Верхнее строение

Верхнее строение

ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ пути имеет своим назначением принимать на себя воздействия подвижного состава и передавать их вниз - на земляное полотно и искусственные сооружения (мосты, эстакады и т. п.).

I. Верхнее строение железнодорожного пути.

Верхнее строение железнодорожного пути состоит из: 1) балласта, 2) шпал и 3) рельсов со скреплениями. Рассматриваемые вместе, земляное полотно и искусственные сооружения, в противоположность верхнему строению, носят общее название нижнего строения пути.

1. Балласт. О его значении как составной части верхнего строения и о его классификации см. Балласт железнодорожный.

2. Шпалы. Давление колес подвижного состава на рельсы не может достаточно надежно восприниматься непосредственно балластом, а потому все попытки создать тип верхнего строения без промежуточного элемента между рельсами и балластом не увенчались успехом. В качестве такого передаточного элемента прежде применялись отдельные под каждым рельсом опоры (каменные или металлические), затем продольные лежни (деревянные) и, наконец, общие под оба рельса поперечины. Практика железнодорожного дела показала, что последний тип верхнего строения по сравнению с другими имеет неоспоримые преимущества, главнейшие из которых следующие. При устройстве колеи на отдельных опорах и на лежнях поддержание рельсовых ниток в требуемом положении как по высоте, так и по расстоянию между ними более затруднительно; создаются также затруднения при столь часто встречающейся на практике нужде в поперечных перемещениях (сдвижках) колеи. При укладке пути на продольных лежнях балласт под последними вследствие подбивок и переработки настолько измельчается и уплотняется, что становится в короткий срок непроницаемым для воды, которая задерживается в середине колеи и затрудняет поддержание ее в исправности. Колея, устроенная на шпалах, лишена указанных недостатков, почему в настоящее время шпалы почти исключительно и применяются на железных дорогах. Назначение шпал в верхнем строении: 1) принимать на себя давления от рельсов, 2) передавать эти давления балластному слою и 3) служить для рельсов колеи железнодорожного пути прочной взаимной связью и удобным местом прикрепления их.

А. Материал и размеры шпал. В практике железных дорог известно применение шпал деревянных, металлических, железобетонных и составных из железа и дерева, причем в подавляющей степени преобладают деревянные шпалы. В частности, на дорогах сети СССР применяются исключительно деревянные шпалы, шпалы же прочих родов укладывают лишь на опытных участках в целях определения их технические и экономические ценности. На наших магистральных железных дорогах нормального типа (с колеей в 1524 мм) длина шпал для главных путей установлена в 2,70 м. На магистралях облегченного типа, подъездных, а равно и станционных путях нормальная длина шпал - 2,50 м. Отступления от установленной длины допускаются в каждую сторону не более 0,05 м, причем число укороченных шпал не должно превышать 5% от общего количества укладываемых шпал. Деревянные шпалы допускаются у нас дубовые, сосновые, лиственничные, буковые, кедровые, пихтовые и еловые, причем на главных путях магистральных железных дорог пихтовые и еловые шпалы - в количестве не более 10% от числа всех лежащих на указанных путях шпал. Нормальные типы шпал для дорог различных категорий и путей разного назначения, а равно расчетные данные элементов поперечных сечений этих шпал, соответствующие минимальным значениям W и I, указаны в табл. 1 и 2 и на фиг. 1 (размеры на фиг. даны в мм).

Размеры нормальных шпал на железных дорогах СССР

Расчетные размеры элементов поперечных сечений шпал

Нормальные типы шпал для дорог различных категорий и путей разного назначения

Металлические поперечины наибольшее распространение получили на дорогах Германии и Швейцарии. Однако и там деревянные шпалы все время успешно с ними конкурируют, а за последние годы даже получают явное предпочтение. Сечения наиболее употребительных типов металлических поперечин, длиной в 2700 мм приведены на фиг. 2.

Сечения наиболее употребительных типов металлических поперечин

Тип А применяется как на стыках, так и в промежутках между стыками; тип Б - только как промежуточные; тип В - только как стыковые. Железобетонные шпалы получили наибольшее распространение на итальянских железных дорогах. Для прикрепления рельсов в тело шпалы закладывают дюбели из дерева крепких пород. За последнее время известно также применение асбестоновых шпал системы Волле, в которых для прикрепления рельсов, вместо деревянных дюбелей, делают опорные рельсовые площадки из асбестона (цементный раствор, смешанный с асбестом), допускающего ввертывание шурупов. На фиг. 3 представлена составная железо-деревянная шпала системы Мишель.

Составная железо-деревянная шпала системы Мишель

Она состоит из двух швеллеров, между которыми по концам зажаты болтами деревянные бруски, служащие для прикрепления рельсов и для передачи давлений от них балласту. Кроме болтов, взаимная связь между швеллерами поддерживается при помощи хомутов из полосового железа, скрепляющих вверху и внизу горизонтальные полки швеллеров.

