Рельсовая колея. Устройство рельсовой колеи. Наибольшая ширина колесной пары

Рельсовая колея - это расстояние между внутренними боковыми гранями головок рельсов, измеряемое на уровне 13 мм ниже поверхности катания, в нашей стране еще в начале строительства железных дорог была принята равной 5 футам, то есть 1524 мм. В большинстве других стран нормальная ширина колеи 1435 мм. В Индии, Пакистане, Цейлоне, Испании, Португалии, Аргентине и Чили принята ширина колеи 1676 мм, в Бразилии, Северной Ирландии - 1600 мм, в Японии и ряде африканских стран - 1067 мм.

Во многих странах имеются узкоколейные дороги с шириной колеи 750, 600, 500 мм и других размеров.

Для улучшения взаимодействия пути с подвижным составом Правилами технической эксплуатации железных дорог, утвержденными МПС в 1970 г., ширина колеи уменьшена с 1524 до 1520 мм.

Нормальная ширина колеи относится к прямым участкам и к кривым радиусом 350 м и более. Для кривых радиусом от 349 до 300 м она равна 1530 мм, а при радиусах кривых менее 300 м - 1535 мм. Уширение колеи в кривых малых радиусов устраивают для облегчения прохождения по ним подвижного состава. В кривых радиусом от 650 до 300 м ширина колеи может иметь дополнительное уширение на величину фактического бокового износа головки рельсов, но не более чем до 1530 мм в кривых радиусом 650-450 м, 1535 мм - в кривых радиусом 449-350 м и 1540 мм - в кривых радиусом 349 м и менее.

Из-за невозможности обеспечить абсолютно точную величину ширины колеи при сборке рельсошпальной решетки и неизменяемость ее в эксплуатации установлены допуски в содержании колеи, равные +8 и -4 мм. Это значит, что при норме 1520 мм ширина колеи может колебаться в пределах от 1528 до 1516 мм. Для кривых участков применяют те же допуски, но с одним ограничением - ширина колеи более 1548 мм ни в каких случаях не допускается, так как такое увеличение создает опасность возможного распора ее частью колеса с увеличенной коничностью поверхности.

Если на участке установлены допускаемые скорости движения поездов 50 км/ч и менее, допускается уширение колеи до 10 мм, а сужение 4 мм.

На существующих линиях впредь до их перевода на колею 1520 мм допускается ширина колеи: на прямых участках и в кривых радиусом 350 м и более - 1524 мм; в кривых радиусом от 349 до 300 м - 1530 мм, а радиусом 299 м и менее - 1540 мм.

Имеются отдельные участки с колеей 1524 мм, где сохранились еще кривые со следующими величинами ширины колеи: при радиусах от 650 до 450 м - 1530 мм; при радиусах 449 до 350 м - 1535 мм; при радиусах 349 м и менее - 1540 мм.

До перехода на колею 1520 мм разрешено содержать путь по этим нормам.

В тяжелых условиях (горные линии, внутризаводские пути и т. д.), когда применяют очень крутые кривые и ширина колеи 1548 мм оказывается недостаточна, может быть допущено дополнительное уширение, но при условии укладки контррельсов и других устройств, исключающих возможность провала колес внутрь колеи.

Наиболее благоприятным является свободное вписывание в кривую жесткой базы локомотива или вагона (рис. 1), когда передняя ось прижата гребнем одного колеса к наружной рельсовой нити, а задняя касается гребнем внутренней рельсовой нити; при этом задняя ось оказывается расположенной по направлению радиуса кривой. В этом случае жесткая база единицы подвижного состава устанавливается внутри колеи совершенно свободно.

Самым неблагоприятным видом вписывания является заклиненное вписывание (рис. 2), при котором оба крайних колеса в жесткой базе оказываются прижатыми гребнями к рельсу. Такое вписывание вызывает очень большое сопротивление движению поезда и небезопасное давление колес на рельсы. Вписывание, по своему характеру занимающее промежуточное положение между свободным и заклиненным, называют принудительным .

На наших железных дорогах в настоящее время почти всюду находятся в обращении тележечные локомотивы (электровозы и тепловозы) и тележечные грузовые и пассажирские вагоны, имеющие жесткую базу от 1,8 м у четырехосного полувагона до 4,4 м у электровоза.

Переход на короткобазный подвижной состав позволил унифицировать ширину, колеи на прямых и кривых участках (радиусом 350 м и более), за исключением относительно небольшого протяжения путей в горных районах, подъездных, соединительных, внутризаводских и станционных, имеющих радиусы кривых менее 350 м.

При прохождении поездов по кривым участкам путь испытывает значительные дополнительные воздействия от колес подвижного состава. Чтобы избежать резких ударов гребней колес о рельсы при входе поезда в кривые, значительных перегрузок наружных рельсовых нитей из-за появления центробежных сил, облегчить вписывание подвижного состава в кривые и прохождение по ним:

• увеличивают ширину колеи;
• предотвращают искажения проектной кривизны пути;
• наружные рельсовые нити располагают выше внутренних;
• в местах сопряжений прямых участков пути с кривыми устраивают переходные кривые;
• уменьшают расстояния между шпалами;
• смазывают боковые поверхности соприкосновения гребней колес с рельсами.

Большое значение для взаимодействия подвижного состава и пути в кривых имеет размер жесткой базы локомотивов и вагонов. На дорогах РФ находятся в обращении в основном тележечные локомотивы (электровозы и тепловозы) и грузовые и пассажирские вагоны с жесткой базой от 1,8 м у четырехосного полувагона до 4,4 м у электровоза. У короткобазного подвижного состава значительно лучше условия прохождения по кривым, и это позволило унифицировать ширину колеи на прямых и кривых участках (радиусом 350 м и более). Только на относительно небольшом протяжении путей в горных районах, на подъездных, соединительных, внутризаводских и станционных путях, где радиусы кривых остались менее 350 м, производится уширение колеи.

Устройство рельсовой колеи тесно связано с конструкцией и размерами колесных пар подвижного состава. Колесная пара состоит из стальной оси, на которую наглухо насажены колеса, имеющие для предотвращения схода с рельсов направляющие гребни. Поверхность катания колес подвижного состава в средней части имеет коничность 1/20, которая обеспечивает более равномерный износ, большее сопротивление горизонтальным силам, направленным поперек пути, меньшую чувствительность к неисправностям его и препятствует появлению желоба на поверхности катания, затрудняющего прохождение колесных пар по стрелочным переводам. В соответствии с этим и рельсы устанавливаются также с подуклонкой 1/20, что при деревянных шпалах достигается за счет клинчатых подкладок, а при железобетонных - соответствующим наклоном поверхности шпал в зоне опирания рельсов. Расстояние между внутренними гранями головок рельсов называется шириной колеи . Эта ширина складывается из расстояния между колесами (1440 + 3 мм), двух толщин гребней (от 25 до 33 мм) и зазоров между колесами и рельсами, необходимых для свободного прохождения колесных пар. Ширина нормальной (широкой) колеи в прямых и кривых участках пути с радиусом более 349 м принята в СССР 1520 мм с допусками в сторону уширения б мм и в сторону сужения 4 мм. До 1972 г. нормальной на наших дорогах считалась ширина колеи 1524 мм; сужение ее до 1520 мм принято для уменьшения зазора между колесами и рельсами, что при возросших скоростях движения способствует уменьшению расстройств пути.
В соответствии с ПТЭ верх головок рельсов обеих нитей пути на прямых участках должен быть в одном уровне Разрешается на прямых участках пути на всей протяженности каждого из них содержать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой.
При сооружении пути стыки на обеих рельсовых нитях располагают точно один против другого по па-угольнику, что по сравнению с расположением стыков вразбежку уменьшает число ударов колесных пар о рельсы, а также позволяет заготавливать и менять рельсошпальную решетку целыми звеньями с помощью путеукладчиков.
Для того чтобы каждая колесная пара не могла поворачиваться вокруг вертикальной оси, колесные пары вагона или локомотива соединяют по две и более жесткой рамой. Расстояние между крайними осями, соединенными рамой, называется жесткой базой, а между крайними осями вагона или локомотива - полной колесной базой. Жесткое соединение колесных пар обеспечивает устойчивое положение их на рельсах, но в то же время затрудняет прохождение в кривых малого радиуса, где возможно их заклинивание. Для облегчения вписывания в кривые современный подвижной состав выпускают на отдельных тележках с небольшими жесткими базами.

