Длительная и беспроблемная эксплуатация элементов ВСП возможна лишь тогда, когда они выполнены из подходящего материала. И сегодня мы посмотрим, из какой стали изготавливают рельсы железнодорожные, почему выбран именно этот металл, какими свойствами он обладает. Информация поможет вам правильно выбрать подходящие прокатные изделия для непосредственного строительства колеи.

Важно учитывать специфику современности. За почти 100 лет грузоподъемность ЖД-транспорта увеличилась в 8-10 раз, а скорость его передвижения по полотну возросла в 5 раз. Получается, что опорные конструкции испытывают совсем другие нагрузки. Поэтому необходимо, чтобы они были более прочными, твердыми и износостойкими, чем век назад.

Рельсовая сталь

Объединяет в себе сразу несколько типов сходных металлов, аналогичных по способу применения – используемых для изготовления элементов ВСП (верхнего строения пути). Мелкоигольчатый перлит составляет основу фазовой структуры для всех вариантов, выплавляемых в конверторных или дуговых печах. После термической обработки он становится максимально однородным, приобретая вязкость, достаточную твердость и высокое сопротивление износу.

По раскислителям делится на 2 принципиальные группы:

I – вредные примеси убираются с помощью ферромарганца или ферросилиция;

II – для удаления кислорода применяются алюминиевые включения (считающиеся более предпочтительными из-за их природы).

Основные материалы для изготовления рельсов

Многое зависит от того, в какой сфере будут использоваться прокатные изделия. Из конвертерной стали исполняются элементы ВСП, укладываемые в ЖД-путь и формирующие широкую или узкую колею. А вот крановым опорным металлоконструкциям уже необходимо выдерживать совсем другие нагрузки, поэтому для их выпуска заводы берут высокоуглеродистые сплавы.

Совсем другой случай – так называемые контактные, монтируемые для создания полотна метрополитена. Они не принимают огромные напряжения, зато должны эффективно снимать ток, поэтому их делают из сравнительно мягких металлов.

Химический состав и его преимущества

Для основных марок стали ЖД рельса он регламентирован ГОСТом Р 554 97-2013. Данный межгосударственный стандарт устанавливает, что основной компонент – это железо, но помимо него в сплав обязан входить еще ряд элементов – в следующих массовых долях:

• Углерод (карбон) – от 0,71 до 0,82%, усиливает механические свойства примерно вдвое. Его частицы связывают ферро-молекулы, превращая их в карбиды, которые гораздо прочнее и крупнее. И высокотемпературные воздействия становятся не настолько критичными.
• Марганец – от 0,25 до 1,05%, улучшает ударную вязкость (на четверть-треть), а также износостойкость и твердость. Причем пластичность не ухудшается, что самым положительным образом влияет на технологичность готового прокатного изделия.
• Кремний – от 0,18 до 0,4%, требуется для удаления кислородных примесей, а значит и для оптимизации внутренней кристаллической структуры материала. С такой добавкой существенно уменьшается вероятность появления ликвационных пятен, а долговечность повышается примерно в 1,4 раза.
• Ванадий – от 0,012 до 0,08%, в зависимости от конкретной марки стали для изготовления рельсов. Важен для обеспечения достаточной контактной прочности. В соединении с углеродом образует карбиды, повышающие предел выносливости (а именно нижний его порог).

Отдельного рассмотрения заслуживают нежелательные или даже вредные примеси, вычленить которые до конца с помощью современных технологий пока не удается. Это:

• Азот – от 0,03 до 0,07%, плох тем, что нейтрализует легирующий эффект. Из-за него в толще профиля образуются нитриды, которые не поддаются термоупрочнению, а значит снижают механические свойства готовых элементов ВСП.
• Сера – до 0,045%. Ее включения не дают сплаву быть податливым при горячей обработке под давлением. В результате после проката может получиться изделие, склонное к образованию трещин, и его придется сразу же отбраковать.
• Фосфор – до 0,035. Он тоже повышает хрупкость металлоконструкции. С ним быстро накапливается усталость, что приводит к скорым расслоениям и разломам.

Ради максимальной наглядности представляем химический состав популярных марок стали для железнодорожных рельсов в следующей сводной таблице:

Как видите, дополнительно указаны еще два компонента – титан и хром. Мы не стали их подробно описывать выше, так как они присутствуют далеко не всегда, но первый из них является полезной примесью, чей положительный эффект сводится к повышению прочности, а второй – остаточным элементом. Также стоит обратить внимание на наличие алюминия, помогающего снизить вес без ухудшения других качественных показателей.

Механические свойства

• Сопротивляемость ударным воздействиям – твердость легированного добавками материала после объемной закалки достигает 60 HRC по шкале Роквелла, вязкость – 2,5 кг/см2. Благодаря этому уже уложенные металлоконструкции сложно случайно повредить.
• Стойкость к циклическим нагрузкам – жд металлопрокат изготавливают из стали, потому что предел его прочности доходит до 1000 МПа. В климатических условиях наших широт они не деформируются в течение десятилетий (особенно при грамотном уходе).
• Умеренная пластичность – изделие горячего проката при производстве можно нагревать до температуры в 1000 градусов Цельсия. Показатель его относительного сужения не выйдет за пределы 25%. Получается профиль без пустот и мелких дефектов, которые в процессе эксплуатации могли бы быстро превратиться в серьезные изъяны.

Сочетание настолько практичных свойств также обуславливает постоянную популярность и повсеместное использование двутавровых направляющих именно из рассматриваемого сплава.

Применение и марки рельсовой стали

Основная сфера использования металла (что ясно из его названия) – выпуск прокатных изделий для укладки ВСП.

Теперь рассмотрим самые востребованные вариации сплавов:

• 76 – самая популярная. Из нее изготавливаются профили серий Р50 и Р65, составляющие 3/4 всех опорных конструкций ширококолейных ЖД-полотен.
• 76Ф – уже усиленная ванадием, с повышенным ресурсом. Поэтому используется для производства проката, который в дальнейшем будет укладываться в линии для высокоскоростного движения локомотивов и другого быстрого транспорта.
• К63 – легирована никелем (до 0,3%), отличается впечатляющей твердостью и лучшей коррозионной стойкостью. Из нее выполняются крановые рельсы, марка стали позволяет выдерживать нагрузки, в других случаях ставшие критическими.
• К63Ф – с добавками вольфрама, а значит с еще более высокой циклической прочностью.
• М54 – обогащенная марганцем и за счет этого обладающая хорошей вязкостью. Нашла свое применение при выпуске накладок для мест стыка и стрелочных переводов.
• М68 – актуальная при производстве специфических элементов верхнего строения пути.