Б. Сравнительная оценка различных родов шпал. Общий характер составных шпал еще не вполне определился в виду сравнительно малого распространения их на железных дорогах. Наиболее значительное применение они нашли пока лишь на дорогах второстепенного значения во Франции. Железобетонные шпалы изучены значительно полнее, и отзывы о них в различных странах установились более или менее определенные. Высокая заготовительная стоимость железобетонных шпал могла бы экономически оправдаться лишь при соответственно большом сроке службы их. Между тем практика показывает, что повреждения этого рода шпал, в виде волосных трещин и отколов наружных поверхностей, доводящие их до негодности, начинаются вскоре после укладки в путь. Ценность же вынутых с пути за негодностью железобетонных шпал ничтожна. Поэтому экономически применение железобетонных шпал может иметь место лишь в странах, где металлические или деревянные шпалы обходятся еще дороже. С технической стороны железобетонные шпалы в нормальных условиях никаких преимуществ не имеют, представляя своей большой тяжестью неудобства для работ. На последних железнодорожных международных конгрессах - в Риме в 1920 году и в Лондоне в 1925 году - общее заключение о целесообразности применения железобетонных шпал на железных дорогах было отрицательное. Что касается сравнения металлических и деревянных шпал, то не подлежит сомнению, что как первые, так и вторые дают полную техническую возможность к устройству такого верхнего строения, которое вполне отвечает наиболее высоким современным требованиям движения. К недостаткам металлических шпал нужно отнести: 1) невозможность применять их на балластах плохого качества (песчаных) и на угольных шлаках; в противоположность деревянным шпалам железные требуют обязательного применения щебеночного или гравелистого балласта из камня твердых, не выветривающихся пород, не оказывающих к тому же химического влияния на железо; 2) невозможность применять их на пучинах; 3) вследствие сильного ржавления укладка их нецелесообразна в сырых тоннелях; 4) укладка их невозможна на участках, где в целях сигнализации применяются в рельсовых нитках колеи электрические токи; 5) путь на металлических шпалах получается более жесткий, чем на деревянных, что вредно отражается как на состоянии колеи, так и на подвижном составе. Техническими преимуществами металлических шпал являются: 1) способность в большей мере обеспечивать ширину колеи и противодействовать боковым ее смещениям под влиянием движения поездов; благодаря этому некоторые заграничные дороги, совершенно не применяющие металлических поперечин на перегонах, укладывают их на стрелочных переводах, где боковые воздействия подвижного состава сказываются наиболее сильно; 2) при разборке верхнего строения в целях перекладки его, в металлических шпалах не страдают дыры, служащие для прикрепления рельсов, т. к. устройство их одинаково для прямых и кривых частей пути; в деревянных шпалах такие повреждения дыр являются неизбежными. В общем техническая оценка склоняется в пользу деревянных шпал, и вопрос о применении того или другого рода шпал практически разрешается исходя гл. обр. из экономических соображений. Для СССР, изобилующего лесными богатствами, единственно рациональными д. б. признаны деревянные шпалы.

В. Распределение шпал под рельсовым звеном. Шпалы под рельсовым звеном располагают не на равных расстояниях по длине рельса, а несколько сближают подле стыков для того, чтобы неизбежно получающиеся на стыках удары колес подвижного состава встречали здесь большую опору на сближенных шпалах, чем в середине звена, где поезд оказывает меньшее воздействие на верхнее строение.

Эпюра расположения шпал

При принятых у нас длинах рельсов эпюры распределения шпал на звене, при различных количествах их, установлены согласно табл. 3.

Распределение шпал под рельсами разных длин

Применение большего или меньшего числа шпал на звене зависит от тех условий движения, которым данное верхнее строение должно соответствовать. Несомненно, что увеличение числа шпал на звене является одной из мер по усилению верхнего строения, но сближение шпал имеет свои пределы, обусловленные удобством подбивки их: при ручной подбивке просвет между шпалами должен быть не менее 300 мм, что дает минимальное расстояние между осями шпал около 500—550 мм.

Г. Срок службы деревянных шпал и меры по удлинению его. Деревянные шпалы в непропитанном состоянии имеют сравнительно короткий срок службы: подвергаясь переменному влиянию сырости, они быстро загнивают и приходят в негодность. Средними сроками службы непропитанных шпал в СССР считаются:

Средними сроками службы непропитанных шпал в СССР считаются

Пропитка увеличивает срок службы шпал (сосновых - до 12 лет, а буковых - даже до 15—17 лет). Поэтому пропитка шпал уже давно признана железными дорогами как обязательная мера; благодаря этому деревянные шпалы получили возможность успешно конкурировать с металлическими и железобетонными. Наиболее распространенными антисептиками у нас служат хлористый цинк и креозот. Но шпалы приходят в негодность также в результате механического износа, который резче всего сказывается в разработке костыльных и шурупных дыр, во вдавливании подошвы рельсов (на пути без подкладок) или подкладок в верхнюю постель шпал и, наконец, в продольном раскалывании шпал по костыльным дырам. Характер и размер этого износа зависят от типа верхнего строения: износ верхней постели шпал получается по размерам тем меньше, а по характеру тем благоприятнее, чем на большей площади применяются подкладки и чем совершеннее осуществлено прикрепление рельса к шпале.