:
а - электровоза ВЛ8, б - одной секции тепловоза ТЭЗ, в - паровоза серии ФД,
г - четырехосного полувагона

Особенности устройства пути в кривых

В кривых участках устройство пути имеет ряд особенностей, основными из которых являются: возвышение наружного рельса над внутренним, наличие переходных кривых, уширение колеи при малых радиусах, укладка укороченных рельсов на внутренней рельсовой нити, усиление пути, увеличение расстояния между осями путей на двух- и многопутных линиях.
Возвышение наружного рельса предусматривается при радиусе кривой 4000 м и менее для того, чтобы нагрузка на каждую рельсовую нить была примерно одинаковой с учетом действия центробежной силы, для равномерного износа наружного и внутреннего рельсов, а также погашения центробежного ускорения, отрицательно влияющего на комфортность езды пассажиров. Размер возвышения зависит от скорости движения поездов и радиуса кривой и обычно не превышает 180 мм (в России - 150 мм).
Известно, что при следовании подвижного состава по кривой радиусом R возникает центробежная сила

где m - масса единицы подвижного состава;
G- вес единицы подвижного состава;
g - ускорение силы тяжести

При возвышении наружного рельса на величину h появляется составляющая сила веса Н, направленная внутрь кривой.

Схема сил, действующих на подвижной состав в кривой при возвышении наружного рельса

Из рисунка понятно, что отношение H/G равно отношению h/s 1. Следовательно Н = Gh/s 1 .
Для одинакового давления на рельсовые нити необходимо, чтобы Н уравновешивала I, тогда равнодействующая N будет перпендикулярна наклонной плоскости пути.
Учитывая, что угол α мал и при максимальном допускаемом возвышении наружного рельса 150 мм cos α = 0,996, можно принять, что Н=I .
Тогда

Откуда

Подставляя s 1 =1,6м, g=9,81 м/с 2 и выражая скорость v в км/ч, а радиус R в метрах, получим возвышение в мм
Поскольку в реальных условиях по кривым проходят поезда разной массы Q i , и с различными скоростями V i , то для равномерного износа рельсов в приведенную формулу подставляют среднюю квадратическую скорость

При h=2,5v ср 2 /R в поездах, следующих со скоростями выше v ср, на пассажиров и грузы будет действовать непогашенное ускорение, равное разнице между центробежным ускорением v 2 /R и направленным к центру кривой ускорением gh/s 1
На дорогах бывшего СССР допускаемое непогашенное ускорение составляет 0,7 м/с 2 и лишь в исключительных случаях 0,9 м/с 2 . При движении поездов со скоростью менее v ср нагрузка на внутренний рельс будет больше, чем на наружный.
Для обеспечения плавного вписывания подвижного состава круговые кривые сопрягаются с прямыми участками с помощью переходных кривых. Между смежными кривыми на железной дороге предусматриваются прямые вставки минимальной величиной от 30 до 150 м в зависимости от категории линии и направления кривых (в одну или в разные стороны).
Устройства переходных кривых связано с необходимостью плавного сопряжения кривой с примыкающей прямой как в плане, так и в профиле. Переходная кривая в плане представляет собой кривую переменного радиуса, уменьшающегося от ∞ (бесконечно большого) до R - радиуса круговой кривой с уменьшением кривизны пропорционально изменению длины. Кривая, обладающая таким свойством, представляет собой радиоидальную спираль, уравнение которой выражается в виде ряда

где С - параметр переходной кривой (С=lR)

В связи с тем что длина переходной кривой l мала по сравнению, с С , практически достаточно ограничиться двумя первыми членами ряда приведенной формулы. В профиле переходная кривая в обычных условиях представляет собой наклонную линию с однообразным уклоном i = h/l.

. НПК - начало переходной кривой. КПК - конец переходной кривой

Уширение колеи производится для обеспечения вписывания подвижного состава в кривые. Поскольку колесные пары закреплены в раме тележки таким образом, что в пределах жесткой базы они всегда параллельны между собой, в кривой только одна колесная пара может расположиться по радиусу, а остальные будут находиться под углом Это вызывает необходимость увеличения зазора между гребнями колес и рельсами во избежание заклинивания колесных пар. Для свободного вписывания двухосной тележки в кривую необходимая ширина колеи:

S c =q max +f н +4

где f н - стрела изгиба кривой по наружной нити при хорде 2λ ;
q max - максимальное расстояние между наружными гранями гребней колес;
4 - допуск по сужению колеи, мм.

Установлены следующие нормы ширины колеи в кривых:
при R≥ 350 м - 1520 мм;
при R = 349-300 м- 1530 мм,
при R≤ 299 м -1535 мм.

Укладка укороченных рельсов во внутреннюю нить необходима для исключения разбежки стыков. Поскольку внутренняя рельсовая нить в кривой короче наружной, то укладка, в нее рельсов той же длины, что и в наружную, вызовет забегание стыков вперед на внутренней нити. Для устранения разбежки стыков при каждом радиусе кривой необходимо иметь свою величину укорочения рельса. В целях унификации применяют стандартные укорочения рельсовых звеньев длиной 25 м на 80 и 160 мм. Общее число укороченных рельсов n , требующихся для укладки в кривой,

n = e/k,

Где e - общее укорочение,
k - стандартное укорочение одного рельса
Укладку укороченных рельсов во внутренней нити чередуют с укладкой рельсов нормальной длины так, чтобы забег стыков не превышал половины укорочения, т. е. 40; 80 мм.
Усиление пути в кривых производится при R<1200 м для обеспечения необходимой равнопрочности с примыкающими прямыми. Для этого увеличивают число шпал на километр, уширяют балластную призму с наружной стороны кривой, ставят несимметричные подкладки с большим плечом в наружную сторону, отбирают наиболее твердые рельсы. В круговых кривых на двух- и многопутных линиях увеличивается расстояние между осями путей в соответствии с требованиями габарита, что достигается в пределах переходной кривой внутреннего пути за счет изменения ее параметра С.

Выписка из Правил технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации

Глава III. Сооружения и устройства путевого хозяйства. План и профиль пути
3.4. Железнодорожный путь в отношении радиусов кривых, сопряжения прямых и кривых, крутизны уклонов должен соответствовать утвержденному плану и профилю линии.
3.5. Станции, разъезды и обгонные пункты, как правило, должны располагаться на горизонтальной площадке; в отдельных случаях допускается расположение их на уклонах, не превышающих 0,0015; в трудных условиях допускается увеличение уклонов, но, как правило, не более чем до 0,0025.
В особо трудных условиях на разъездах и обгонных пунктах продольного или полупродольного типа, а с разрешения МПС и на промежуточных станциях, на которых не предусматривается маневров и отцепки локомотива или вагонов от состава, допускаются уклоны более 0,0025 в пределах станционной площадки. Допускаются также в особо трудных условиях с разрешения МПС уклоны более 0,0025 при удлинении приемо-отправочных путей на существующих станциях, при условии принятия мер против самопроизвольного ухода вагонов или составов (без локомотивов).
Для предотвращения самопроизвольного ухода вагонов или составов (без локомотива) на станциях, разъездах и обгонных пунктах вновь построенные и реконструированные приемо-отправочные пути, на которых предусматривается отцепка локомотивов от вагонов и производство маневровых операций, должны иметь, как правило, продольный профиль с противоуклонами в сторону ограничивающих стрелок и соответствовать нормативам на его проектирование.
В необходимых случаях для предупреждения самопроизвольного выхода вагонов на другие пути должно предусматриваться устройство предохранительных тупиков, охранных стрелок, сбрасывающих башмаков или стрелок.
Во всех случаях расположения станций, разъездов и обгонных пунктов на уклонах должны быть обеспечены условия трогания с места поездов установленной весовой нормы.
3.6. Станции, разъезды и обгонные пункты, а также отдельные парки и вытяжные пути должны располагаться на прямых участках. В трудных условиях допускается размещение их на кривых радиусом не менее 1500 м.
В особо трудных условиях допускается уменьшение радиуса кривой до 600 м, а в горных условиях - до 500 м.
3.7. План и профиль главных и станционных путей, а также подъездных путей, принадлежащих железной дороге, должны подвергаться периодической инструментальной проверке.
Организация работ по инструментальной проверке плана и профиля путей, изготовлению соответствующей технической документации, а также составлению масштабных и схематических планов станций возлагается на службы пути железных дорог с привлечением для выполнения этих работ проектных институтов, проектно-изыскательских и проектно-сметных групп.
Дистанции пути должны иметь:

• чертежи и описания всех имеющихся на дистанции сооружений и устройств путевого хозяйства, а также соответствующие стандарты и нормы;
• масштабные и схематические планы станций, продольные профили всех главных и станционных путей, сортировочных горок, а также подъездных путей, где обращаются локомотивы дороги.

