые при капитальных ремонтах рельсы первой укладки направля- ются на рельсосварочные предприятия (РСП) для комплексного оздоровления. В РСП после рассортировки и дефектоскопирования, обрез- ки изгибных концов, сварки «коротышей» в рельсы стандартной длины производится об- работка головки (строжкой, фрезерованием, шлифовкой) с целью удаления неровностей и придания головке рельса проектного очер- тания. После обработки рельсы типа Р65 мо- гут укладываться отдельными звеньями или плетями длиной до 800 м на главных путях с грузонапряженностью, как правило, 15— 40 млн. т брутто и максимальными скоростя- ми не выше 100 км/ч. На скоростных линиях укладываются только новые рельсы, сварен- ные в плети бесстыкового пути. В процессе эксплуатации новых рельсов после наработки обычно 300-400 млн. т брут- то, если не проводилась периодическая про- фильная шлифовка, начинается одиночный выход рельсов по дефектам, появляющимся обычно в зоне стыков, местах некачественной сварки, за счет глубоких «пробуксовин» (при проскальзывании колес локомотивов на кру- тых подъемах); появляются также внутренние дефекты в головке при наличии в метал- ле скоплений неметаллических включений. Обычно к моменту назначения очередного ка- 15* питального ремонта пути со сплошной сменой рельсов (при наработке 650-750 млн. т брут- то) из 80 штук 25-метровых рельсов дефек- тоскопированием и другими техническими приемами на 1 км пути обнаруживаются 2-4 остродефектных рельса, имеющих неметалли- ческие включения, как правило, превышаю- щие разрешенные нормативы. Такие рельсы подлежат немедленной замене, т. к. возможен их сквозной излом под проходящим поездом. Дефект в головке рельса типовые дефекто- скопы (установленные на вагонах, дрезинах, съемных тележках) обычно обнаруживают, когда площадь внутренней трещины достигает не менее 9-12% от всей площади сечения го- ловки. Излом рельса под поездом может про- изойти, если площадь дефекта составляет при температуре рельса до минус 15-20 °С 25- 30% площади всей головки; при очень низких температурах (достигающих на дорогах Си- бири до -50 °С) излом возможен при меньшем (в 1,5-1,8 раза) размере дефекта. Контрольными измерениями на специаль- ных стендах установлено, что значительное число рельсов, удаленных из пути при их сплошной смене (после пропуска норматив- ного тоннажа), имеют в головке внутренние дефекты, но их площадь меньше разрешаю- щей способности типовых дефектов. Если эти рельсы (без сортировки и профильной обра- ботки головки в РСП) уложить в путь на менее деятельной линии, то под воздействием колес подвижного состава происходит даль- нейшее развитие внутренних дефектов и уже после пропуска тоннажа 50-100 млн. т брутто часть из них может быть обнаружена. В ре- зультате потребуется одиночное изъятие зна- чительного числа рельсов, ставших остроде- фектными. В этой связи в РСП при обработке головки рельса ей придается т. н. ремонтный профиль, при котором колеса проходящих по- ездов будут взаимодействовать с той поверх- ностью рельса, где металл не потерял уста- лостную прочность. Качество рельсовой стали определяется ее химическим составом, а также микро- и мак- роструктурой. С увеличением содержания в стали углерода повышается общая прочность рельсов при изгибе, твердость и износостой- кость. Марганец увеличивает твердость, из- носостойкость и вязкость рельсовой стали, а кремний - твердость и износостойкость. Фос- фор и сера - вредные примеси. При низких температурах рельсы с большим содержанием фосфора становятся хрупкими, а серы - крас- ноломкими (образуются трещины при прокате рельсов). Мышьяк несколько повышает ус- талостную прочность и ударную вязкость рельсов при незначительном снижении твер- дости и износостойкости. Ванадий, титан, цир- коний - микролегирующие и модифицирую- щие добавки, улучшающие структуру и ка- чество стали. Сталь для рельсов должна иметь чистое, однородное, плотное мелкозернистое строе- ние; ее выплавляют мартеновским и кисло- родно-конвертерным способом. Мартенов- скую сталь варят в печах (вместимостью 180— 500 т) в течение нескольких часов, а кисло- родно-конвертерную — в конвертерах (вме- стимостью 100-300 т) в течение нескольких десятков минут. Применяется объемная за- калка всего рельса в масле, а также поверх- ностная закалка головки токами высокой ча- стоты с охлаждением воздушной и водовоз- душной смесью. Требования к рельсам регламентированы Государственными стандартами, в которых приводятся геометрические размеры рельсов, допуски и другие показатели. Так, для оте- чественных рельсов значения временного со- противления на растяжение должны быть не менее: 1170 МПа (объемнозакаленные рельсы первого класса), 1100 МПа (второго класса) и 860-900 МПа (незакаленные рельсы). Объ- емнозакаленные рельсы имеют срок службы в 1,3—1,5 раза выше, чем обычные. Условия эксплуатации рельсов на дорогах Сибири и Дальнего Востока существенно сложнее, чем в Европейской части России. Для этих дорог созданы и внедряются рельсы повышенного качества низкотемпературной надежности типа Р65. Это объемнозакаленные рельсы I группы, изготовляемые из вана- дий-ниобий-боросодержащей стали с исполь- зованием для легирования азотированных ферросплавов. Для этих рельсов используется электросталь, производимая в дуговых печах. При температуре -60 °С рельсы из электро- стали выдерживают ударные нагрузки, вдвое большие, чем рельсы из мартеновской стали. В настоящее время в России и за рубежом ведутся разработки рельсов, не имеющих ме- таллических включений, с низким уровнем остаточных напряжений (после проката и правки на заводе) и прочностными характе- ристиками, исключающими появление дефек- тов контактно-усталостного происхождения. Все рельсы заводского производства имеют маркировку, выкатанную (выпуклую) на шей- ке по длине рельса (примерно через 2—3 м), в которой указан завод-изготовитель, месяц и год прокатки, тип рельса, а также поряд- ковый номер рельса от головной части слитка. На торце рельса ставят клейма ОТК, инс- пектора-приемщика и номер плавки стали, по- 228 зволяющий установить, к какой группе (по качеству стали) относится рельс. Помимо ос- новной заводской маркировки, указывающей соответствие рельсов требованиям стандартов, производится дополнительная маркировка, выполненная краской, отмечающая особенно- сти каждого отдельного рельса (в т. ч. уко- рочение, сорт И Т. Д.).