Пропитывающие составы (антисептики) обычно проникают в дерево неглубоко - лишь в поверхностные слои; всякое же глубокое повреждение шпал открывает доступ влаге в непропитанные слои древесины, после чего износ шпал становится особенно усиленным. Для обеспечения шпалам возможно долгого срока службы нужны меры против наружных их повреждений при работах. Подрубка шпал при зимнем ремонте не должна допускаться. Зарубку шпал для подуклонки должно производить по преимуществу на механических станках перед пропиткой. Для устранения порчи шпал от растрескивания следует принимать меры по отношению не только шпал, уже треснувших, но и шпал, обнаруживших стремление к растрескиванию. Для предупреждения образования трещин в шпалах рекомендуется их торцы заливать известковым молоком или забеливать мелом, загрунтовывать каким-либо масляным антисептиком или смазывать смесью глины с известью, наконец, забивать в торцы железные скобы. Против смятия верхних постелей и разработки костыльных дыр на магистральных линиях и главных путях необходимо укладывать подкладки на всех шпалах. При этом разрешается в прямых частях пути, вместо железных, укладывать на промежуточных шпалах деревянные пропитанные подкладки (карточки) из твердых пород леса, толщиной в 6 мм и шириной не более подошвы рельса. Против износа рельсовых гнезд применяют специальные втулки (дюбели) из дерева твердых пород, вставляемые в новые шпалы ранее укладки их в путь. На фиг. 4 показаны образцы таких втулок для костыльного и шурупного прикреплений.

Образцы втулок для костыльного и шурупного прикреплений

Полезное действие этих втулок состоит в том, что твердое дерево (дуб, бук и другие) держит костыли или шурупы гораздо крепче и тем самым предохраняет дыры от износа, давление же от самих втулок на более мягкое дерево шпал, передаваясь по гораздо большей площади, становится уже для них безопасным.

3. Рельсы и скрепления. Назначение рельсов в верхнем строении - принимать на себя давления от колес подвижного состава и передавать эти давления шпалам. Скрепления должны: 1) прочно связывать отдельные рельсы в непрерывные рельсовые нитки любой длины (накладки, болты, пружинящие шайбы) и 2) надежно соединять рельсовые нитки со шпалами (костыли, шурупы, подкладки).

А. Поперечное сечение рельсов. На железных дорогах широко применяются рельсы двух резко различающихся форм: 1) двуголовые (Стефенсона) и 2) широкоподошвенные (Виньоля). Двуголовые рельсы являются господствующим типом на английских дорогах и частично применяются во Франции, Австрии и Германии. Виньолевский тип рельса применяется на всех дорогах СССР, Америки и на большинстве дорог Западной Европы.

Виньолевский рельс допускает более простое и дешевое прикрепление непосредственно к поперечинам

Существенная разница указанных типов рельсов в том, что виньолевский рельс допускает более простое и дешевое прикрепление непосредственно к поперечинам, как это видно из фиг. 5, между тем как прикрепление двуголового рельса требует обязательно применения специального, сравнительно дорого стоящего стула, представленного на фиг. 6.

Прикрепление двуголового рельса требует обязательно применения специального, сравнительно дорого стоящего стула

С другой стороны, верхнее строение на двуголовом рельсе является более прочным в отношении поперечных сил, действующих на колею. Что касается самих рельсов, то обе формы, при одной и той же затрате материала, дают приблизительно равноценные по сопротивлению рельсы. Необходимо отметить, что первоначальная идея Стефенсона - перекладывать в опорном стуле двуголовый рельс, после износа одной его головки, вверх другой головкой для получения ровной поверхности катания - на практике не оправдалась: за время работы рельса, одновременно с износом рабочей головки, изнашиваются также места на нижней головке, которыми он опирается на стулья, и настолько, что нижняя сторона становится непригодной для езды по ней. Поэтому в последнее время отказались от прокатки вполне симметричных профилей двуголовых рельсов и придают нижней головке меньшую высоту, чем верхней - рабочей головке. Во всяком случае верхнее строение с двуголовым рельсом не представляет, по данным многократно производившихся в Европе специальных сравнительных опытов, таких преимуществ, которые могли бы побудить страны, применяющие рельс Виньоля, отказаться от него.

Поперечные сечения нормальных типов рельсов

На фиг. 7 указаны поперечные сечения нормальных типов рельсов, Iа, IIа, IIIа и IVa, применяемых на наших дорогах (размеры - в мм), а в табл. 4 рельсов, вес их и распределение по разрядам дорог.

Основные размеры и вес нормальных типов рельсов

Приведенные в этой таблице отношения к весу погонного метра рельса момента инерции поперечного сечения I/q и момента сопротивления W/qносят название показателей выгодности профиля рельса. Если при проектировании профиля рельса учтены все основные конструктивные соображения, касающиеся взаимодействий между колесами подвижного состава и путем, то показатели определяют степень рациональности размещения материала по отдельным элементам сечения - головке, шейке и подошве. Необходимо оговориться, что по сравнению с заграничными дорогами, особенно американскими, вес установленных у нас нормальных типов рельсов сильно отстает. В Америке применяют рельсы весом до 70 кг на погонный метр, что объясняется более значительными нагрузками подвижного состава. Что касается точности выполнения при прокатке заданного чертежом профиля рельса, то на этот счет у нас установлены следующие допуски:

Допуски рельса

Фактический вес рельсов должен отличаться от расчетного, определенного по точной площади сечения рельса при удельном весе стали 7,83, не свыше чем на 1% в сторону недовеса. Перевес допускается в любом размере, если рельсы вполне удовлетворяют всем прочим условиям приемки.