Продольные профили сортировочных горок, подгорочных и вытяжных путей на сортировочных, участковых и грузовых станциях проверяются не реже одного раза в три года, на остальном протяжении станционных путей профиль проверяется не реже одного раза в 10 лет. Продольный профиль главных путей на перегонах проверяется в период проведения капитального и среднего ремонта путей. По результатам проверок устанавливаются конкретные сроки производства работ по выправке профилей. Участки, на которых производится реконструкция пути и другие работы, вызывающие изменения плана и профиля, проверяются исполнителями работ после их окончания с представлением в дистанцию пути, а на станциях и начальнику станции соответствующей документации.
При возведении на территории станции новых объектов, расширении или переносе существующих любая организация, выполняющая такие работы, должна незамедлительно передавать начальнику дистанции пути и начальнику станции исполнительную документацию, определяющую привязку объекта к существующему развитию станции.

Рельсовая колея - это две рельсовые нити, установленные на определенном расстоянии одна от другой и прикрепленные к шпалам, брусьям или плитам. Устройство и содержание рельсовой колеи зависят от особенностей конструкции ходовых частей подвижного состава.

К ним относятся наличие у колес реборд (гребней), которые удерживают колеса на рельсах и направляют движение локомотивов и вагонов. Колеса наглухо запрессовываются на оси и образуют вместе с ней колесную пару. Оси колесных пар, объединенные общей жесткой рамой, всегда остаются взаимно параллельными.

Поверхность катания колес имеет не цилиндрическую, а коническую форму с уклоном в средней ее части в 1:20.

Расстояние между внутренними гранями колес называется насадкой T = 1440 мм с предельными допусками ± 3 мм.

Расстояние между крайними осями, закрепленными в раме одной тележки, называется жесткой базой.

Расстояние между крайними осями вагона или локомотива называется полной колесной базой данной единицы.

Так, полная колесная база электровоза ВЛ-8 составляет 24,2 м, жесткая база - 3,2 м.

Расстояние между рабочими гранями гребней колес называется шириной колесной пары.

Толщина гребней колесных пар должна быть не более 33 мм и не менее 25 мм. Чтобы колесная пара с самой широкой насадкой и неизношенными гребнями колес могла поместиться внутри колеи, ширина ее должна быть 1440 + 3 + 2×33 = 1509 мм, но при этом колесная пара будет зажата (заклинена) между рельсами.

Ширина колеи - это расстояние между внутренними гранями головок рельсов, измеряемое на уровне 13 мм ниже от поверхности катания. Ширина колеи на прямых участках пути и в кривых радиусом 350 м и более должна быть 1520 мм. На существующих линиях вплоть до их перевода на колею 1520 мм на прямых участках и в кривых радиусом более 650 м допускается ширина колеи 1524 мм. В кривых меньшего радиуса ширина колеи увеличивается согласно Правилам технической эксплуатации (ПТЭ).

Допуски по ширине колеи установлены по уширению плюс 8 мм, по сужению колеи минус 4мм, а на участках, где установлены скорости 50 км/ч и менее разрешены допуски +10 по уширению, -4 по сужению (ПТЭ ЦРБ-756.2000 г.). В пределах допусков ширина колеи должна изменяться плавно.

Подуклонка рельсов. В прямых участках пути рельсы устанавливают не вертикально, а с наклоном внутрь колеи, т. е. с подуклонкой для передачи давления от конических колес по оси рельса. Коничность колес обусловлена тем, что подвижной состав с такими колесными парами оказывает гораздо большее сопротивление горизонтальным силам, направленным поперек пути, чем цилиндрические колеса, уменьшается «виляние» подвижного состава и чувствительность к неисправностям пути.

Переменная коничность поверхности катания колес от 1:20 к 1:7 (рис.4.35) придается во избежание появления желобчатого износа колес и для плавного перехода с одного пути на другой через стрелочный перевод. Рельсовые нити должны находиться в одном уровне. Допускаемые отклонения от нормы зависят от скорости движения поездов.

Ðèñ. 4.35. Òèïîâîé ïîïåðå÷íûé ïðîôèëü áàëëàñòíîé ïðèçìû íà ëèíèè Ñàíêò-Ïåòåðáóðã - Ìîñêâà: 1 - î÷èùåííûé ùåáåíü; 2 - ñëîé, ýêñòðóäèðîâàííûé

ïåíîïîëèñòèðîëîì òîëùèíîé 40 ìì

На длинных прямых разрешается содержать одну рельсовую нить постоянно на 6 мм выше другой. При таком положении рельсовых нитей колеса будут слегка прижаты к пониженной рихтовочной нити и двигаться более плавно. На двухпутных участках рихтовочной является междупутная нить, а на однопутных участках, как правило - правая по ходу километров.

Работа пути в кривых участках сложнее, чем в прямых , т.к. при движении подвижного состава по кривым появляются дополнительные боковые силы, например, центробежная сила. К особенностям устройства колеи в кривых относятся: увеличение ширины колеи в кривых малых радиусов, возвышение наружной рельсовой нити над внутренней, соединение прямых участков с круговыми кривыми посредством переходных кривых, укладка укороченных рельсов на внутренней нити кривой. На двухпутных линиях в кривых увеличивается расстояние между осями путей. Уширение колеи на кривых участках наших дорог делается при радиусах менее 350 м.

Необходимость уширения вызывается тем, что включенные в общую жесткую раму колесные пары, сохраняя параллельность своих осей, затрудняют прохождение тележек подвижного состава по кривым. При отсутствии уширения исчезает необходимый зазор между гребнями колес и рельсом и наступает недопустимое заклиненное прохождение подвижного состава. При этом возникает большое сопротивление движению поезда, а также дополнительный износ рельсов и колес, не обеспечивается безопасность движения.

Чем меньше радиус кривой и чем больше жесткая база, тем шире должна быть колея.

Возвышение наружного рельса. При движении экипажа по кривой возникает центробежная сила, направленная наружу кривой. Эта сила создает дополнительное воздействие колеса на наружную рельсовую нить, сильно изнашивая рельсы этой нити. Если в кривой установить обе рельсовые нити на одном уровне, то равнодействующая центробежной силы и силы веса будет отклоняться к наружному рельсу, перегружая его и соответственно разгружая внутренний рельс. Для того чтобы снизить боковое давление на рельсы наружной нити, уменьшить их перегрузку, добиться равномерности износа рельсов обеих нитей и избавить пассажиров от неприятных ощущений, устраивают возвышение наружного рельса h (рис. 4.36).

Ðèñ. 4.36. Ñõåìà äåéñòâóþùèõ ñèë ïðè óñòðîéñòâå âîçâûøåíèÿ íàðóæíîãî ðåëüñà â êðèâûõ

В этом случае экипаж наклоняется к центру кривой, часть силы веса H будет направлена внутрь кривой, т.е. в сторону, противоположную действию центробежной силы. Следовательно, наклон экипажа за счет устройства возвышения наружного рельса уравновешивает центробежную силу. Это выравнивает воздействие на оба рельса.

При радиусах кривых 4000 м и менее делают возвышение наружной рельсовой нити, которое может быть от 10 до 150 мм. Это возвышение зависит от скоростей движения поездов, массы их брутто и суточного количества поездов на рассматриваемой кривой и радиуса кривой. Отвод возвышения наружного рельса, т.е. постепенное снижение повышенной наружной нити до нуля, делается плавно. Отклонение расчетного возвышения по уровню допускается в зависимости от скорости движения поездов.

Переходные кривые . Для плавного вписывания подвижного состава в кривые между прямым участком и круговой кривой устраивается переходная кривая, радиус которой постепенно уменьшается от бесконечно большой величины в месте примыкания ее к прямому участку до радиуса R в точке, где начинается круговая кривая. Необходимость вставки переходных кривых вызвана следующим. Если поезд с прямого участка пути войдет в круговую кривую, где сразу изменится радиус кривизны с ¥ до R, то на него мгновенно действует центробежная сила. При большой скорости подвижной состав и путь будут испытывать сильное боковое давление и быстро изнашиваться. При устройстве переходных кривых радиус медленно уменьшается, соответственно медленно нарастает и центробежная сила - резкого бокового давления на поезд и путь не произойдет. На железных дорогах РФ переходные кривые строят по радиоидальной спирали, т.е. применяют кривую с переменным радиусом кривизны. Их принимают стандартной длины от 20 до 200 м.