Необходимость механических свойств в различных сочетаниях и определила такое разнообразие вариантов. Добавьте сюда сравнительно малый вес и низкую стоимость, и получите очень практичную конструкцию для строительства транспортных линий и узлов развязки.

Указывается тип рельсовой стали на маркировке, которая может быть как постоянной, так и временной. В первом случае она наносится клеймением, во втором – краской. В числе прочих обозначений – соответствие прокатного изделия ГОСТу, а также дополнительные его особенности (укороченная длина, сорт, расположение технических отверстий и тому подобное).

Эксплуатировать профили можно вплоть до истечения срока наработки, указанного заводом-производителем и исчисляемого по пропущенному тоннажу. Возможен и преждевременный выход элементов ВСП из строя, вызванный появлением дефектов. Тогда их нужно менять или ремонтировать. О различных видах дефектах вы можете прочитать в .

Итак, мы выяснили, что для железнодорожного полотна марка стали это 76 и 76Ф, с высоким содержанием углерода и с добавками ванадия (во втором случае). Выплавляется в конвертерных и дуговых печах, с раскислением ферросилицием и алюминием, с последующей дефосфорацией и обновлением шлака, с вакуумной и термической обработкой. При таком подходе готовый прокат отличается высокой степенью чистоты и низкой склонностью к появлению изъянов.

Сходным образом заводы-производители выпускают не только конструкции для формирования полотна, но и другие важные элементы используемые на ЖД-объектах. Взглянем на них подробнее.

Колесные стали – для железнодорожных колес

Ободья подвижных частей транспорта просто обязаны быть износостойкими (иначе все прочностные преимущества верхнего строения пути будут сведены к нулю). Поэтому они и производятся из тех типов рассматриваемого нами металла, которые обогащены карбидами. Тогда они реже выходят из строя, а значит меньше провоцируют возникновение аварийных ситуаций, а в долгосрочной перспективе еще и удешевляют стоимость эксплуатации локомотивов и вагонов.

Углерод в колесных сталях

Анализируя химический состав, мы сделали вывод, что включения карбона усиливают сопротивление металла к износу, но они же и повышают восприимчивость к критическим температурам. В случае с ободьями особенно важно сделать их несклонными к термическим повреждениям. Нужно помнить, что преждевременный износ (тем более при халатном обслуживании) способен привести к тому, что движущийся на внушительной скорости транспорт сойдет с пути.

Поэтому нет смысла ориентироваться исключительно на высокоуглеродистые сплавы – их прочность в данном случае вполне способна сыграть во вред. Для выпуска колес может не подойти обычная рельсовая сталь, марка для их изготовления обязана соответствовать следующим стандартам:

• AAR M-107/M-208 – американский;
• EN 13262 – европейский;
• JIS E 5402-1 – японский;
• ГОСТ 10791-2011 – межотраслевой.

Отдельного внимания заслуживают проектные решения Страны восходящего солнца. ЖД-сообщение там достаточно сильно развито и сегодня находится на том современном уровне, на который стоит равняться уже не только государствам СНГ. Локомотивы там передовые и движутся на внушительных скоростях. Каким же образом подвижные части этого транспорта выдерживают серьезнейшие нагрузки? Попробуем разобраться.

Японские колесные стали

Примерно 90 лет назад тамошние инженеры и строители столкнулись с глобальной проблемой: специалисты обнаружили, что колеса их транспорта преждевременно изнашиваются, хотя ресурс был рассчитан на годы вперед.

Объяснение было найдено и оказалось простым: в сплаве для выпуска металлических элементов, изготовленным по заимствованным европейским технологиям, содержалось всего 0,5% углерода. Такой массовой доли было явно недостаточно для обеспечения необходимой износостойкости.

Ученые из Японии понимали, что повышение процента карбона в толще профиля может привести и к негативным последствиям (в частности, к появлению склонности к термическим повреждениям). Поэтому были запущены масштабные исследования, целью которых стало нахождение оптимальной концентрации добавки с сохранением всех полезных свойств. В результате остановились на отметке в 0,6-0,75%, которой и соответствует стандарт JIS E 5402-1.

Выше углерод в колесах – меньше износ рельсов

Поиски позволили сделать еще один важный вывод: при балансе примесей и основного металла дольше эксплуатируются не только подвижные части транспорта, но и те элементы ВСП, по которым они едут.

Объяснение данному эффекту тоже нашли: мельчайшие частицы, откалываются от колес, оседают в месте контакта и выходит абразивное воздействие на поверхность катания. В итоге на головке появляются царапины, а со временем и трещины.

Эти результаты побудили инженеров экспериментальным путем повышать содержание углерода – вплоть до того уровня, которым сейчас может похвастать марка стали для JIS E 5402-1 (то есть до 0,75%).

Японские колеса на немецкой железной дороге

В ЖД-сообщении Германии наблюдалась проблема: подвижные части местных поездов (ICE) быстро деформировались, что приводило к их выходу из строя, к потере качества сцепления, к возникновению аварийных ситуаций. Когда специалисты Deutsche Bann узнали, что локомотивы компании Shinkan-sen из Страны восходящего солнца не испытывают подобных сложностей даже при движении на максимально допустимых скоростях, они захотели провести сравнительные испытания.

На немецкие составы установили как европейские колеса, изготовленные из сплава ER7 (с массовой долей карбона до 0,52%), так и японские, выполненные по стандарту JIS E 5402-1. После 6 лет независимых испытаний, с 2003 по 2009 год, второй вариант показал, что он в 1,5 раза эффективнее сопротивляется износу.

Параллельно регулярно проверялись и металлоконструкции, уложенные в колею. Оказалось, что они тоже стираются медленнее – ровно в 1,5 раза. На поверхности контакта остается меньше абразивных частиц. Обогащение материала карбоном дает неплохую прибавку к эксплуатационному ресурсу – спасибо японцам за это открытие.

