Бесстыковые рельсы: стука колес не будет?
Стыковое соединение, пожалуй, самое слабое место в конструкции ж/д пути. На протяжении всей истории существования «чугунки» инженеры так и не сумели найти наилучший способ соединения рельс. Стыки и сегодня – источники негативного динамического воздействия на локомотив и следующие за ним вагоны.
Из всех затрат на содержание железной дороги примерно 40% приходится на стыки, которые нужно постоянно обслуживать. Да, сегодняшние пути, конечно, не сравнить с теми, что были 100 и более лет назад. Но, тем не менее, отрицательное влияние рельсовых соединений окончательно устранить так и не удалось. Выход только один – создавать бесстыковой («бархатный») ж/д путь. Абсолютно избавиться от мест соединений, конечно же, не получится. А вот сократить их количество до минимума – вполне реально, что сегодня и делается.
Впервые идея такого соединения рельс пришла в голову российскому инженеру Стецевичу в 1896 году. Для компенсации сил растяжения и сжимания он предлагал делать пути волнообразными (искривленными). В 1907 году немец Отто Гронау разработал технологию сварки рельсов в единый длинный хлыст. Метод стали использовать во многих странах, но дальнейшему развитию бесстыковых путей помешала Первая мировая война.
Классический стык способствует деформации рельса и создает нагрузку на поезд. Фото: youtube.com
К началу 1930-х большинство государств постепенно перешли на укладку длинных рельсов. Этому способствовал VII конгресс железных дорог, на котором подтвердили возможность использования изделий длиной до 60 м без каких-либо негативных последствий в плане температурного расширения и сжатия. Примерно к этому же времени появились специальные передвижные машины, способные сваривать рельсы непосредственно на ж/д полотне.
Обслуживание стыков – тяжелый труд. Фото: youtube.com
В СССР 1932 год на ж/д ознаменовался укладкой бесстыкового пути длиной 215-225 м на мостах через Волгу (г. Калязин) и Оку (г. Серпухов). В 1933-м на ст. Подмосковная впервые обустроили участок длиной 477 м. К 1966 году в стране уже было 5,5 тыс. км такой железной дороги. В 1982-м начали использовать плети длиной 850 м. Рельсы делали более тяжелыми, при сварке применяли вставки, сопротивляющиеся разрыву при усилии в 2,5 МН.
Главная проблема – температурное расширение ж/д летом и сужение зимой. Оно происходит, но только на концах сваренного рельса. Эти участки называют уравнительными. Чтобы минимизировать действие температуры, двутавр крепят чаще: в середине соединений больше, чем на концах.
Однако, далеко не все так идеально: в сильную жару может произойти т. н. выброс, представляющий собой резкое искривление рельса по горизонтали. В суровый мороз сварной шов может разорваться. Поэтому длину бесстыкового пути ограничивают, чаще всего до 1700 м – по стандартной протяженности блок-участка. На практике между плетями (850 м) вставляют уравнительный пролет в 2-4 обычных рельса. Их стандартная длина – 12, 5 м.
Подтяжка крепежа с помощью машины-гайковерта. Фото: youtube.com
Есть и еще одна причина, по которой бесстыковой путь нельзя сделать «бесконечным». Это необходимость изоляции друг от друга рельсов, т. к. в них может возникнуть статическое напряжение. А ток, которым питаются локомотивы – переменный или постоянный. И «смешивать» его нельзя.
Процедура довольно сложная, т. к. используется высокоуглеродистая сталь. Поэтому подобные работы проводятся только высококвалифицированными специалистами в составе компаний, имеющих разрешение на выполнение данной операции. Существует несколько методов соединения плетей при помощи сварки.
Самый надежный метод, подразумевающий стыкование через предварительный нагрев и оплавление торцов рельса. Процедура проводится непрерывно или в импульсном режиме, когда шов периодически охлаждается и осаживается. Для проведения работ применяется специальная машина.
Работает машина ПРСМ для сваривания рельсов. Фото: youtube.com
Способ отличается высокой степень автоматизации и чаще всего используется при обустройстве магистральных путей. Прочность соединения, по сравнению с целым рельсом, составляет от 90 до 110%.
Предварительная подготовка заключается в механической резке торцов для обеспечения плотного прилегания. Также рельс обрабатывают дихлорэтаном. Затем оба конца зажимают гидропрессом, нагревают до 1200°С и сдавливают торцы, приближая их друг к другу. Данный метод популярен в США: он обеспечивает 90-100% прочности.