В пределах переходных кривых плавно отводят возвышение наружного рельса и уширение колеи, устраиваемые в круговых кривых, а также делают уширение междупутья.

Для разбивки переходных и следующих за ним круговых кривых, то есть для разметки их положения на местности, имеются специальные таблицы.

Укладка укороченных рельсов в кривых. Внутренняя рельсовая нить в кривой короче наружной. Если по внутренней нити кривой укладывать все рельсы такой же длины, как и по наружной, то стыки по внутренней нити станут забегать вперед относительно стыков на наружной нити и не получится расположения их по наугольнику, как это принято на нашей сети. Для устранения большого забега стыков в кривой по внутренней нити укладывают рельсы укороченной длины. Применяют три типа укорочения рельсов: на 40, 80 и 120 мм для рельсов 12,5 м и на 80 и 160 мм для рельсов 25 м. Большие укорочения применяются на крутых кривых. Укладку укороченных рельсов чередуют с рельсами нормальной длины так, чтобы забег или недобег стыков не превышал половины стандартного укорочения, т.е. соответственно 20; 40; 60 и 80 мм. При эксплуатации пути забег или недобег стыков допускается в кривых – 8см плюс половина стандартного укорочения рельса в данной кривой.

Железнодорожная колея, состоит из двух параллельных рельсовых нитей, уложенных на основание, в состав которого входят блоки, брусья и шпалы. Последние изделия изготавливаются из различной древесины, но предпочтение отдаётся сосне. В последнее время всё чаще для этих целей применяется железобетон. Все перечисленные составляющие крепятся с учётом определённого расстояния друг от друга. Рельсовая колея непосредственно направляет колёса подвижного состава, следующего во время движения по криволинейным и прямым участкам дороги. Рельсовая подуклонка и ширина самой колеи считаются основными параметрами всей колеи в целом. Наклон внутренней части колеи в соотношении с верхней плоскостью, состоящей из шпал, в терминологии носит название подуклонка рельсов. Как и во всех инженерных сооружениях, рельсовые пути имеют специальные допуски превышать которые нельзя, для этих целей совершаются периодические осмотры железной дороги. Установленный регламент проведения осмотровых работ предназначен регулирования периодичности их исполнения.

Ширина колеи в России

Стандартная

Ширина колеи железной дороги в России имела в разные времена и на разных путях различные параметры данного показателя. Так первая российская железная дорога, соединяющая Царскосельский вокзал города Санкт-Петербурга, Царское Село и Павловское, была запущена в эксплуатацию в 1837 году. Носила название Царскосельского пути. Ширина рельсовой колеи той поры равнялась значению - 1829 мм. Но уже в 1851 году Россия торжественно открывает Перетербурго-Московскую железную дорогу. После смерти императора Николая Первого в 1855 году, ветка пути становится Николаевской. Как правило, после свершения революции в России начинают переименовывать всё и вся. Не избежала данной участи и Николаевская дорога, начиная с 1923 года, во всех документах она проходит уже, как Октябрьская. Сообщение по ней осуществлялось между Москвой и Санкт-Петербургом, параметр ширины рельсовой колеи равен 1524 мм, отличаясь от значительной части европейских стран, порядка 60 % от общего числа государств в большую сторону на 89 мм. Но, несмотря на все эти описанные различия, данный размер ширины колеи железной дороги на долгие годы в Российской империи и в СССР становится тем самым пресловутым стандартом.

Протяжённость Николаевской дороги составляла шестьсот четыре версты или 645 километров. В качестве сравнения, астрономический расчёт данного пути между Москвой и Санкт-Петербургом равен показателю 598 версты, тогда, как длина шоссейной дороги между назваными городами равнялась 674 вёрстам. Всё это ярко свидетельствует в защиту чисти легенд, связанных со строительством дороги.

Одной из популярных баек заключалась в том, что Николай Первый отдавал все распоряжения, касающиеся строительства будущей Николаевской железной дороги, лично сам. Свидетели подтверждают, что император очертил линию путей сообщения по линейке. Правда, не обошлось без казуса, якобы самодержец, проводя линию дороги, очертил на карте, в районе Бологого один из пальцев своей руки. Государевы указания не обсуждаются, а выполняются. Хотя, на самом деле данный изгиб имеет своё объяснение. В районе Мстинского моста должен был прокладываться путь по прямой, но мощности тогдашних паровозов явно бы не хватило, поскольку перепад природного профиля не позволил бы это сделать, дополнительно пришлось бы цеплять ещё один паровик. Потому пришлось строить путь с изгибом, так называемый, Веребьинский обход, при этом, создавая и новую станцию Оксочи. Сегодня другие времена и другие мощности локомотивов, а кривая железной дороги с большим радиусом позволяет обеспечивать на указанном участке скоростное движение поездных составов. Даже кривые с меньшим радиусом сегодня будут реконструированы. Давно уже нет серпантина Веребьинского обхода, а в станции Оксмочи больше нет надобности, Октябрьская железная дорога стала действительно прямой, как и хотел того российский самодержец. Дорога изначально создавалась с двумя линиями путей.

Что касается ширины рельсовой колеи, то к этому стандарту инженеры обратились из-за экономии, учитывая опыт строительства Царскосельской дороги, а также строительный опыт американских инженеров по созданию железнодорожных путей. Чем шире колея, тем больше потребуется денежных ассигнований. В действительности споров о ширине рельсовой колеи вначале проектирования было очень много. На этом настаивал в своё время американский инженер Уистлер. Европейская колея с размером - 1435 мм российскими спецами была отвергнута по причине отсутствия необходимого уровня устойчивости, а главное, невозможности развивать высокую скорость, а какой же русский человек не любит прокатится с ветерком. Имелись по этому поводу и соображения оборонительного характера. Тогда считалось, что наступающий неприятель не сможет воспользоваться русской железной дорогой из-за разницы в её ширине. Что в большей степени и подтвердилось при ведении военных действий вражескими войсками на территории нашего государства в период первых двух мировых войн. Любители легенд свидетельствуют, что спорам о ширине рельсовой колеи положил конец Николай Первый, ответив на вопрос инженеров о возможности выбора ширины дороги относительно европейского или американского параметра. Решение императора было быстрым, кратким и лаконичным: «Шире американской не надо - дорого, меньше европейского стандарта не следует, рассчитывайте на размер русской телеги.» Что и было создано, в обличии русского стандарта, равного - 1524 мм. Несмотря на то, что это всего лишь легенда, но она родилась на реальных событиях. Ширину колеи российского стандарта применяют В Монголии и по сегодняшний день в Финляндии. Начиная с мая 1970 года, на железной дороге России применяется рельсовая колея с шириной, равная - 1520 мм. Поскольку разница с предыдущим стандартом является незначительной, всего четыре миллиметра, то подвижной состав не подвергался переоборудованию. Однако уже в то время начавшийся переходный период показал, что наши железные дороги сталкивались с серьёзными проблемами, поскольку на подвижном составе, у колёсных пар начался резкий рост износа. До сегодняшнего учёные так и не определили точной взаимосвязи колёсного гребня колёсной пары и рельсовой шириной железной дороги.

Узкая колея

Железная дорога с узкой колеёй может обладать следующими параметрами, например, декавилевскую колею создали во Франции, её ширина равна значению - 500 мм, строилась она первоначально в сельских районах. Проект создавался французским инженером Полем Декавилем. Поскольку он был выходцем из сельской местности, то и приложил свои руки для облегчения крестьянского труда. Основу такой дороги составляли рельсошпальные решётки с металлическими элементами. В вагонетках по таким путям перевозили вручную урожай свёклы. В последующем система модернизировалась и имела широкое применение на полях сражений, во внутренних помещениях оборонительных сооружений доставлялись снаряды непосредственно к орудиям. Горная промышленность Европы тоже использовала подобную колею, перевозя добытую руду. Тяговая сила таких дорог начинала свою модернизацию с гужевой тяги. В Российской империи возможности применения декавилевской колеи было опробовано инженером путей сообщения М. С. Волковым.