Преимущества железнодорожных рельсов

Современные их разновидности обладают следующими плюсами (и такой материал, как рельсовая сталь, помогает подчеркнуть эти практические достоинства):

• равномерно распределяют испытываемые нагрузки по всей длине полотна;
• обеспечивают надежную поверхность для колес транспорта, помогая тому развивать и поддерживать высокую скорость передвижения;
• обладают значительным ресурсом (свыше 50 лет), в течение которого стойко выдерживают серьезные напряжения и эффективно сопротивляются износу.

Тем самым они помогают справиться с главной задачей – являются залогом быстрой и безопасной перевозки пассажиров и грузов.

___________________

Теперь, когда вы знаете, какой бывает материал для производства железнодорожного металлопроката, его характеристики, химический состав, а также механические свойства, будет проще выбрать конкретную марку, оптимально подходящую для обустройства ЖД-объекта. А компания «ПромПутьСнабжение» всегда поможет быстро получить необходимый объем металлоконструкций по привлекательной цене – обращайтесь для заказа.

Основу железнодорожной сети России составляют рельсы Р 65 - линейные конструкции двутаврового поперечного сечения, которые служат для восприятия нагрузок от подвижного состава, их упругой «переработки» и последующей передачи на опору - шпалы. Характеристики этих «стальных балок» регламентированы ГОСТом Р 8161-75. Он устанавливает конструкцию и размеры закаленных и незакаленных рельс и рельсовых плетей типа Р65.

Рельсы Р 65

Любые рельсы предназначены для решения нескольких задач. Во-первых, они воспринимают и передают поездную нагрузку. Это необходимо для сохранения долговечности как земляного полотна, так и колес. Во-вторых, они задают направление движения подвижного состава. И, наконец, они создают площадку с наименьшим сопротивлением для качения колес. Поверхность соприкосновения рабочих элементов составляет несколько сантиметров (3-5 в зависимости от класса пути).

Область применения представленных линейных конструкций довольна обширна. Так, рельсы Р 65, равно как и Р50, Р75, используются для укладки звеньевого и бесстыкового пути широкой колеи. Они также используются при создании стрелочных переводов. В последнем случае используются линейные изделия с видоизмененным профилем (РК65).

Элементы рельса

Рельсы Р65, как и любые другие типы, нельзя назвать обычной двутавровой балкой.

Специалисты выделяют в его конструкции несколько условных частей:

1. Головка - ее форма обеспечивает надежное сцепление колеса подвижного состава с самим рельсом.
2. Шейка - сопротивляется изгибающим нагрузкам, а также передает их на опору
3. Подошва - обеспечивает устойчивость всей линейной конструкции, распределяет напряжения по всей поверхности шпалы. Она состоит из правого и левого пера.

Кроме того, в пределах рельса выделяют две области, расположенные по левую и правую сторону от шейки и занимающие пространство от нижнего края головки до средней части подошвы. Это так называемые левая и правая пазухи. В них располагаются клиновидные накладки, которые скрепляют рельсы Р 65 между собой на некоторых участках пути.

Размеры рельса Р65

Мало кто задумывался, почему рельс Р 65 имеет именно такую форму. Между тем каждый радиус закругления, ровная площадка и уклоны специально подбирались опытным путем или расчетами, чтобы создать оптимальные условия для взаимодействия с подвижным составом.

Большинству из нас известно, что имеет рельс Р 65 вес, равный 65 кг, что на самом деле является неверным. Точная масса погонного метра составляет 64,72 кг. Другие же параметры имеют следующее значение:

• радиус головки (R500) обеспечивает центрирование нагрузки, то есть заставляет совпасть продольную ось колеса с осью рельса;
• R80 создает плавный переход к R15, который создает плотный контакт с гребнем колеса;
• уклон головки 1:20 соответствует уклону гребня колеса, что необходимо для сопряжения с гребнем колеса;
• радиусом R3 скругляют острый край головки, что делается для ликвидации концентраторов напряжений;
• переходные радиусы R15 и R370 введены для того, чтобы обеспечить плавное сопряжение головки с шейкой и ликвидировать области с опасными напряжениями;
• переходный радиус R400 у основания шейки необходим для плавной передачи нагрузки на подошву;
• уклоны верхней грани подошвы и нижней части головки одинаковы (1:4), что необходимо для установки клинообразных накладок, которые одновременно выступают и как распор.

Ежедневно колоссальным нагрузкам подвергается рельс Р 65. Вес его в промышленности России нельзя недооценить. Но если бы не особая конструкция, он бы не смог справиться со своей задачей, быстро бы деформировался и нуждался в замене.

Рельсовая сталь

Все рельсы железнодорожные (Р 65, РК65, Р75, Р50) изготавливают исключительно из рельсовой стали. Она отличается высокой прочностью на изгиб, твердостью и износостойкостью, что достигается высоким содержанием углерода (0,82 %) и добавлением легирующих добавок - марганца, ванадия, циркония, кремния, титана.

М76ВТ - основная марка стали, применяемая при производстве рельсовых плетей. В зависимости от способа получения она может быть первой (выплавляемые исключительно в мартеновских печах) или второй группы. Отлитая или прокатанная «болванка» проходит сложный многоступенчатый этап термической обработки. Во многом именно поэтому на рельс Р 65 цена находится на столь высоком уровне - от 50 тыс. рублей за тонну.

Значительные твёрдость, сопротивление износу и вязкость высокоуглеродистых сталей достигаются приданием им специальной термической обработкой однородной сорбитной структуры.

Нормы по гарантии качества изготовителей железнодорожных рельсов представлены в таблице 5.

Рис.1 Характеристики поперечных профилей рельсов Р75 (а), Р65 (б), Р50(в)

Таблица 5

Примечание:

Т1, Т2 - термоупрочненные рельсы, выпускаемые по ГОСТ Р 51685-2000;

СС – рельсы для скоростного совмещенного движения;

НЭ, НК - рельсы низкотемпературной надежности;

ИЭ - рельсы повышенной износостойкости и контактной выносливости;

3. Конструкции железнодорожного пути на мостах.