Б. Длина рельсов. Так как стыки рельсов в пути представляют во всех отношениях явление отрицательное, то в целях уменьшения числа их железные дороги применяют рельсы все большей длины. По мере удлинения рельсов уменьшается потребность в накладках и болтах, а вместе с тем верхнее строение приобретает большую сопротивляемость действующим на него силам подвижного состава, так как каждое отдельное звено лучше сопротивляется ударам и сдвигам. Нормальные длины рельсов, установленные для наших дорог: 15, 12,5 и 10 м. При установлении длины рельсов необходимо считаться с наибольшей величиной стыковых зазоров. Если обозначить через I длину рельса в м, через t1, t2 и t температуры рельса - максимальную, минимальную и при работах по укладке рельсов, через δ1 и δ - наибольший стыковой зазор и необходимый зазор при укладке пути в мм, то будем иметь:

verkh stroenie 15

Если далее принять, что наибольшая амплитуда колебания температуры (t1—t2) составляет 85°, то δ1 в мм будет = длине рельса в м. Необходимо, однако, учесть еще, что стыковой зазор при укладке пути требуется не только для свободного удлинения рельсов при повышении температуры, но и для выравнивания перекосов в стыках, получающихся в колее на закруглениях вследствие применения на внутренней нитке укороченных рельсов. Необходимый запас в зазоре для указанной цели составляет около 5 мм. Т. о. наибольший зазор при 15-м рельсах может достигнуть величины δ1 + 5 = 15 + 5 = 20 мм. Допущение в колее зазоров свыше 20 мм во всяком случае нежелательно в виду тех расстройств, которые вызывают удары колес на таких стыках как в пути, так и в подвижном составе. Поэтому применение рельсов длиной свыше 15 м встречает в указанном отношении препятствие, так как при недостаточной величине стыковых зазоров вследствие удлинений рельсов от нагревания могут возникнуть, в колее усилия, способные вызвать внезапное искривление пути в плане, опасное для движения поездов. Укороченные рельсы для укладки на внутренней нитке кривых изготовляются у нас двух сортов: 1) с укорочением на 40 мм и 2) с укорочением на 80 мм. Первые применяются на пологих кривых, вторые - на более крутых. Однако в вопросе о необходимости устанавливать величину стыковых зазоров, вполне достаточную для свободного удлинения рельсов при нагревании их, в последнее время среди железнодорожников нет прежнего единодушия. Устанавливается, наоборот, мнение, что при отсутствии продольного угона в колее появление в рельсах некоторых сжимающих усилий вследствие температурных удлинений м. б. допущено безопасно для пути, если только тип верхнего строения соответственно приспособлен к поглощению этих усилий. Такой взгляд находит подтверждение в производящихся за последнее время в разных странах опытах укладки специальной длины звеньев (до 30 м) без соответственного увеличения стыковых зазоров и в сварке стыков на протяжении свыше 100 м.

В. Прикрепление рельсов к шпалам. Непосредственное прикрепление рельса к шпале, показанное на фиг. 5, на магистральных линиях в стоящее время не допускается. По действующим на наших дорогах правилам, рельсы на главных и пассажирских путях должны укладываться по сплошным подкладкам на всех поперечинах. На фиг. 8 представлена подкладка для рельсов типа Iа; подкладки для других нормальных типов рельсов (IIа, IIIа и IVа) отличаются только размерами длины и высоты.

Подкладка для рельсов типа Iа

Полезное значение подкладки в верхнем строении заключается в том, что: 1) давление от рельса передается на верхнюю постель шпалы по значительно большей площади, чем непосредственно от подошвы рельса; 2) для придания подуклонки рельсу не требуется зарубать шпалу; 3) поперечные давления подвижного состава на рельс воспринимаются сразу всеми тремя костылями, причем опрокидыванию рельса наружу колеи противодействуют на каждой шпале два внутренних костыля. Костыль для рельсов нормальных типов представлен на фиг. 9.

Костыль для рельсов нормальных типов

Отрицательной стороной нашей конструкции прикрепления рельсов является то, что костыли в одно и то же время должны выполнять работу как по соединению подкладки со шпалой, так и по соединению рельса с подкладкой. Практика показывает, что такого рода работа непосильна костылям, почему они сравнительно быстро расшатываются и разрабатывают свои гнезда в шпалах. Верхнее строение сильно выигрывает в устойчивости и долговечности составных частей, когда в его конструкции соединение подкладок со шпалами и рельса с подкладками обособлено и выполняется различными элементами. Отчасти указанный принцип обособления проведен в подкладке, представленной на фиг. 10.

Подкладка рельса

Прикрепление рельса к подкладке достигается здесь с наружной стороны подошвы при помощи лапы, а с внутренней стороны - при помощи прижимной пластинки и шурупа. Подкладка скреплена со шпалой при помощи двух особых шурупов снаружи колеи, а внутри держится на том же рельсовом шурупе. Полностью обособление скреплений рельсов, подкладок и шпал проведено в конструкции нидерландских дорог, где подкладка прикрепляется к шпале четырьмя шурупами; независимо от них рельс прижимается к подкладке при помощи пластинок двумя закладными болтами с пружинящими кольцами.