Соединение осуществляется путем заполнения зазора шириной 14-16 мм расплавленным электродом. Его помещают между торцами и пропускают ток.
Такой способ практикуют для соединения путей на станциях. Качество работы зависит от электрода, достигаемая прочность соединения – 55-70%, по сравнению с цельнометаллическим изделием.
Химическая суть заключается в восстановлении железа из его оксида в «соседстве» с алюминием. В ходе реакции выделяется много тепла, которое и разогревает концы рельсов. Технология специально создана для соединения необработанных торцов. Причем, они могут быть изготовлены из разных марок стали. Необходимы подготовительные работы: зачистка, установка форм, в которые помещают (и где потом поджигают) термит. Для этого применяют факел. Когда процесс начинается, материал расплавляется и затекает в шов.
Термитная сварка: видны факелы. Фото: youtube.com
Все происходит в течение 15-20 минут. Затем место стыка шлифуют. Технология отличается простотой и оперативностью: не нужны громоздкие машины, рельсосварочные поезда, источники энергии. Все делается вручную, профессионалами. Общее время стыкования – не более часа. Прочность, по сравнению с предыдущим методом соединения, выше – от 65 до 70%.
Как говорилось ранее, здесь основная забота железнодорожников – температурный контроль, усиливающийся летом и зимой. Для этого применяют переносные термометры. В жару измеряют положение рельса на длине от 8 до 15 м.
Измерение температуры рельсового пути. Фото: youtube.com
При отклонении более 10 мм на 10 м пути, опасный участок необходимо оградить сигналами установки и предпринять меры по разрядке температурного напряжения. Работы проводятся на ближайшем уравнительном пролете. Если оперативно сделать это не удается, кусок рельса вырезают и заменяют на другой.
Вырезание деформированного куска рельса. Фото: youtube.com
В морозы при сжатии металла проверяют сварные швы: если надо, на концах плетей подтягивают крепеж. При необходимости на уравнительных участках заменяют отрезки рельсов на удлиненные.
Несмотря на некоторые трудности в обслуживании, содержать в порядке бесстыковой путь проще и дешевле, чем классический. К тому, же, стоит учитывать преимущества «сплошных» рельсов:
✅ плавное передвижение пассажирских поездов: меньше шума, тряски
✅ увеличенный срок службы, как рельсов, так и вагонов, локомотивов
✅ меньшие затраты на ремонт и обслуживание путей
✅ экономия металла при обустройстве ж/д
✅ сопротивление колесам поезда падает: его скорость возрастает
✅ повышение безопасности: вероятность схода состава с рельс снижается
Из минусов стоит выделить сравнительную сложность ремонта поврежденного участка пути. А также необходимость обустройства толстого (не менее 45 см) балластного слоя. Причем, он может проседать, за чем необходимо следить. Тем не менее, длина бесстыковых путей в РФ постепенно увеличивается: по данным за 2003 год, они составляли 40% от общей протяженности ж/д.
Из всех затрат на содержание железной дороги примерно 40% приходится на стыки, которые нужно постоянно обслуживать. Да, сегодняшние пути, конечно, не сравнить с теми, что были 100 и более лет назад. Но, тем не менее, отрицательное влияние рельсовых соединений окончательно устранить так и не удалось. Выход только один – создавать бесстыковой («бархатный») ж/д путь. Абсолютно избавиться от мест соединений, конечно же, не получится. А вот сократить их количество до минимума – вполне реально, что сегодня и делается.
История бесстыковых ж/д
Впервые идея такого соединения рельс пришла в голову российскому инженеру Стецевичу в 1896 году. Для компенсации сил растяжения и сжимания он предлагал делать пути волнообразными (искривленными). В 1907 году немец Отто Гронау разработал технологию сварки рельсов в единый длинный хлыст. Метод стали использовать во многих странах, но дальнейшему развитию бесстыковых путей помешала Первая мировая война.
Классический стык способствует деформации рельса и создает нагрузку на поезд. Фото: youtube.comК началу 1930-х большинство государств постепенно перешли на укладку длинных рельсов. Этому способствовал VII конгресс железных дорог, на котором подтвердили возможность использования изделий длиной до 60 м без каких-либо негативных последствий в плане температурного расширения и сжатия. Примерно к этому же времени появились специальные передвижные машины, способные сваривать рельсы непосредственно на ж/д полотне.