3.1. Схемы примыкания рельсовых плетей к мостам.

В России на мостах и подходах к ним обычно укладывается тот же тип рельсов, что и на перегонах. В настоящее время на мостах эксплуатируются преимущественно термоупрочненные рельсы типа Р65. Имеющиеся незакаленные рельсы Р65 и даже термоупрочненные рельсы Р50 в плановом порядке заменяются на термоупрочненные Р65.

В зависимости от климатических и эксплуатационных условий на мостах и подходах к ним может укладываться бесстыковой путь с рельсовыми плетями, перекрывающими мост и подходы, путь с длинными сварными рельсами (длиной не более длины температурного пролета) и звеньевой путь с рельсами длиной 25 м..

Укладка бесстыкового пути на мостах не менее эффективна, чем на земляном полотне. В результате ликвидации стыков уменьшаются динамические напряжения в элементах пролетных строений, снижается интенсивность расстройства их соединений и мостового полотна, а соответственно уменьшаются затраты на содержание как пути на мостах, так и самих мостов. Поэтому применение бесстыкового пути на мостах - важная задача.

При укладке сварных рельсовых плетей бесстыкового пути и длинных рельсов на мостах должны учитываться особенности совместной работы пути и моста. Основной особенностью здесь является подвижность подрельсового основания, вызванная изменением длины пролетного строения при изменении температуры воздуха и проходе подвижного состава. Подвижность пролетного строения при интенсивном торможении может составлять от 20 до 30 % его температурных перемещений. В то же время сварные рельсовые плети, перекрывающие мост, могут оставаться неподвижными.

При наличии связей "рельс-пролётное строение" в рельсовых плетях появляются дополнительные продольные усилия, передающиеся при непрерывной рельсовой нити бесстыкового пути не только на пролетные строения, но и на опорные части и на подходы к мосту. Поэтому до укладки бесстыкового пути мосты обследуют и, если необходимо, капитально ремонтируют.

Как на отечественных, так и на зарубежных железных дорогах, на мостах применяют два типа мостового полотна: балластное (с ездой на балласте) и безбалластное.

Мостовое полотно с ездой на балласте (рис. 2) применяется с железобетонными пролетными строениями длиной преимущественно до 33 м и сталежелезобетонными - длиной более 33 м. ..

На мостах с железобетонными пролетными строениями длиной до 3,6 м с ездой на балласте рельсовые плети работают практически независимо от пролетного строения и не испытывают дополнительных воздействий, связанных с его деформациями. Такие мосты почти не имеют строительного подъема, а изменение температуры пролетного строения вследствие большой массы бетона происходит с 4-5-часовым отставанием от изменения температуры окружающего воздуха. Поэтому при изменениях температуры и проходе поезда продольные деформации (изменения длины) такого пролетного строения бывают невелики. Это позволяет устраивать на железобетонных мостах с пролетными строениями до 33 м и ездой на балласте бесстыковой путь такой же конструкции, как и на земляном полотне.

Рис.2 Мостовое полотно с ездой на щебеночном балласте и железобетонных шпалах при балластном корыте, предусматривающем пропуск щебнеочистительных машин:слева-без охранных приспособлений, справа-с охранными приспособлениями

На мостах с ездой на балласте, имеющих полную длину более 50 м, а также на путепроводах с ездой на балласте при полной их длине более 25 м для предупреждения большого поперечного смещения от оси моста подвижного состава в случае его схода требуется укладывать контруголки.

На мостах с ездой на балласте путь укладывается на специальных мостовых железобетонных шпалах, к которым можно прикреплять контруголки. Контруголки крепятся к шпалам шурупами, вворачиваемыми в деревянные вкладыши. Контруголки сводятся концами, образуя челнок, острия которого должны быть не ближе 10 м от задней стенки устоя (рис. 3). При укладке на мостах железобетонных шпал в пределах "челноков" располагают шпалы с постепенным уменьшением расстояния между осями деревянных вкладышей (рис. 4).

В качестве балласта на мостах и подходах к ним применяется щебень из твердых пород. На отдельных мостах и подходах к ним эксплуатируется путь на асбестовом балласте. Однако в последние годы в плановом порядке асбестовый балласт заменяется щебеночным.

Рис. 3. Схемы расположения железобетонных и деревянных шпал при примыкании рельсовых плетей к мостам (а) и перекрытии мостов рельсовыми плетями (б): А - рельсовые плети; Б - железобетонные шпалы; В - деревянные шпалы

Рис. 4. Схема укладки железобетонных шпал в пределах «челноков» (цифрами обозначены типы шпал от Ш1 до Ш21)

Ширина плеча балластной призмы на мостах и подходах к ним устраивается не менее 35 см. При этом она не зависит от класса линии, т. е. является фактором, обеспечивающим устойчивость бесстыкового пути. Толщина балластного слоя под шпалой устраивается не менее 25 см. На отдельных мостах из-за габаритов толщина балластного слоя может быть ограничена до 15 и даже 10 см. В таких случаях необходимо принимать все меры для уменьшения динамического воздействия подвижного состава на путь. Это достигается путем ликвидации рельсовых стыков в пределах моста и периодической шлифовкой рельсов.

На мостах старой постройки в процессе эксплуатации высота балластной призмы увеличивалась в результате выправки пути в профиле, а также из-за отсутствия достаточно простых технологий по очистке щебня на мостах. Это приводит к значительному увеличению постоянной нагрузки на мост. Для ее ограничения высота балласта под шпалой не должна превышать типовую более чем на 30 см. При большей высоте ширина лотка становится недостаточной для обеспечения необходимого поперечного профиля призмы. Поэтому в новых проектах ширина лотка понизу составляет 4,9 м.

В эксплуатируемых мостах старой постройки во избежание осыпания балласта с пролетного строения приходится наращивать борта лотков. На некоторых дорогах укладывают железобетонные уголки, горизонтальная полка которых размещается под балластом.

Во всех случаях необходимо, чтобы нижняя постель шпалы была ниже борта, и дополнительная нагрузка от увеличения собственного веса пролетного строения не превосходила допускаемую.