Возможности узкоколейных дорог с шириной - 600 мм или 1200 мм нашли своё применение на гражданских или военных объектах. Российские узкоколейные железные дороги имели ширину путей, равную - 750 мм. Все республики Прибалтики тоже применяли подобную ширину колеи на своих предприятиях и сооружениях. Эстония стала использовать такую колею с 1896 года, первый путь соединил города Валга и Пярну. В начале двадцатого столетия ветка с узкой колеёй появилась и в таллиннском порту. В последующем были налажены сообщения с районами Украины и СССР. В Эстонии и по сей день функционирует депо, которое обслуживало составы, работающие на дорогах с узкой колеёй. Сегодня это предприятие обслуживает дизельные составы и обычные локомотивы.

Трамвайная

Трамвайные пути в различных российских городах имеют и разную ширину. Так, в Ростове-на-Дону ширина трамвайных путей равна размеру стандарта европейских железнодорожных путей - 1435 мм. Такие города, как Пятигорск или Калининград применяют трамвайные пути с шириной – 1067 мм. Такая же ширина путей в эстонском Таллине. В германском городе Лейпциге ширина трамвайной колеи равна – 1458 мм, а в Дрездене – 1458 мм. Сегодня на российской территории сохранена пятигорская и калининградская система.

Метро

В российском метрополитене используется такая же ширина путевой колеи, как и на железной дороге в нашем государстве.

Ширина колеи в разных странах

В 1830 году открывается железная дорога по маршруту Манчестер – Ливерпуль, одним из авторов проекта являлся английский инженер Джордж Стефенсон. Размер ширины рельсовой колеи был равен - 1435 мм, что составляло в английских мерах: четыре фута и восемь с половиной дюймов. По истечению шестнадцати лет, указанная ширина колеи становится европейским стандартом. Эта же колея была установлена на железных дорогах в США, в 60 % части европейских стран и в Китае.

Сверхширокая колея

В тридцатых годах девятнадцатого столетия была завершена стройка Большой западной дороги. Ширина её рельсовой колеи была равна значению – 2135 мм. Английским инженером Изамбартом Брунелем, жившему в то бурное время, были сделаны предложения о строительстве сверх широкой колеи. Но его прожектам не суждено было сбыться. В 1945 году разногласиям относительно размеров ширины рельсовой колеи был положен конец английским законодательным органом.

Согласно решению английского парламента, обоснованного по результатам работы специальной парламентской комиссии, эталоном размера ширины рельсовых путей на территории Великобритании становится показатель, равный значению - 1435 мм, и с той поры должен устанавливаться на всех строящихся железнодорожных путях. Дороги, которые не соответствовали принятому стандарту подлежали реконструкции. Интересен и тот факт, что нарушители того принятого закона, полежали штрафу в размере десяти фунтов стерлингов за каждый день существования, каждой обнаруженной сухопутной мили нестандартной дороги.

На этом история создания сверх широкой рельсовой колеи не заканчивается. В 30-х годах. 20 столетия, специалистами третьего рейха была предпринята попытка по разработке сверх ширококолейной скоростной железной дороги, носящей название «Breitspurbahn», ширина её колеи равнялась - 3000 мм. Строительство данной сети дорог планировалось на европейском и в последующем на азиатском континенте. Замысел авторов проекта заключался в связывании территорий Индии и Японии со всей Европой. Для наглядной демонстрации был построен небольшой участок дороги. Инженеры трудились над созданием принципиально нового типа вагонов, тепловозов и паровозов. Осуществить проект не удалось.

В 2001 году в виде горной фуникулёрной дороги для осуществления подъёма горных лыжников была создана «Cairngorm Mountain Railway», её ширина равна – 2000 мм. В Нидерландах такая дорога имела колею, равную - 1945 мм. В Англии максимальное значение ширины достигло - 1880 мм. Максимальная ширина колеи первой российской Царскосельской железной дороги составила - 1829 мм, на территории Франции данный показатель достиг значения – 1750 мм.

История рельсовой колеи

Рельсы и паровозы

В нашем обществе сложилось несколько утилитарное представление о том, что рельсовый транспорт как таковой появился в середине XVIII века с изобретением паровых колёсных машин. При этом в истории остались такие имена гениальных конструкторов как Иван Иванович Ползунов, Джеймс Уатт и Ричард Тревитик. Однако перемещение больших грузов по рельсам имеет более древнюю историю и традиции. Не менее древнюю, чем такое понятие как колея железной дороги.

Немного теории

Для того, чтобы немного более правильно воспринимать необходимость возникновения рельсового транспорта и такого параметра как колея железной дороги стоит немного вспомнить курс физики из той же начальной школы. Из него мы где-то можем вспомнить, что давление на ту или иную поверхность распределяется прямо пропорционально площади, на которую мы воздействуем. В данном случае вполне приемлем пример, когда усилием нашей руки мы не можем отверстие в той же ткани или древесине, но вооружившись иголкой, при той же силе воздействия мы это делаем без особого труда. В несколько ином примере ступая по снегу, мы запросто проваливаемся под свежевыпавший наст. Но если мы наденем на ноги лыжи или иные приспособления, то данная проблема будет решена.

Рельс – слово произошло от многочисленного числа английского слова «rails» - от латинского «regula», что означает прямая палка. Такое техническое решение было изобретено древними римлянами, и начальная ширина между рельсами составляла 143,5 см., что несколько меньше современного значения такого параметра как колея железной дороги для большегрузного рельсового железнодорожного транспорта.

Аналогичная проблема возникала и у наших предков, при транспортировке больших тяжёлых грузов. Грузы просто застревали в том же грунте или песке. С учётом именно этой особенности и обстоятельств наши предки начали располагать сам груз, на какой либо подложке, которая и распределяла общую нагрузку на более большую площадь, чем площадь самого груза, и делала возможность перемещения груза более приемлемой.

Именно таким образом поступили древние греки, когда у них появилась необходимость транспортировать свои морские корабли через Коринфский перешеек. Выложив весь маршрут из каменных плит, смазанных жиром, греки с наименьшими затратами перемещали свои суда в нужном направлении. И здесь возможно впервые стоит упомянуть такое понятие как колея железной дороги, хотя более корректно это необходимо было бы назвать как колея каменной дороги, но сущность понятия и параметра от этого не меняется. В данном случае это был желоб, выдолбленный в каменных плитах по которым и перемещали сами корабли. Правда, в отличие от современных аналогов в качестве движущей силы применяли не паровые локомотивы или упряжки лошадей тяжеловозов, корабли тащили рабы, и если верить древнегреческим историкам это им удавалось довольно не плохо.

Колея железной дороги это строго установленное расстояние между внутренними сторонами уложенного рельса, и являющееся неизменным на всём протяжении данного пути.

Рельсовый транспорт в Европе

Многовековой опыт древних греков и римлян по перемещению больших грузов при помощи рельсов не канул в лету и успешно был реализован в горнорудной промышленности Германии и Англии XVI – XVIII веков. Так в частности на шахтах германской Тюрингии для транспортировки добытой руды, предприниматели начали применять деревянные рельсы, по которым перемещались вагонетки. Особенностью этого проекта являлось то обстоятельство, что отличие от иных аналогичных разработок конструкция колёс вагонеток имели так называемые реборды.

Реборда - от французского слова «reborde» - «гребень», несколько выступающая часть конструкции колеса или шкива, предназначенная для удержания движения колеса или троса в заданном направлении. Расстояние между наружными кромками реборды у железнодорожных колёсных пар соответствует такому параметру как колея железной дороги.

В то же время предприниматели предприятий расположенных на поверхности не стали отставать от своих коллег занимавшихся шахтным бизнесом. И уже в 1603 году для транспортировки добытого угля к потребителям вблизи Ноттигема появляется первая наземная «Уоллатонская вагонная дорога». На ней тоже применялись деревянные рельсы, у которых колея железной дороги была аналогичной той, которая применялась в шахтах, а её протяженность по тем временам была просто колоссальной, целых три с половиной километра. Просуществовала «Уоллатонская вагонная дорога» так же довольно продолжительное время вплоть до закрытия в 1620 году самой шахты.

Отечественный рельсовый транспорт

Не отставали от своих европейских коллег и отечественные изобретатели и бизнесмены. Так в 1755 году на Алтайском горнодобывающем предприятии была построена одна из первых в России узкоколейных рельсовых дорог. Колея железной дороги составляла значительно меньшие размеры, чем это было принято в Европе, и имела всего 650 миллиметров между внутренним расстоянием деревянных рельс. В данном случае такая колея железной дороги была обусловлена шириной, как самой шахтной выработки, так и применением несколько иного метода транспортировки груза.