Обслуживание стыков – тяжелый труд. Фото: youtube.comВ СССР 1932 год на ж/д ознаменовался укладкой бесстыкового пути длиной 215-225 м на мостах через Волгу (г. Калязин) и Оку (г. Серпухов). В 1933-м на ст. Подмосковная впервые обустроили участок длиной 477 м. К 1966 году в стране уже было 5,5 тыс. км такой железной дороги. В 1982-м начали использовать плети длиной 850 м. Рельсы делали более тяжелыми, при сварке применяли вставки, сопротивляющиеся разрыву при усилии в 2,5 МН.
Как работает бесстыковой путь
Главная проблема – температурное расширение ж/д летом и сужение зимой. Оно происходит, но только на концах сваренного рельса. Эти участки называют уравнительными. Чтобы минимизировать действие температуры, двутавр крепят чаще: в середине соединений больше, чем на концах.
Плети длиной 850, используемые для бесстыковой ж/д, должны иметь аналогичный состав металла и выпущены на одном предприятии.
Однако, далеко не все так идеально: в сильную жару может произойти т. н. выброс, представляющий собой резкое искривление рельса по горизонтали. В суровый мороз сварной шов может разорваться. Поэтому длину бесстыкового пути ограничивают, чаще всего до 1700 м – по стандартной протяженности блок-участка. На практике между плетями (850 м) вставляют уравнительный пролет в 2-4 обычных рельса. Их стандартная длина – 12, 5 м.
Подтяжка крепежа с помощью машины-гайковерта. Фото: youtube.comЕсть и еще одна причина, по которой бесстыковой путь нельзя сделать «бесконечным». Это необходимость изоляции друг от друга рельсов, т. к. в них может возникнуть статическое напряжение. А ток, которым питаются локомотивы – переменный или постоянный. И «смешивать» его нельзя.
Как сваривают рельсы
Процедура довольно сложная, т. к. используется высокоуглеродистая сталь. Поэтому подобные работы проводятся только высококвалифицированными специалистами в составе компаний, имеющих разрешение на выполнение данной операции. Существует несколько методов соединения плетей при помощи сварки.
Электроконтактный
Самый надежный метод, подразумевающий стыкование через предварительный нагрев и оплавление торцов рельса. Процедура проводится непрерывно или в импульсном режиме, когда шов периодически охлаждается и осаживается. Для проведения работ применяется специальная машина.
Работает машина ПРСМ для сваривания рельсов. Фото: youtube.comСпособ отличается высокой степень автоматизации и чаще всего используется при обустройстве магистральных путей. Прочность соединения, по сравнению с целым рельсом, составляет от 90 до 110%.
Газопрессовый
Предварительная подготовка заключается в механической резке торцов для обеспечения плотного прилегания. Также рельс обрабатывают дихлорэтаном. Затем оба конца зажимают гидропрессом, нагревают до 1200°С и сдавливают торцы, приближая их друг к другу. Данный метод популярен в США: он обеспечивает 90-100% прочности.
Электрическая дуговая сварка
Соединение осуществляется путем заполнения зазора шириной 14-16 мм расплавленным электродом. Его помещают между торцами и пропускают ток.
Сваривание при помощи электродов
Такой способ практикуют для соединения путей на станциях. Качество работы зависит от электрода, достигаемая прочность соединения – 55-70%, по сравнению с цельнометаллическим изделием.
Термитное сваривание
Химическая суть заключается в восстановлении железа из его оксида в «соседстве» с алюминием. В ходе реакции выделяется много тепла, которое и разогревает концы рельсов. Технология специально создана для соединения необработанных торцов. Причем, они могут быть изготовлены из разных марок стали. Необходимы подготовительные работы: зачистка, установка форм, в которые помещают (и где потом поджигают) термит. Для этого применяют факел. Когда процесс начинается, материал расплавляется и затекает в шов.
Термитная сварка: видны факелы. Фото: youtube.comВсе происходит в течение 15-20 минут. Затем место стыка шлифуют. Технология отличается простотой и оперативностью: не нужны громоздкие машины, рельсосварочные поезда, источники энергии. Все делается вручную, профессионалами. Общее время стыкования – не более часа. Прочность, по сравнению с предыдущим методом соединения, выше – от 65 до 70%.
Обслуживание бесстыковых путей
Как говорилось ранее, здесь основная забота железнодорожников – температурный контроль, усиливающийся летом и зимой. Для этого применяют переносные термометры. В жару измеряют положение рельса на длине от 8 до 15 м.
Измерение температуры рельсового пути. Фото: youtube.comПри отклонении более 10 мм на 10 м пути, опасный участок необходимо оградить сигналами установки и предпринять меры по разрядке температурного напряжения. Работы проводятся на ближайшем уравнительном пролете. Если оперативно сделать это не удается, кусок рельса вырезают и заменяют на другой.