Довольно часто устраивают мостовое полотно с металлическими ортотропными плитами с ребрами жесткости. Плита имеет одинаковую жесткость в продольном и поперечном направлениях и включается в работу верхнего пояса продольной балки, что упрощает и усиливает конструкцию моста и удешевляет его содержание. На плите укладывают обычное верхнее строения пути (щебень, шпалы и т.д.).

Иногда вместо металлической применяют железобетонную плиту, работающую совместно с верхними поясами главных ферм пролетного строения. Плиты в этом случае, как правило, приклеиваются к балкам клеем на эпоксидной основе. Путь укладывается на щебне.

Имеются и другие конструкции балластного мостового полотна. На железных дорогах России, кроме железобетонных мостов, мостовое полотно с ездой на балласте применяется преимущественно на сталежелезобетонных мостах, включающих металлические пролетные строения с установленными на них железобетонными балластными корытами. Балластное корыто на таких мостах работает совместно с верхними поясами продольных балок, на которых оно закрепляется. Однако и на этих мостах влияние продольных подвижек пролетных строений на рельсовые плети снижается за счет балласта. Содержание пути на мостах с ездой на балласте наиболее просто и экономично по сравнению с другими конструкциями мостового полотна и мало отличается от эксплуатации пути на земляном полотне. Тем не менее, на большей части металлических мостов применяется безбалластное мостовое полотно.

Безбалластное мостовое полотно может быть на деревянных и металлических поперечинах или на железобетонных плитах.

Мостовое полотно на деревянных поперечинах (мостовых брусьях) устраивается согласно рисунку 5. В качестве охранных приспособлений на мостах с деревянными и металлическими поперечинами применяются контруголки сечением 160x160x16 мм. На эксплуатируемых мостах впредь до переустройства или капитального ремонта допускаются контруголки меньшего сечения, но не менее 150x100x14 мм.

Мостовое полотно с металлическими поперечинами эксплуатируется преимущественно на мостах довоенной постройки.

Рис.5. Мостовое полотно на мостовых брусьях с костыльным креплением рельсов: слева - охранный уголок прикреплен лапчатым болтом, справа- - охранный уголок прикреплен костылями

Примечание. В скобках даны минимально необходимые зазоры между рельсовыми подкладками, охранными уголками и шайбами лапчатых болтов на участках, оборудованных автоблокировкой.

В последние годы резко возросли объемы укладки мостового полотна с железобетонными плитами (рис. 6). Изготовление и укладка безбалластных железобетонных мостовых плит производятся по типовым проектам. Сопряжение железобетонных плит с балками пролетных строений может производиться с помощью прокладного слоя из цементно-песчаного раствора с деревянными прокладками, из антисептированных деревянных досок и резины, а также других конструкций.

В качестве охранных приспособлений на мостах с железобетонными плитами применяются контруголки сечением 160x160x16 мм. Охранные приспособления на мостах с безбалластным мостовым полотном (деревянные, металлические поперечины, железобетонные плиты) устанавливают при длине мостового полотна более 5 м или при расположении мостов в кривых радиусом менее 1000 м.

Как известно, одна из основных особенностей работы пути, в том числе и бесстыкового, на мостах заключается в подвижности подрельсового основания. Рельсовые плети бесстыкового пути, перекрывающие мост, не имеют возможности перемещаться вместе с основанием.

Рис.6. Мостовое полотно на безбалластных железобетонных плитах:

1 - безбалластная ж.б. плита, 2-контруголок, 3 - путевой рельс со скреплениями, 4 - главные балки, 5 - опорная деревянная прокладка, 6 - высокопрочная шпилька крепления плиты, 7 - цементно-песчаная подливка, 8 - овальное отверстие для шпильки и нагнетания раствора под плиту, 9 - шайбы

Поэтому при наличии связей «рельсовые плети - пролетное строение», вследствие продольных подвижек последнего как в плетях, так и в продольных балках пролетного строения, появляются дополнительные продольные силы. Ввиду того, что площадь поперечного сечения продольных балок, поясов ферм пролетного строения многократно превышает площадь сечения рельса, то наиболее опасными будут дополнительные продольные силы для рельсовых плетей. Дополнительные силы в рельсовой плети в сумме с поперечными силами от подвижного состава, а также от изменения температуры плети не должны вызывать перенапряжений рельсов в зоне моста и подходов. Это требование выполняется при условии непревышения расчетных напряжений над допустимыми.

При этом условии учитывается, что температура рельсов на мостах в летнее время может быть ниже на 8-10°С температуры рельсов на подходах к ним, а также что в зимнее время продольные деформации пролетного строения, вызванные проходом поезда, противоположны по направлению температурным и уменьшают воздействие последних на плети.

Для определения дополнительных сил в рельсовых плетях на мостах и подходах к ним, вызванных подвижками пролетного строения, необходимо знать длины пролетных строений, значения перемещений и распределение сил сопротивлений (r м) по длине мостового полотна.

На участках с подвижками пролетного строения более 3 - 5 мм происходит фрикционное проскальзывание его относительно рельсовых плетей, и сопротивления уже не зависят от величины перемещений, т, е. r м = соп st

В известных зарубежных работах при определении дополнительных продольных сил в рельсовых плетях принимают r м = соп st . Это упрощение при перемещениях пролетного строения, вызванных изменениями температуры на 15ºС, почти в 2 раза увеличивает расчетное значение силы по сравнению с ее фактической величиной. При увеличении перепада температуры разность между расчетными и фактическими значениями дополнительных сил уменьшается. Например, для пролетного строения длиной 55 м при перепаде температуры на 45ºС разность между расчетной и фактической величиной дополнительных продольных сил не превышает 7-10 %.

При сплошном закреплении плетей скреплениями КД, КБ на мостах с пролетными строениями длиной 45-55 м, их продольные деформации могут вызвать в рельсовых плетях дополнительные осевые напряжения порядка 50-75 МПа, которые в сумме с изгибными и температурными напряжениями могут превышать допускаемые значения по прочности рельсов. Эти дополнительные напряжения способствуют быстрому расстройству мостового полотна, опорных частей пути в зоне подходов, а в отдельных случаях и выбросу пути в зоне подходов. Поэтому закрепление рельсовых плетей в соответствии с требованиями к их закреплению на земляном полотне неприемлемы для безбалластных мостов .