Г. Рельсовый стык. На железных дорогах рельсовые стыки применяются трех различных типов (см. фиг. 11):

Рельсовые стыки

1) стык на шпале (А - на одной шпале, Б - на двух связанных шпалах), 2) стык на весу (В - на одиночной шпале, Г - на двойной шпале, Д - на двух сближенных шпалах) и 3) стык американский, или трехшпальный (Е). Первоначально на заграничных, а равно и на наших дорогах, применялся исключительно стык на шпале. В дальнейшем (около 1880 г.) дороги резко перешли к устройству стыков на весу, признав за ними преимущества более плавного прохода подвижного состава и лучшей сохранности рельсов. В последнее время многие дороги опять возвращаются к стыку на шпале с концами рельсов на весу, стараясь совместить в нем выгодные стороны 1 и 2 типов. По роду примыкания концов смежных рельсов стыки называются: а) тупыми, если концы рельсов обрезаны нормально к продольной оси их; б) косыми, если концы рельсов обрезаны под углом в 45°, в) внахлестку, если рельсы соединены между собой по продольным плоскостям для устранения сквозного поперечного прозора, г) лапчатыми, если соединение происходит по кривым поверхностям. Наиболее распространенным на железных дорогах родом стыка является тупой. На наших дорогах применяются исключительно тупые стыки. Наконец, по системе своей, различаются стыки обыкновенные, имеющие отдельные подкладки на каждой шпале, и мостовые, с одной общей подкладкой на двух шпалах. На фиг. 12 представлен наш стык из рельсов нормальных типов.

Стык из рельсов нормальных типов

По типу - это обыкновенный тупой стык на весу, с фартучными накладками. Передача усилий, возникающих под действием колес подвижного состава на одной стороне стыка, на другую сторону происходит через накладки. Последние, будучи стянуты болтами, работают как тупые клинья, упираясь своими скошенными плоскостями (губами) в соответствующие плоскости рельса под головкой и над подошвой. Для того, чтобы усилия передавались от рельса накладкам без ударов (упруго), под гайки болтов ставятся пружинящие кольца. По мере износа болты необходимо периодически подтягивать, однако не чрезмерно, чтобы не утратилась возможность перемещений рельса между накладками, вызываемых температурными изменениями. Вследствие износа соприкасающихся плоскостей между накладками и рельсом будут постепенно уменьшаться прозоры, находящиеся между шейкой и внутренними вертикальными гранями накладок. С полным исчезновением этих прозоров полезное действие накладок прекращается, и стык начинает быстро расстраиваться. Стык на весу внахлестку представлен на фиг. 13 (размеры - в мм).

Стык на весу внахлестку

Являясь наиболее сложным и ответственным элементом верхнего строения, рельсовый стык естественно служит предметом особенно настойчивых исканий со стороны железнодорожных техников. Именно этим и объясняется большое разнообразие применяемых на дорогах типов и систем стыков и частая замена их новыми, а иногда и возврат к старым, в прошлом уже отвергнутым. Необходимо признать, что и до сих пор стык является в колее наиболее слабым местом, с которого начинается расстройство верхнего строения. Наряду с экономическими соображениями обстоятельство это заставляет стремиться к возможному уменьшению числа стыков путем увеличения длины звеньев и даже к совершенному устранению стыков путем сварки рельсов.

Д. Противоугонные приспособления. Под действием поездов в колее появляются продольные горизонтальные усилия, вызывающие сдвиги рельсов вдоль пути. Усилия эти сказываются особенно резко на крутых уклонах и угоняют рельсы вниз по скату. На двупутных линиях с направлением движения в одну лишь сторону явления угона сказываются резче, чем на однопутных линиях со встречным движением. Величина угона рельсов при одинаковых условиях профиля и движения зависит от конструкции верхнего строения. По существу, нужно различать угон одних лишь рельсов по шпалам и угон всего верхнего строения, т. е. рельсов, шпал и балласта. В действительности оба вида угонов наблюдаются всего чаще одновременно. При угоне рельсов исправность пути нарушается: утрачивается нормальное расположение шпал на звене, перекошенные шпалы, особенно стыковые, вызывают сужение колеи, зазоры стыков в одних местах пути исчезают, в других, наоборот, чрезмерно растягиваются. Благодаря указанным явлениям в местах угона путь периодически приходится исправлять: перегонять колею в обратную сторону, ставить стыки по наугольнику, равнять зазоры, перегонять и подбивать шпалы. Работа эта дорогая, а к тому же очень вредно отзывающаяся на сохранности элементов верхнего строения. Лучшим средством против угона шпал является применение щебеночного балласта, представляющего весьма сильное сопротивление сдвигу колеи. Однако и при балласте высокого качества конструкция верхнего строения может допускать угон рельсов. Для противодействия угону применяются специальные приспособления, связывающие прочно рельсы со шпалами и передающие последним перегоняющие усилия от первых. В зависимости от величины угоняющих усилий такую связь устанавливают на большем или меньшем числе шпал на звене т. о., чтобы шпалы противодействовали угону солидарно. Наиболее целесообразно ставить такие приспособления на средних на звене шпалах, чтобы температурные изменения длины рельсов могли происходить по возможности без влияния на положение скрепленных с рельсами шпал. Из применяющихся на наших дорогах противоугонных приспособлений наиболее широкое распространение получили угловые полунакладки на промежуточных шпалах, прикрепляемые с внутренней стороны колеи двумя болтами к шейке рельса и обхватывающие специально сделанными вырезами подкладки. Отрицательной стороной такого типа является, во-первых, передача угоняющих колею усилий на костыли или шурупы, прикрепляющие рельс и подкладку к шпале, и расшатывание вследствие этого шпальных гнезд, а во-вторых - ослабление рельсов дырами для болтов полунакладок. На заграничных дорогах известно применение многочисленных и разнообразных типов противоугонных приспособлений, одно из коих показано на фиг. 14; она представляет самозаклинивающееся приспособление Дорнмюллера, состоящее из металлического хомута, надеваемого на подошву рельса, и двух клиньев, загоняемых в прозоры между кромками подошвы и хомутом. Угоняющее усилие от клиньев передается непосредственно шпале, а потому рельсовое скрепление не подвергается расшатыванию.