Так в частности, если на европейских шахтных выработках для транспортировки вагонеток использовались или сами шахтёры или лошади, то на алтайских шахтах вагонетки перемещались при помощи троса протянутого вдоль всего маршрута. При этом сам трос был выполнен в виде замкнутого кольца закреплённого на двух шкивах, вращение которых приводило к перемещению всего троса вдоль всего маршрута. Сами же вагонетки можно было зацепить специальными крючками за кольца, расположенные на тросе с определённым шагом. Шкивы, как и сам трос, приводились в движение парой или тройкой лошадей. Такое решение однозначно давало возможность применения не только меньшей величины такого параметра как колея железной дороги, но и возможность осуществлять торможение вагонетки и изменение направления её движения при непрерывном движении троса.

С отечественный историей железнодорожного транспорта можно ознакомится в .

Чугунный колесопровод

Не менее примечательным моментом в истории отечественных железных дорог является строительство в 1788 году в Пертрозаводстке, на Олонецких горных заводах Чарльза Гаскойна первой в царской России железной дороги. В отличие от многих существовавших в то время в России рельсовых дорог, эта рельсовая дорога была полностью выполнена из чугуна, из-за этого в народе, она была прозвана «Чугунным колесопроводом». Колея железной дороги, по примеру европейских производителей подвижного состава, была установлена в пределах 800 миллиметров. В данном случае этого было вполне достаточно для устойчивой транспортировки руды и отливок из сталеплавильного цеха в сверлильный, где дополнительно обрабатывались отливки стволов пушек. При этом на всём протяжении этой дороги в качестве тягловой силы использовались рабочие.

Эта узкоколейная железная дорога в том или ином виде просуществовала до 1956 года, когда Онежский сталелитейный завод был перепрофилирован в тракторный. А отдельные фрагменты данной дороги были демонтированы и выставлены в Карельском краеведческом музее.

Первые паровозы

Хотя, по мнению многих историков, пальма первенства в изобретении и постройке первого парового локомотива принадлежит англичанину Ричарду Тревитику, однако его проект 1804 года к сожалению не получил должного распространения. И основная проблема была не в самой конструкции парового локомотива, а в конструкции и материале из которого изготавливались рельсы. И если такой параметр железнодорожного полотна как колея железной дороги удалось определить более или менее объективно в 1435 миллиметров, что обеспечивало вполне надёжную устойчивость движения состава, однако проблема возникла с качеством рельс. Так как, на то время основным материалом для их изготовления использовали чугун, то такие чугунные рельсы не всегда выдерживали те нагрузки, которые развивали, как сам паровой локомотив, так и перемещаемые им нагруженные вагоны.

С учётом этого наиболее удачная модель парового локомотива появилась только в 1812 году с лёгкой руки англичанина Джорджа Стеферсона. Его паровой локомотив «Ракета» была настолько удачной конструкции, что выиграл специальные соревнования на участке Манчестер – Ливерпуль, что послужило толчком для многих шахтовладельцев выделить средства на строительство железной дороги Дарлингтон – Стоктоун. При этом рельсы начали изготавливать из стали, а колея железной дороги стала практически стандартом и составила 1435 миллиметров.

Не менее интересным моментом является и то обстоятельство, что именно с этого периода деревянные шпалы под рельсы, начали укладывать не вдоль расположения рельс, а в поперечном, более привычном для нас положении. При этом такая конструкция крепления рельс давала более жёсткое их расположение одной рельсы относительно другой, тем самым колея железной дороги на всём протяжении пути имела меньший разброс этого параметра.

Типы рельс

Рельсы деревянные

Если первые рельсы, изготовленные из дерева, имели один и существенный недостаток это износостойкость, то для его устранения или минимизации, некоторые конструкторы начали покрывать поверхность деревянной рельсы полосами металла. Но более перспективным предложением стало применение вместо металлических полос, уголков изготовленных из железа. В данном случае вертикальная направляющая железного уголка являются направляющими при движении, как парового локомотива, так и самих вагонеток. При этом впервые в практике рельсового транспорта колёса катились по внешней стороне вертикальной полки уголка, а расстояние между этими элементами рельса есть не что иное, как колея железной дороги.

Рельсы чугунные

Приблизительно в 1790 году английский изобретатель Джордж Утрам предложил изготавливать рельсы в виде чугунных пластин с двойными направляющими. Где колея железной дороги уже по самой конструкции рельса, была неизменной и составляла уже знакомую нам величину в 1435 миллиметров, что в свою очередь определяло неизменность такого параметра как колея железной дороги на всём протяжении уложенной колеи. Такие рельсы довольно легко монтировались в цельный путепровод и при необходимости могли с минимальными трудозатратами быть демонтированы и перенесены в иное место по необходимости. Не менее примечательным моментом такой конструкции было и то обстоятельство, что возможность изготовления таких плит методом литья решала и такую проблему как их взаимозаменяемость и стандартизация данной конструкции. В связи с этим данный тип рельс получил довольно большое распространение как на угольных шахтах и открытых рудниках, так и на промышленных предприятиях в качестве транспортного средства перемещения сырья и материалов внутри производственных помещений.

Головчатые рельсы Джессона

Однако более революционным изобретением этого периода стала работа английского инженера-механика Стивена Джессона, работавшего на угольных рудниках Лоуберроу. Немного разбираясь в теоретической механике и такой научно-технической дисциплине как сопротивлении материалов, Джессон предложил практически современную конструкцию рельса, головчатого типа, где колея железной дороги определялась так же по расстоянию между внутренними сторонами головки рельса.

При этом такая конструкция обеспечивала не только приемлемую технологичность изготовления и монтажа этого типа рельс, но и давала довольно существенную экономию самого металла. Так в частности в конструкции Джессона, направляющая реборда, располагалась не по всей длине рельса, а только на колёсной паре парового локомотива или грузопассажирского вагона. При этом сама форма рельса вместо чисто прямоугольной формы, имеет форму «двутавра», что существенно снижает не только вес самого рельса, но и снижает расход металла на его изготовление. Но не зависимо от этого колея железной дороги осталась не изменой величиной в 1435 миллиметров, так как при помощи специальных зажимов, так называемых «глухарей», обе рельсы довольно жёстко крепились к набору уложенных шпал.

Металлургия

По мнению многих историков, именно разработка и широкое применение рельса конструкции Джессона дало существенный толчок развитию металлургии. Ведь перед её специалистами были поставлены задачи не только по увеличению объёмов производства стали, но и получения соответствующего профиля. С учётом этого уже к середине XVIII века сталь начали производить наиболее прогрессивными методами, такими как бессемеровский, мартеновский и конверторный. А само производство стальных рельс, освоили на прокатных станах. Что в свою очередь давало более стабильные значения как самой геометрии рельса, так и такого параметра, как колея железной дороги. При этом первый прокатный стан, для масштабного промышленного производства рельс был сконструирован ещё в 1828 году английским инженером Нилом Беркиншау. На первой конструкции этого прокатного стана, было возможно получение стальных рельс, длинной в 4.5 метра. Однако после соответствующей его модернизации этот показатель на прокатном стане был доведен до 7.25 метра, что давало существенное сокращение трудозатрат при монтаже рельсового пути или при проведении ремонтных работ. И здесь не следует забывать, что при более длинной базе единицы рельсового полотна, такой показатель, как колея железной дороги так же имеет более стабильные показатели допустимого предела отклонений.

Ещё одной проблемой, которую необходимо было решить металлургам в вопросах производства рельсовой продукции это её прочность и износостойкость. Первые рельсы, изготовленные из углеродистой стали, имели довольно низкие показатели этих параметров, которые помимо всего прочего существенно влияли и на такой показатель как колея железной дороги.

Так, что со временем для устранения этих недостатков металлурги разработали специальные легированные сплавы для производства как самих рельс, так и основных элементов подвижного состава. К последним в первую очередь следует отнести колёсные пары подвижного состава, которые в значительной степени влияют на такой параметр как колея железной дороги.

С учётом этого, металл из которого изготавливают эти изделия, содержат в определённом процентном содержании такие легирующие металлы как марганец, ванадий, титан и цирконий. При этом с технологической точки зрения для получения требуемых параметров металла немаловажную роль играет и термическая обработка готовых изделий. Так в частности по разработанным технологиям глубина термической обработки должна составлять не менее 8 – 10 миллиметров от поверхности изделия, а в самой макроструктуре металла не допускаются микротрещины, пустоты и посторонние включения. Хотя данные показатели химического состава и физических свойств металла существенно не влияют на такой показатель как колея железной дороги, но они в значительной степени определяют качество и надёжность основных элементов подвижного состава.