Самый лучший вариант в плане взаимодействия плетей и пролетных строений - применение скреплений, которые не препятствуют перемещению продольных строений относительно плетей. Закрепление рельсовых плетей без защемления подошвы рельсов на отечественных железных дорогах применяется на безбалластных мостах длиной 33 м и менее, а на зарубежных дорогах на мостах длиной до 25-30 м. При таком закреплении плетей удлинение или укорочение пролетных строений не вызывает дополнительных сжимающих или растягивающих напряжений в плети, а величина зазора при изломе плечи не превышает допускаемого значения. Закрепление плетей на мостах длиной до 33 м осуществляется при помощи костыльных или раздельных скреплений (КД, КБ) с неплотно забитыми костылями или клеммами с подрезанными лапками, что обеспечивает зазор между клеммой и верхом подошвы рельса (рис. 7). При длине мостов больше 33 м во избежание раскрытия большого зазора рельсовые плети закрепляются на ограниченном протяжении мостового полотна в зоне неподвижного конца пролетного строения (0.2÷ 0,25). На этом участке рельсовые плети крепятся так же, как и на земляном полотне с нормативной затяжкой гаек клеммных болтов. На остальном протяжении мостового полотна плети крепятся без защемления клеммами. При таком закреплении почти исключается появление в плетях дополнительных сил, вызванных подвижками пролетного строения. Внедрение такой схемы закрепления плетей позволило расширить полигоны применения бесстыкового пути на отечественных железных дорогах на однопролетных мостах длиной до 55 м и многопролетных - до 66 м .

Рис. 7. Прикрепление рельсовых плетей к мостовым брусьям креплениями КД с укороченными ножками клемм

На целом ряде зарубежных железных дорог бесстыковой путь укладывается на мостах большей длины (табл. 6).

Таблица 6

Увеличение длин мостов, на которых можно укладывать бесстыковой путь, достигается за счет более благоприятных климатических условий, применения новых конструкций прикрепления мостовых брусьев к поясам продольных балок или ферм. исключающих влияние продольных перемещений пролетного строения на напряженное состояние плетей (рис. 8), специальных конструкций рельсовых скреплений. В частности, в Японии применяются скрепления (рис. 9), из которых «А» обеспечивает погонные сопротивления продольному сдвигу 100 Н/см, «В» - 50 Н/см, «С» - не оказывает сопротивления продольному сдвигу. Комбинацией этих скреплений достигаются требуемые погонные сопротивления.

Рис. 8. Узел соединения мостового бруса (1) с продольной балкой (2), допускающий их взаимные перемещения.

Рис. 9. Скрепления, предназначенные для укладки на мостах без балласта.

Наряду с выполнением требований по прочности, устойчивости пути, величине зазора, образующегося в случае излома плети, на мостах необходимо соблюдать еще и условие, чтобы горизонтальные силы, передаваемые рельсовыми плетями на мостовое полотно в момент разрыва плети зимой, не превышали значений расчетных тормозных сил, на которые рассчитываются опорные части и опоры мостов. На однопролетных мостах свыше 55 м и многопролетных свыше 60 м закрепление плетей только в зоне неподвижных концов пролетных строений в климатических условиях железных дорог России не обеспечивает требование по зазору. На этих мостах укладывается либо звеньевой путь, либо рельсовые плети длиной не более длины температурного пролета моста (рис. 10).

Для компенсации температурных удлинений рельсов, а также удлинений, вызванных проходом поезда, на мосту применяются уравнительные приборы (рис. 11). На практике уравнительные приборы укладываются на мостах с длинами температурных пролетов 100 м и более. Рельсовые плети в пределах таких мостов укладываются типа Р65 с костыльными, раздельными скреплениями К-65 на мостах с деревянными мостовыми брусьями или КВ-65 на мостах с металлическими мостовыми брусьями и железобетонными плитами.

Для предупреждения угона пути в пределах моста сварные рельсовые плети закрепляются в зоне неподвижных концов пролетных строений.

Рис. 10. Температурные пролеты мостов:

a - с разрезными пролетными строениями в однопролетных мостах или при расположении на промежуточной опоре одной подвижной и одной неподвижной опорных частей смежных пролетных строений: б -то же при расположении на промежуточной опоре двух подвижных опорных частей; в, г -с неразрезными пролетными строениями при расположении неподвижной опорной части в середине и на конце пролетного строения; д - с консольными пролетными строениями: е - с арочными пролетными строениями; L t - температурный пролет, У р - место установки уравнительного прибора.

Рис. 11 Уравнительный прибор:

1 - передний стык рамного рельса; 2 - рамные рельсы. 3 - начало отгиба рамного рельса, 4 - остряки; 5 - лафеты; 6 - граница соседних температурных пролетов

На мостах с деревянными мостовыми брусьями и костыльными скреплениями рельсовые плети закрепляются винтовыми или, как исключение, пружинными противоугонами, устанавливаемыми в замок. Винтовые противоугоны устанавливаются у брусьев, прикрепленных к противоугонным уголкам, установленным на верхних поясах продольных балок. Количество винтовых и пружинных противоугонов определяется путем деления продольной силы на усилие, которое воспринимается винтовым (рис.12) или пружинным противоугонами.

Рис. 12. Винтовой противоугон

На мостах с ездой по балласту, с металлическими поперечинами рельсовые плети у неподвижных концов пролетных строений на протяжении, определяемом расчетами, прикрепляются к основанию скреплениями КБ с нормативной затяжкой гаек клеммных болтов. Протяженность участков закрепления плетей в зоне неподвижного конца пролетного строения пружинными противоугонами или скреплениями КБ с нормативной затяжкой гаек клеммных болтов определяется из условия:

где Т - продольная сила от временной нагрузки в момент торможения или разгона поезда; r м - погонные сопротивления продольному сдвигу рельсовой плети в пределах участка закрепления.

На остальном протяжении пролетного строения рельсовые плети крепятся без защемления подошвы рельса.