Противоугонное приспособление

Верхнее строение новейшей конструкции. На фиг. 15 представлена деталь нового типа верхнего строения германской железной дороги под маркой «Reichsoberbau К», а именно - прикрепление рельса к промежуточным шпалам для частей пути, имеющих нормальную ширину колеи, т. е. угадываемых без уширения.

Деталь нового типа верхнего строения германской железной дороги под маркой «Reichsoberbau К»

Подошва рельса зажата по всей ширине подкладки между двумя продольными ребрами последней; боковые толчки рельса непосредственно передаются кромками подошвы исключительно внутренним граням указанных ребер. Между подошвой рельса и подкладкой помещается прессованная деревянная или джутовая карточка, имеющая назначение предотвратить износ подошвы рельса о подкладку и увеличить между ними трение, чтобы парализовать продольные движения рельса. К подкладке рельс прижимается двумя стальными пластинками размером 75 х 70 мм, обхватывающими ребра подкладки, при помощи закладных болтов. Головка этого болта заводится снаружи в отфрезерованные по соответствующему профилю отверстия в ребрах подкладки. Между прижимной пластинкой и гайкой болта помещается пружинящее двойное кольцо, чтобы опрокидывающие моменты рельса передавались на болт упруго. Подкладка имеет размеры 345 x 160 мм и прикрепляется к шпале четырьмя шурупами. Принцип обособления прикреплений рельса к подкладке и последней к шпале проведен в данной конструкции полностью. При этом доступ воде под подкладку прегражден наилучшим образом. Указанный тип подкладок получил название «ребристых». На кривых, требующих уширения колеи, применяется второй тип ребристых подкладок, имеющий несколько большие размеры: 395 х 160 мм. Способ и вид прикреплений сохраняется тот же, что и в первом типе; разница лишь в расстоянии между внутренними гранями ребер подкладки. Это обстоятельство, в связи с большими размерами прижимных пластинок (90 x 93 мм), дает возможность регулировать положение рельса относительно ребер подкладки при помощи особых стальных вкладышей. Вкладыши эти вставляются между кромками подошвы рельса и внутренними гранями ребер подкладки. Закрепление вкладышей в продольном направлении достигается в одних случаях при помощи их верхних ушков, удерживаемых прижимными пластинками, в других случаях - при помощи их боковых утолщений, входящих в отфрезерованные отверстия для головок закладных болтов. Имеется всего лишь четыре номера вкладышей. Путем комбинаций вкладышей различных номеров на той и другой рельсовых нитках могут быть достигнуты девять различных ширин колеи: нормальная (для прямых участков пути) и восемь равномерно увеличивающихся, с одной и той же ступенью уширения в 2,5 мм. Т. о. нормальная ширина колеи м. б. получена как на подкладках первого типа, так и на подкладках второго типа. Это имеет большое практическое значение при укладке пути на переходных кривых. Как последнюю особенность верхнего строения марки К нужно отметить стык. На фиг. 16 показана конструкция стыка в кривых частях пути (размеры - в мм).

Конструкция стыка в кривых частях пути

Как видно, стык расположен на одной общей ребристой подкладке размером 420 x 395 мм. Подкладка эта прикрепляется восемью шурупами к сдвоенной при помощи трех металлических болтов шпале. Расстояние между внутренними гранями ребер подкладки составляет 154 мм. По ту и другую сторону стыка рельсы закрепляются теми же вкладышами и теми же прижимными пластинками, как на промежуточной подкладке второго типа. Накладки четырехдырные, плоского типа. Болты накладок снабжены пружинящими кольцами для упругой передачи вертикальных давлений на стык. Следует отметить, что, хотя стык и лежит на одной общей мостовой подкладке, однако в действительности он работает, как стык на весу. Это достигнуто устройством в середине подкладки выреза между ребрами на длину 120 мм. Благодаря этому конец каждого рельса на длине 60 мм оказывается не подпертым подкладкой. Для стыков, расположенных в частях пути, не требующих уширения колеи, имеется, наконец, четвертый тип ребристой подкладки. Конструкция стыка в последнем случае вполне аналогична стыку на кривых, отсутствуют лишь вкладыши, и соответственно этому ширина между внутренними гранями ребер равна 127 мм. Размер этой подкладки 420 x 345 мм.

Описанный тип верхнего строения запроектирован для рельса весом 48,89 кг/п. м. Нормальная длина звеньев установлена трех размеров: в 15 м - при 22 промежуточных шпалах, в 12 м - при 17 шпалах и в 18 м - при 27 шпалах. Балласт должен применяться исключительно щебеночный, чтобы не могло появиться угона шпал. Шпалы должны укладываться исключительно пропитанные.