Как выбрали стандарт колеи?

По мнению многих специалистов железнодорожников остаётся определённой загадкой, по какой именно причине в качестве стандарта такого параметра как колея железной дороги был выбран размер именно 4"81/2" или 1435 миллиметров. Существует немало версий появления этого размера, но практически все они не имеют строго научного и документального подтверждения.

При этом многие из этих специалистов считают, что увеличение такого параметра как колея железной дороги до величины 51/2" или даже до 6", имело бы хоть какое-то экономически целесообразное обоснование. Ведь более широкая колея железной дороги дала бы возможность более рациональное размещение механизмов парового локомотива, в частности при той же его длине можно было существенно увеличить объём парового котла. Не говоря уже о большей устойчивости подвижного состава и реальной возможности увеличения скорости движения, в тех же грузовых или пассажирских вагонах, возможно, было бы большего количества грузов. Здесь достаточно вспомнить довольно амбициозный проект начала 30 - х годов разрабатывавшийся в Германии «Breitspurbahn», где колея железной дороги составляла не много не мало, а 3000 миллиметров. И это были не только фантазии немецких конструкторов по созданию трансконтинентальной железной дороги начинавшейся в столице Третьего рейха и пересекавшей всю Европу и Азию с целью соединить Берлин с Японией и Индией.

Так, что данный вопрос не является абсолютно праздными и носит под собой существенные как технические, так и экономические проблемы.

Где-то с аналогичными проблемами, по определению такого параметра как колея железной дороги столкнулись конструкторы скоростных пассажирских поездов. Ведь при тех же габаритах подвижного состава необходимо было решить многие технические проблемы для возможности движения таких поездов со скоростью гораздо более 320 км/час.

Вопросы стыковки

Не менее интересной проблемой в развитии отечественной железной дороги является вопрос стыковки европейской железнодорожной колеи с колеёй расположенной на территории России. Ведь европейская колея имеет стандартный размер в 1435 миллиметров, при, том, как российская колея железной дороги имеет размер 1520 миллиметров.

С целью обеспечения беспрепятственного перемещения грузопассажирских потоков в такие страны как Польша, Словакия, Венгрия и Румыния на приграничной территории были оборудованы так называемые «стыковочные» узлы, где производится перестановка вагонных тележек одного стандарта на иной. В среднем данная операция занимает до двух – двух с половиной часов. При этом на «стыковочных» узлах задействуются мощные домкраты, поднимающие пассажирские и грузовые вагоны на требуемую высоту. При этом на подвижный состав устанавливаются колёсные пары, на которых колея железной дороги соответствует требуемому размеру.

Рельсовая колея – две параллельные рельсовые нити, уложенные на основании (шпалы, брусья, блоки) и закрепленные на определенном расстоянии друг от друга. Назначение рельсовой колеи (РК) – направление колес подвижного состава при движении на прямых и криволинейных участках. К основным параметрам РК относятся: ширина колеи, положение рельсовых нитей по уровню и подуклонка рельсов. Важнейшим параметром является ширина колеи- расстояние между рабочими гранями головок рельсов, измеренное в расчетной плоскости наиболее вероятных контактов головок рельсов с рабочими гранями гребней колес (ок. 13 мм ниже поверхности катания головок рельсов). В период подготовки к строительству Петербург-Московской железной дороги принято решение об установлении единой ширины колеи на рос. ж. д., равной 5 футам, что соответствует 1524 мм; хотя на первой в России Царскосельской дороге ширина колеи была 6 футов или 1829 мм, а на Сахалине – 1067 мм.
На большинстве ж. д. стран Европы ширина колеи равна 1435 мм, в Центральной и Южной Америке от 1676 до 1435 мм, в Китае в основном 1435 мм, в Индии 1676-1667 мм, Японии 1435-1067 мм, Африке 1676 мм, Австралии 1600-1087 мм. Приведенные размеры РК обычно называют широкой колеей. Узкая колея по европейским стандартам имеет ширину 600, 750, 1000 мм, хотя на практике на узкоколейных ж. д. ширина колеи составляет от 420 до 1000 мм. В целом на земном шаре 62% длины ж.-д. сети имеют колею 1435 (1430) мм, 10% – 1524 (1520) мм, 6% – 1675 мм, 8% -1067 мм, 9% – 1000 мм, 5% – менее 1000 мм.
Параметры РК непосредственно связаны с размерами колесных пар, важнейшими из которых являются: ширина колесной пары (расстояние между рабочими гранями гребней колес в расчетной плоскости) q, величина насадки колес (расстояние между внутренними гранями колес) Т, толщина гребней колес в расчетной плоскости h, ширина колеса а (рис. 3.76). Ширина колесной пары равна: q = Т + h\ + Л2 + 2ц + е; здесь е учитывает изменение ширины колесной пары при упругом ее изгибе под нагрузкой (у загруженных вагонов сужение составляет 2-4 мм, у локомотивов уширение – 1 мм). Ширина колесной пары меньше ширины колеи. На прямой между рельсовыми нитями и гребнями колес образуются зазоры, обеспечивающие возможность «виляющего» движения колесной пары. С уменьшением зазора до оптимального значения уменьшается поперечное воздействие подвижного состава на путь. При очень малых зазорах увеличивается сопротивление движению поезда. Допускается минимальный зазор 7 мм для локомотивов и 5 мм для грузовых вагонов, оптимальный размер составляет соответственно 14 и 12 мм, а максимальный -31 и 29 мм. Виляющему движению колесной пары способствует коничность поверхности катания колес. Рельсы также ставят не вертикально, а с наклоном V20 внутрь колеи.