На безбалластных мостах с металлическими поперечинами, железобетонными плитами и с ездой по балласту устанавливаются подрельсовые резиновые или резинокордовые амортизаторы. Для уменьшения коэффициента трения между подошвой рельса и амортизаторами в пределах участков, где плети крепятся без защемления подошвы рельса, устанавливаются металлические П-образные прокладки, изготавливаемые из листовой стали толщиной 0,5 - 2,0 мм (рис 13). В последние десятилетия на многих мостах России с температурными пролетами 100 м и более вместо дорогостоящих уравнительных приборов начали укладывать уравнительные рельсы. Компенсация изменения длины рельсовых плетей на мостах с уравнительными рельсами осуществляется за счет стыковых зазоров, а в необходимых случаях - за счет одного- двух сезонных уравнительных рельсов. Сезонные рельсы - это рельсы для зимних и летних условий. На зимний период это, как правило, рельсы стандартной длины 12,5 м, а на летний период - укороченные, длиной 12,46; 12,45 или 12,44 м.

Укладка плетей с уравнительными рельсами выполняется по специально разработанному проекту, который обязательно должен включать схему укладки сварных рельсовых плетей и уравнительных рельсов; расчет зазоров в стыках и определение температурного интервала замены сезонных уравнительных рельсов; схему закрепления рельсовых плетей на мостовом полотне и подходах.

Рис. 13. П-образная металлическая прокладка

Рельса – это металлическая балка, имеющая оригинальное сечение. Она применяется для создания опоры, по которой передвигается железнодорожный транспорт. Впервые рельсы начали изготавливать в Древнем Риме, но тогда для их изготовления использовалось дерево, а расстояние между ними было строго 143 см. Установка рельс производится в параллельной плоскости относительно друг другу. В результате образуется «двухниточный путь».

Основная задача рельс – направлять колеса транспорта и принимать на себя нагрузку с последующим ее распределением на нижние элементы верхнего пути. В случае использования составов в зонах, передвижение в которых невозможно без электрической тяги, рельсы играют роль проводника тока, а для зон, применяющих автоблокировку, рельсы являются проводником.

Материал изготовления

В большинстве случаев для изготовления рельсов используется углеродистая сталь. На качество этого материала оказывают влияние некоторые факторы, например, микроструктура и макроструктура стали, ее химическое строение и т. д. Наличие углерода придает рельсе большей долговечности и надежности.

Однако избыток углерода в составе стали может оказать негативное воздействие. При его чрезмерном количестве значительно повышается хрупкость. Именно поэтому при добавлении углерода стоит позаботиться и о том, чтобы структура стали балы максимально прочной.

Для повышения качества исходного материала применяются и другие вещества. В последнее время все чаще прибегают к обработке рельсов марганцем. Это повышает устойчивость металла к повреждениям механического характера, делает его более долговечным и вязким. Добавление кремния в состав стали повышает ее износоустойчивость и твердость. Также можно использовать титан, ванадий и цирконий. Эти микроэлементы способны значительно улучшить качественные характеристики стали.

Ни в коем случае нельзя добавлять серные и фосфорные добавка, так как они делают сталь более уязвимой к ломке и повышают хрупкость. Очень часто в деталях, изготовленных с добавлением этих веществ, можно наблюдать наличие трещин и разломов.

Выше уже шла речь о том, что сталь имеет свою микроструктуру и макроструктуру. В качестве основного материала для первой структуры используется перлит. Его форма напоминает пластины, содержащие феррит. Добиться однородного состава стали можно с помощью ее закаливания, то есть обработать ее при очень высокой температуре. Закаливание повышает износостойкость, долговечность, надежность, жесткость и вязкость металла. Для макроструктуры наличие лишних веществ или пустот является недопустимым.

Физические характеристики рельсов

Настоящий профиль рельсов не всегда был таким. Он терпел изменения с течением времени. История помнит угловые, двухголовые, грибовидные, широкоподошвенные и другие рельсы.

Конструкция современного широкоподошвенного рельса включает в себя подошву, головку и шейку, которая выступает в качестве соединительного элемента между этими двумя частями. Центральная часть делается немного выпуклой для того, чтобы нагрузка с колес переносилась на центральную область рельса. Места соединения шейки с подошвой и головкой имеют плавные формы. Для снятия напряжения с шейки ее делают в виде кривой. Чем шире основание подошвы рельса, тем выше ее боковая устойчивость.

Существует несколько стандартных размеров рельсов. Для Российской Федерации свойственно выпускать рельсы длинной 12,5, 25, 50, 100 м.

Также существует возможность выпускать рельсы и меньшей длины. Они используются на неровных участках железнодорожного пути. Длина бесстыкового пути составляет не менее 400 м и может достигать перегонной длины. Чем выше длина рельса, тем меньше сопротивление передвижения транспорта и, соответственно, ее износ. Сохранение стали при переходе на бесстыковой путь достигает 4 т на 1 км пути. Это возможно благодаря отсутствию элементов крепления в области стыков рельсов.

При расчете мощности материала необходимо учитывать такой параметр, как удельный вес на 1 м рельса. Его измерение принято проводить в килограммах.

Еще один элемент железнодорожного пути – шпалы. Они играют роль крепежного элемента. Благодаря развитию современных технологий появилась возможность производить шпалы не только из железобетона и дерева, но и из стали или пластика.

При расчете стоимости одного рельса учитывается его удельный вес, габаритные параметры (длина и ширина), твердость и степень износоустойчивость.

Типы рельсов

Для того чтобы правильно подобрать необходимы тип рельсов необходимо рассчитать загруженность линии и среднюю скорость, с которой по ней будет передвигаться транспорт. Для примера возьмем массивный рельс с большим весом. Он положительно влияет на износоустойчивость шпал и снижает экономические затраты на обслуживание линии за счет увеличения ее долговечности.

На сегодняшний день существуют такие виды рельсов:

• Железнодорожные. Этот тип считается наиболее популярным и востребованным. Вес 1 метра такой рельсы составляет 50-65 кг, длина – 12,5 или 50 м.
• Узкоколейные. Используются при необходимости создания узкого межрельсового пространства. Этот тип рельсов широко используется в горнодобывающей промышленности и в других местах с ограниченной проходимостью.
• Рудничные. С их помощью производится укладка бесстыковых путей. Также они очень популярны в промышленной сфере.
• Трамвайные. Название говорит само за себя. Не рассчитаны на большую загруженность линии. Эти рельсы весят относительно немного, что приводит к их быстрому износу.
• Крановые. Применяются в тех местах, где необходимо создание путей для перемещения подъемного крана.
• Подкрановые. Такие рельсы считаются наиболее тяжелыми. В некоторых случаях допускается укладка сразу в несколько рядов.
• Рамные. Их используются в местах постройки переводных механизмов.
• Контррельсовые. Используются при работе в верхних конструкциях ж/д путей.
• Остряковые. Сфера применения аналогична контррельсовому типу. Вид остряковых рельсов ОР43 можно выделить отдельно. Он используется для возведения ж/д путей.