Вырезание деформированного куска рельса. Фото: youtube.comВ морозы при сжатии металла проверяют сварные швы: если надо, на концах плетей подтягивают крепеж. При необходимости на уравнительных участках заменяют отрезки рельсов на удлиненные.
Выводы
Несмотря на некоторые трудности в обслуживании, содержать в порядке бесстыковой путь проще и дешевле, чем классический. К тому, же, стоит учитывать преимущества «сплошных» рельсов:
✅ плавное передвижение пассажирских поездов: меньше шума, тряски
✅ увеличенный срок службы, как рельсов, так и вагонов, локомотивов
✅ меньшие затраты на ремонт и обслуживание путей
✅ экономия металла при обустройстве ж/д
✅ сопротивление колесам поезда падает: его скорость возрастает
✅ повышение безопасности: вероятность схода состава с рельс снижается
Из минусов стоит выделить сравнительную сложность ремонта поврежденного участка пути. А также необходимость обустройства толстого (не менее 45 см) балластного слоя. Причем, он может проседать, за чем необходимо следить. Тем не менее, длина бесстыковых путей в РФ постепенно увеличивается: по данным за 2003 год, они составляли 40% от общей протяженности ж/д.
- Сергей Милешкин
- youtube.com, VK Видео
Рекомендуем для вас
Турбина крутится быстро, а винт медленно. Зачем самолёту редуктор
Большой воздушный винт и компактная турбина работают в одном двигателе, но вращаются с разной частотой. Между ними стоит понижающий редуктор. Снаружи этот узел...
«Кировец» поворачивает всем корпусом. Что даёт подвижная рама
У большого «Кировца» на повороте меняется сам силуэт. Передняя половина машины смотрит в одну сторону, задняя ещё идёт под углом к ней. Колёса при этом не...
ЯМЗ работает и на дороге, и на рельсах. Что скрывает индекс двигателя
Грузовик едет по дороге, комбайн подолгу работает в поле, мотовоз передвигает железнодорожную технику. В их описаниях можно встретить двигатели одного...
Провода над карьером: как самосвал получает больше тяги на подъёме
На подъёме самосвал поднимает токоприёмник к контактной линии над дорогой. На первый взгляд он становится огромным троллейбусом с камнями вместо пассажиров. Но...
Ледоколу нужен реактор. Что Россия выигрывает от атомного флота
В тяжёлом льду кораблю нужна большая мощность, а ближайшая удобная заправка может находиться очень далеко. Атомная энергетика позволяет ледоколу долго работать...
Что крутит винт вертолёта, если двигатель остановился
У вертолёта сразу видно, за что отвечает двигатель: он вращает винт над кабиной. Поэтому остановку мотора легко представить как остановку самого винта. Однако...
Вертолёт висит на месте. Зачем в этот момент работает хвостовой винт
Ми-8 может висеть над выбранной точкой, пока его нос остаётся направлен в одну сторону. Большой винт над кабиной удерживает машину в воздухе. Маленький винт на...
Зачем гоночному мотору бак для масла, если под ним уже есть поддон
Мотор может остаться без нормальной подачи масла посреди длинного поворота, хотя на стоянке уровень был в порядке. В обычном двигателе запас масла находится в...
Он свешивается к асфальту. Зачем гоночной коляске такой пассажир?
Пассажир смещается над платформой коляски и переносит вес к её колесу. С обочины кажется, что он вот-вот выпадет: корпус уже сбоку от машины, шлем низко над...
У ПД-8 намеренно разрушили лопатку. Что проверяли на стенде
Новый авиадвигатель обычно берегут. Его долго собирают, измеряют, проверяют, и даже маленькая царапина на важной детали никого не радует. Тем интереснее опыт,...
Грузовик спускает шины на ходу. Куда уходит воздух и что это даёт
На асфальте водитель следит, чтобы колесо не стало мягким. На рыхлой дороге тяжёлому вездеходу иногда специально снижают давление. Если машина оборудована...
Катер едет по льду. Что удерживает воздух под его юбкой
У судна на воздушной подушке между жёстким корпусом и поверхностью видна тёмная гибкая юбка. На воде она проходит возле волны, на льду касается неровностей....
Каток уже тяжёлый. Зачем заставлять его барабаны вибрировать
Большой дорожный каток ползёт по свежему асфальту. Его вес кажется достаточным объяснением всей работы: прижал смесь, прокатился, поехал обратно. Однако внутри...