Немецкая литература отмечает следующие преимущества верхнего строения марки К. 1) Ни один из ранее применявшихся типов верхнего строения не может считаться вполне соответствующим ныне назревшей потребности пропускать поезда с нагрузками на ось до 25 тонн, со скоростями свыше 100 км/ч; тщательная разработка всех деталей конструкции марки К дает надежду, что ребристые подкладки успешно разрешат эту задачу. 2) Имеется возможность все дыры в шпалах (для шурупов подкладок и стяжных болтов на стыках) просверливать на шпалопропиточных заводах перед пропиткой, благодаря чему все отверстия м. б. пропитаны по всей глубине, что, разумеется, благотворно отразится на сроке службы шпал. 3) Работа по сдваиванию стыковых шпал и пришурупливанию всех ребристых подкладок м. б. централизована на тех же заводах и производиться механическим, а не ручным способом. Это удешевляет указанную работу и повышает ее точность и тщательность. Необходимо оговориться, что небрежное пришурупливание ребристых подкладок к шпалам является конструктивно совершенно недопустимым. 4) Шпалы на места работ могут рассылаться с заводов в совершенно готовом для укладки виде. Опасаться повреждений шурупов при погрузке и перевозке шпал не приходится, т. к. наружные ребра подкладок возвышаются над головками шурупов и предохраняют последние от ударов. 5) Укладка в путь полученных с завода шпал с пришурупленными уже подкладками крайне проста, почему может производиться безошибочно рабочими без особой квалификации. 6) Благодаря сильному придавливанию подошвы рельса ко всем подкладкам при помощи болтов и прижимных пластинок угон рельсов невозможен и без применения специальных противоугонных приспособлений. 7) Плотное прилегание на значительном протяжении кромок подошвы рельсов к ребрам подкладок делает путь на прямой как бы рамой весьма большой жесткости в поперечном направлении. Благодаря этому устраняется опасность внезапных боковых искривлений (выбросов) вследствие температурных напряжений при недостаточных зазорах в стыках. Германские дороги производят успешные опыты укладки рельсов длиной 30 м и сварки стыков на большом протяжении без увеличения нормальных стыковых зазоров. 8) Контроль за состоянием скреплений, благодаря полной видимости их сверху, очень удобен, а поддержание их в порядке просто и не требует квалифицированных рабочих. 9) Срок службы верхнего строения марки К на магистральных линиях оценивается, предположительно, в 24 года. При этом считают, что в указанный срок не потребуют капитального ремонта ни шпалы, ни рельсы, ни скрепления. Смена одиночных шпал на магистралях была бы в таком случае редким исключением, а не нормальным явлением, как ныне. Что касается экономической стороны вопроса о переходе на верхнее строение марки К, то приводятся следующие расчеты. Заготовительная стоимость материалов для верхнего строения марки К, по сравнению с типом на лапчатых подкладках, выше в среднем на 13,5%. Однако, если принять средний срок службы верхнего строения на лапчатых подкладках в 16 лет, как это показывает практика германских дорог, то меньшая стоимость укладки марки К вследствие возможности применения при ней механизации работ на заводах окупит этот перерасход за 2 года добавочной службы. Следовательно, если марка К сможет вместо 16 лет служить без капитального ремонта 18 лет, то она уже будет в состоянии экономически конкурировать с типом верхнего строения на лапчатых подкладках. Если же срок службы марки К принять в 24 года, как это ныне предполагают германские дороги, то ее применение, по сравнению с лапчатым типом, даст экономию около 28%.

С технической же стороны верхнее строение марки К, по-видимому, является наиболее совершенным и мощным среди типов, осуществленных практически до сего времени. Нет сомнения, что стабилизация пути, если она в полной мере достижима при помощи этого типа, даст большие выгоды в смысле снижения эксплуатационных расходов.

Расчет верхнего строения железнодорожного пути.

При выработке новых типов верхнего строения применительно к заданной схеме подвижного состава и скорости его движения, а также при решении вопросов о соответствии данного типа верхнего строения новым нагрузкам и условиям движения их, является необходимым определять прежде всего внешние силы и моменты, действующие на элементы верхнего строения: балласт, шпалы и рельсы; затем - напряжения в этих элементах. На основании таких расчетов устанавливаются как данные, подробно характеризующие соответствующий тип верхнего строения (профиль и вес рельса, размеры шпал и расстояния между ними, род балластного слоя), так и предельные скорости предположенных к обращению подвижных нагрузок. Ниже мы приводим вкратце установленные для наших дорог правила приближенного расчета верхнего строения, в виду большой сложности точных расчетов усилий, которым подвергаются элементы верхнего строения.

А. Определение внешних сил и моментов. Максимальное вертикальное давление Rz одного подвижного груза Р на элементы верхнего строения и максимальный момент Мz определяются по динамическим реакциям колес по методу сплошного упругого основания. Эти реакции берутся для паровозов из паспортных книжек, а для тендеров и вагонов - из веса их, увеличенного перегрузом от колебания рессор; этот перегруз равен произведению из степени жесткости рессор и полуамплитуды колебания, которая принимается равной 15 мм. Для определения величин Мz и Rz необходимо учесть относительную жесткость пути verkh stroenie 25 где Е – модуль упругости рельсов, принимаемый равным 2000000 кг/см2, I - момент инерции рельса в см4 с учетом степени износа около 6 мм, так что I= 0,83·I0, l - наибольшее расстояние между осями шпал в см, D - сила, погружающая в балласт полушпалу на 1 см и выражающая жесткость опор рельса. Эта сила равна verkh stroenie 26 где α - коэффициент, учитывающий влияние изгиба шпал и принимаемый при нормальной колее равным 0,90, а - длина шпалы, b- ширина нижней постели шпалы, а С - коэффициент балласта или коэффициент постели шпалы, характеризующий податливость шпальной постели под временной нагрузкой. На основании опытов над различными сортами балласта на земляном полотне разнообразных качеств установлены следующие численные значения коэффициента С:

С = 3 кг/см2 - при плохом балласте на посредственном полотне;
С = 4 кг/см2 - при хорошем балласте на посредственном полотне или при посредственном балласте на хорошем полотне;
С = 5 кг/см2 - при хорошем балласте на хорошем полотне.