Где купить данные виды рельс? Рекомендуем покупать у надежный поставщиков. В Екатеринбурге рельсы можно приобрести в торговой компании «Рельс-Комплект» . Компания реализует ж/д продукцию высокого качества от ведущих отечественных заводов, отвечающую нормам ГОСТов.

Классификация рельсов осуществляется по нескольким параметрам:

• Наличию отверстий, предназначенных для соединительных элементов (болтов).
• Способу выплавления стали.
• Качеству. По этому параметру рельсы подразделяются на термоупрочненные и нетермоупрочненные.

Эти характеристики напрямую влияют на стоимость рельса.

Условные обозначения

На каждой рельсе присутствует маркировка, состоящая из нескольких групп цифр и букв. Каждая буква означает определенный параметр:

• А – тип рельса.
• В – категория качества.
• С – марка используемой стали.
• D – протяженность рельса.
• Е – наличие отверстий под болты.
• F – ГОСТ.

Например, маркировка рельса Р65-Т1-М76Т-25-3/2 ГОСТ Р 51685-2000 говорит о том, что это рельс железнодорожного типа категории Т1. Для его изготовления использовалась сталь марки М76Т. Длина рельса составляет 25 м. Имеет 3 отверстия для болтов на каждом конце. Соответствует указанному стандарту ГОСТ.

Введение

Рельсовая сталь - это углеродистая легированная сталь, которая легируется кремнием и марганцем. Углерод дает стали такие характеристики, как твердость и износостойкость. Марганец увеличивает эти качества и повышает вязкость. Кремний также делает рельсовую сталь более твердой и износостойкой. Рельсовую сталь может стать еще качественнее с помощью микролегирующих добавок: ванадия, титана и циркония.

Широкий спектр требований, предъявляемых в связи с этим к качеству железнодорожных рельсов, требует совершенствования технологических процессов, разработки, опробования и внедрения новых технологий и использования прогрессивных процессов в области производства рельсов.

Действующая на отечественных металлургических комбинатах технология производства железнодорожных рельсов обеспечивает необходимое качество и стойкость продукции. Однако в силу ряда причин рельсовая сталь в Российской Федерации выплавляется в мартеновских печах, что ограничивает технологические возможности металлургов для существенного и резкого повышения качества стали, используемой для производства рельсов.

Основной причиной малой распространенности производства рельсов из электростали является целевая направленность строительства современных электросталеплавильных цехов с печами большой емкости на утилизацию региональных ресурсов скрапа и обеспечение регионов металлопродукцией промышленного и строительного назначения. При этом достигаются достаточно высокая экономическая эффективность и конкурентоспособность.

Общая характеристика рельсовых сталей

Производство рельсов в нашей стране составляет около 3,5 % от общего производства готового проката, а грузонапряженность железных дорог в 5 раз выше, чем в США, и в 8...12 раз выше, чем на дорогах других развитых капиталистических стран. Это налагает особо высокие требования к качеству рельсов и стали для их изготовления.

Рельсы подразделяют:

По типам Р50, Р65, Р65К (для наружных нитей кривых участков пути), Р75;

Наличию болтовых отверстий: с отверстиями на обоих концах, без отверстий;

Способу выплавки стали: М - из мартеновской стали, К - из конвертерной стали, Э - из электростали;

Виду исходных заготовок: из слитков, из непрерывно-литых заготовок (НЛЗ);

Способу противофлокенной обработки: из вакуумированной стали, прошедшие контролируемое охлаждение, прошедшие изотермическую выдержку.

Химический состав рельсовых сталей представлен в таблице 1 в марках стали буквы М, К и Э обозначают способ выплавки стали, цифры - среднюю массовую долю углерода, буквы Ф, С, X, Т - легирование стали ванадием, кремнием, хромом и титаном соответственно.

Таблица 1 - Химический состав рельсовых сталей (ГОСТ 51685 - 2000)

Рельсы железнодорожные широкой колеи типов Р75 и Р65 изготовляют по ГОСТ 24182-80 из мартеновской стали М76 (0,71... 0,82 % С; 0,75...1,05 % Mn; 0,18...0,40 % Si; < 0,035 % Р и < 0,045 % S), и более легкие типа Р50 - из стали М74 (0,69...0,80 % С). После горячей прокатки все рельсы подвергают изотермической обработке для удаления водорода с целью устранения возможности образования флокенов. Рельсы поставляют для эксплуатации на железных дорогах незакаленными (сырыми) по всей длине и термоупрочненными по всей длине. Концы сырых рельсов подвергают поверхностной закалке с прокатного нагрева или с нагрева ТВЧ. Длина закаленного слоя от торца рельса 50...80 мм, а твердость закаленной части IIB 311...401. Сырые рельсы из стали М76 должны иметь ов > Ј 900 МПа и 5 > 4%. Технология изготовления рельсов должна гарантировать отсутствие в них вытянутых вдоль направления прокатки строчек неметаллических включений (глинозема) длиной более 2 мм (группа I) и более 8 мм (группа II), так как подобные строчки служат источником зарождения трещин контактной усталости в процессе эксплуатации.

Высокая грузонапряженность железных дорог привела к тому, что работоспособность сырых нетермоупрочненных рельсов перестала удовлетворять требованиям тяжелой работы сети железных дорог.

Дальнейшее повышение эксплуатационной стойкости термически упрочненных рельсов может быть достигнуто легированием рельсовой стали. Перспективным является легирование углеродистой рельсовой стали небольшими добавками ванадия (-0,05 %), применение легированных сталей типа 75ГСТ, 75ХГМФ и др., а так же применение термомеханической обработки.