На основе научных исследований, а также учета зарубежного опыта в 1970 г. в России было принято решение перейти на уменьшенную ширину колеи 1520 мм. Исследования показали, что при ширине колен 1520 мм с уменьшением зазора до оптимального значения 14 мм для локомотивов и 12 мм для вагонов поперечные силовые воздействия колес подвижного состава на путь уменьшаются до 94%. Наименьшее сопротивление движению также оказалось при ширине колеи 1520 мм. Допускаемые отклонения ширины колеи от нормы приняты не более +8 (по уширению) и – 4 мм (по сужению), а на участках, где установлены скорости движения 50 км/ч и менее, – не более +10 и -4 мм. В соответствии с приказом МПС № 6 Ц ширина колеи менее 1512 мм и более 1548 мм не допускается. При ширине колеи менее 1512 мм возможно заклинивание колесной пары с максимальными ее размерами в расчетной плоскости. При ширине колеи более 1548 мм возникает опасность провала колес внутрь колеи, когда колесо покатится по головке рельса той частью бандажа, которая имеет коничность 1/7 (а не 1/20-го) – при этом возникнет дополнительное распирание колеи и при плохом состоянии пути рельс может быть отжат наружу.
Положение рельсовых нитей по верху головок рельсов на прямых участках должно быть в одном уровне; разрешаются отклонения ± 6 мм. Допускается на всем протяжении прямых участков содержать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой. На двухпутных линиях выше ставят наружную (бровочную) нить, так как она менее устойчива, чем междупутная; на однопутных – через каждые 4-5 лет меняют нить, расположенную выше другой (для меньшего ослабления концов шпал из-за перешивок). Отклонения от нормативного положения рельсовых нитей как по ширине колеи, так и по уровню не должны превышать 1 мм; на 1 м длины пути при скоростях движения до 140 км/ч и 1 мм на 1,5 м при скоростях более 140 км/ч.
Подуклонкой рельсов называют их наклон внутрь колеи по отношению к верхней плоскости (постели) шпал. Подуклонка 1:20 соответствует коничности основной поверхности катания колес. Подуклонка обоих рельсов в прямых, а наружных рельсов в кривых участках должна быть не менее 1:60 и не более 1:12, а внутренней нити в кривых при возвышении наружного рельса св. 85 мм -не менее 1:30 и не более 1:12. На деревянных шпалах подуклонка рельсов обеспечивается, как правило, укладкой клинчатых подкладок, а на железобетонных основаниях – наклоном опорной подрельсовой площадки шпал или блока.
При движении подвижного состава в кривых появляются дополнительные поперечные силы – центробежные, направляющие, боковые, рамные. Поэтому РК в кривых пути имеет следующие особенности: уширение колеи при радиусе кривой менее 350 м и укладка контррельсов в необходимых случаях, возвышение наружного рельса, устройство переходных кривых, укладка укороченных рельсов на внутренней нити, увеличение расстояний между смежными путями.
Различают минимальную, оптимальную и максимальную ширину колеи в кривых. Минимально допустимая ширина колеи должна обеспечивать техническую возможность вписывания в кривые экипажей с большой жесткой базой. При оптимальной ширине колеи имеет место свободное вписывание массовых экипажей (вагонов). Максимальная ширина колеи определяется из условия надежного предотвращения провала колес подвижного состава внутрь колеи. В соответствии с приказом МПС РФ № 6 Ц от 6.03.96 установлен номинальный размер ширины колеи между внутренними гранями головок рельсов на прямых участках и в кривых радиусом 350 м и более 1520 мм, при радиусах 349-300 м -1530 мм (в т. ч. на железобетонных шпалах -1520 мм), при радиусах 299 м и менее -1535 мм.
На участках ж. д., где комплексная замена рельсошпальной решетки не проводилась, допускается на участках пути с деревянными шпалами в прямых и кривых радиусом более 650 м номинальная ширина колеи 1524 мм. При этом на более крутых кривых принимается ширина колеи: при радиусе 649-450 м – 1530 мм, 449-350 м – 1535 мм, 349 и менее -1540 мм. Допускаемые отклонения от номинальных размеров не должны превышать по уширению +8 мм и по сужению – 4 мм при скорости 50 км/ч и более; соответственно +10 и -4 мм – при скорости менее 50 км/ч. При отводе уширения колеи уклон должен быть не круче 1 мм/м.
При проходе подвижного состава по кривым возникают центробежные силы, стремящиеся опрокинуть экипаж наружу кривой. Это может произойти лишь в исключительных случаях. Однако центробежная сила неблагоприятно действует на пассажиров, вызывает боковое воздействие на путь, перераспределение вертикальных давлений на рельсы обеих нитей и перегруз наружной нити, что приводит к усиленному боковому износу рельсов и гребней колес. Кроме того, возможны раскантовка рельсов, уширение колеи или поперечный сдвиг рельсошпальной решетки, т. е. расстройство положения пути в плане. Во избежание указанных явлений устраивают возвышение наружной рельсовой нити над внутренней. Возвышение наружного рельса рассчитывается исходя из двух требований: обеспечения одинакового давления колес на наружную и внутреннюю рельсовые нити, а следовательно, одинакового вертикального износа обоих рельсов; обеспечения комфортности езды пассажиров, характеризуемой допускаемым непогашенным центробежным ускорением. По нормам МПС допускаемая величина непогашенного ускорения составляет для пассажирских поездов 0,7 м/с2 (в отдельных случаях с разрешения МПС – 1 м/с2), а для грузовых поездов – +0,3 м/с2. Возвышение наружного рельса устраивается в кривых радиусом 4000 м и менее. В основу расчета положено стремление обеспечить равенство поперечных составляющих центробежной силы и веса экипажа G, т. е. Lcosoc = Gsinа (рис. 3.77). Это достигается изменением угла наклона а расчетной плоскости к горизонту или возвышением наружного рельса.

Величина возвышения (в мм) определяется по формуле: Л= 12,5Vприв2/R, где Vприв – приведенная скорость поездопотока, км/ч; R – радиус кривой, м. Приведенная скорость поездопотока где О, – масса поезда данного вида, т брутто; щ – суточное количество поездов каждого вида; Vlcp – средняя скорость движения поездов каждого вида в кривой (по скоростемерным лентам). Величина возвышения также проверяется из условия комфортности по формуле: hmm = (i2,5Vlaxnac/R-U5, где hmm – минимальное расчетное возвышение наружного рельса, мм; Vmax пас – максимальная допускаемая скорость пассажирского поезда, км/ч; R – радиус кривой, м; 115 – величина допускаемого максимального недовозвышения наружного рельса с учетом нормы непогашенного ускорения 0,7 м/с2. Из полученных по формулам величин возвышения принимается большая и округляется до значения, кратного 5. Максимальная величина возвышения на сети ж. д. РФ – 150 мм. Если по расчету получается ббльшая величина, то принимают 150 мм и ограничивают скорость движения в кривой до

Обычно возвышение наружного рельса устраивают его поднятием путем увеличения толщины балласта под наружной рельсовой нитью. Однако в ряде случаев целесообразно поднять наружную нитку на V2 расчетного возвышения и на такую же величину опустить внутреннюю нитку. В этом случае улучшается комфортность езды пассажиров и уменьшаются динамические воздействия на путь.
Переходные кривые обеспечивают плавное возрастание центробежной силы при переходе подвижного состава из прямой в круговую кривую или из круговой кривой одного радиуса в кривую другого (меньшего) радиуса. Кроме того, в пределах переходной кривой устраивают отвод возвышения наружного рельса и отвод уширения колеи (при радиусе менее 350 м). Плавное возрастание центробежной силы обеспечивается плавным изменением радиуса от бесконечности до величины радиуса круговой кривой. Этому условию наиболее удовлетворяет радиоидальная спираль (клотоида) или ее ближайшее приближение – кубическая парабола. Длина переходной кривой определяется рядом условий, которые можно разделить на 3 группы. Первая группа требует наибольшей длины переходной кривой, связана с отводом возвышения наружного рельса: предотвратить сход колес с рельсов внутренней нити, ограничить вертикальную составляющую скорости подъема колеса на возвышение, ограничить скорость нарастания непогашенной части центробежного ускорения. Вторая группа связана с наличием зазоров между гребнями колес и рельсовыми нитями, а также с потерей кинетической энергии при ударе колеса первой оси о рельс наружной нити. Третья группа учитывает необходимость обеспечения практической возможности разбивки переходной кривой на местности и дальнейшего исправного ее содержания.
На новых скоростных линиях, а также линиях I и II категорий длины переходных кривых /0 определяют из условия: /0 = = /штах/100, где h – возвышение наружного рельса (мм), a vm3LX – скорость движения (км/ч) наиболее быстроходного поезда в данной кривой. В соответствии с СТН Ц-01-95 уклон отвода возвышения наружного рельса обычно принимают не более 1 %о, а в трудных условиях на особогрузонапряженных линиях и на линиях III и IV категорий – не более 2%о, на подъездных путях – 3%>. Длины переходных кривых находятся в пределах от 20 до 180 м с интервалами между ними 10 м (зависят от категории линии и скоростей движения поездов по кривым). Различают следующие способы разбивки переходных кривых’ способ сдвижки круговой кривой вовнутрь, способ введения дополнительных круговых кривых меньшего радиуса, чем радиус основной кривой; способ смещения центра кривой и изменение радиуса.
В связи с тем, что на ж. д. РФ принято расположение стыков по наугольнику, каждый рельс внутренней нити кривой должен быть короче соответствующего наружного рельса. Допуская некоторое несовпадение стыков по наугольнику, устанавливают несколько типов стандартных укорочений рельсов: 40, 80 и 120 мм для рельсов длиной 12,5 м и 80 и 160 мм для 25-метровых рельсов. Количество и порядок укладки укороченных рельсов рассчитывают в зависимости от радиуса кривой, угла ее поворота, длины и параметра переходных кривых. Полное укорочение на переходной (21К) и круговой (кк) кривой определяется формулами:

Где S – расстояние между осями рельсов, 1,6 м; /0 и /кк - соответственно длины переходной и круговой кривой, м; С – параметр переходной кривой, м2. Расчетное (стандартное) укорочение каждого внутреннего рельса по отношению к наружному 25-метровому: ^CI = S-2b/R. Величина фактического укорочения принимается стандартной или близкой к ней (но не меньше стандартной).
На двухпутных линиях для обеспечения безопасности движения поездов по условиям габарита расстояние между осями путей должно быть увеличено. Это увеличение осуществляют двумя способами. В первом случае на прямой перед переходной кривой вводится дополнительная S-образная кривая, за счет которой сдвигается ось пути (рис. 3.78,а). Недостаток способа – появление двух дополнительных кривых с каждой стороны основной кривой. Второй способ {разных сдвижек) предпочтительнее; состоит в том, что длина и параметр переходной кривой внутреннего пути принимаются больше, чем наружного, сдвижка внутреннего пути будет больше, чем наружнопо (рис. 3.78,6). Требуемое уширение междупутья определяют расчетом или по таблицам.