Т. о. под действием одного груза Р изгибающий момент в рельсе Мz и вертикальное давление Rz, передаваемое на шпалу от рельса и дальше от рельса балласту, определяются по формулам:

verkh stroenie 27

Формулы эти применимы, когда рельс прижат к шпалам соседними с Р грузами. Если рельс при изгибе может подняться с опор, то Мzи Rz увеличиваются на 9%, т. е.

verkh stroenie 28

Когда на рельс кроме груза Р действуют еще смежные грузы Р1, Р2, …, то значения Мz и Rz будут:

verkh stroenie 29

где µ и η - коэффициенты влияния соседних с Р грузов Р1, Р2, ... Эти коэффициенты определяются из приведенной ниже таблицы 5 по вычисленной предварительно величине

verkh stroenie 30

где х (в см) - расстояние грузов Р1, Р2, ... от груза Р.

verkh stroenie 31

Для расчета элементов верхнего строения необходимо учесть неровности и выбоины в бандажах и рельсах, в виду чего Mz и Rz необходимо умножить на коэффициент m, зависящий от скорости движения груза. Величина этого коэффициента принимается: 1) для пассажирских паровозов -  за 1 при нулевой скорости, за 2 - при скорости 100 км/ч; 2) для товарных паровозов - за 1 при нулевой скорости, за 1,8 - при скорости 50 км/ч. Для скоростей от 0 до конструкционной значения коэффициента m определяются по закону прямой линии, т. е.

verkh stroenie 32

где v - скорость движущейся нагрузки в км/ч. Таким образом в конечном итоге при расчете элементов верхнего строения следует исходить из внешних усилий:

verkh stroenie 33

или, после подстановки значений Мz и Rz,

verkh stroenie 34

где

verkh stroenie 35

и

verkh stroenie 36

где

verkh stroenie 37

Б. Определение напряжений. 1) Напряжение в балласте определяется по формуле Винклера р = С·у. Эта формула предполагает, что упругий прогиб шпалы на балласте у всегда останется пропорциональным удельному давлению р в данной точке; С - коэффициент пропорциональности, который при у = 1 делается равным р. Наибольшее упругое погружение шпалы в балластный слой у определяется из выражения:

verkh stroenie 38

Определив прогиб шпалы у, получим напряжение в балласте из выражения:

verkh stroenie 39

По величине же напряжения р можно судить как о требуемом сорте балласта, так и о степени рациональности рассчитываемого типа верхнего строения в целом. Допускаемые напряжения для различных сортов балласта установлены:

verkh stroenie 40

2) Напряжения в рельсах определяются по формуле строительной механики:

Напряжения в рельсах

где W - момент сопротивления рельса, причем W берется также с учетом износа рельса в 6 мм, так что W = 0,87·W0. Допускаемые напряжения в рельсах при указанном способе расчета принимаются в 3000 кг/см2. Пользуясь формулой (4), можно по заданным значениям σ, Р, I, а и b определить предельную допустимую скорость движения системы грузов v км/ч, которая входит в выражение динамического коэффициента m.

3) Напряжения в шпалах должны определяться в сечениях под рельсом, где они вследствие изгиба имеют наибольшие значения. Изгибающий момент для сечения под рельсом определяется по следующей формуле Циммермана:

Формула Циммермана

Rmах получается из формулы (2), a verkh stroenie 43 где E' = 120000 кг/см2 - модуль упругости дерева, I' - момент инерции сечения шпалы, С - коэффициент постели и b - ширина нижней постели шпал; [µр] представляет функцию от λ и ϱ, определяемую по таблицам Циммермана, причем λ = a/2L, где а – длина шпал, a ϱ = r/L(r- половина расстояния между осями рельсов в пути). Определив по формуле (5) наибольший изгибающий момент, находят наибольшее напряжение в шпале:

verkh stroenie 44

где W' - момент сопротивления шпалы. Напряжение от изгиба в здоровых шпалах не должно превосходить 250 кг/см2.

II. Верхнее строение трамвайных путей.

По сравнению с ранее описанным верхним строением железных дорог верхнее строение трамвайных путей имеет свои характерные особенности, вызываемые: расположением трамвайных путей на замощенных городских проездах (т. н. закрытое верхнее строение), наличием добавочной нагрузки от движения городских экипажей и необходимостью осуществлять обратную проводку электрического тока по рельсовым ниткам. Указанные причины требуют при устройстве верхнего строения трамвайных путей принятия во внимание следующих положений: 1) верхнее строение должно соответствовать размерам движения, нагрузкам, скоростям и типу подвижного состава, которые приняты на данном трамвае; 2) верхнее строение должно соответствовать плану, профилю и типу замощения каждого данного уличного проезда, составляя с мостовой одно целое, так как разрушение верхнее строение влечет за собой расстройство замощения и наоборот; при этом необходимо принимать во внимание также подземные уличные сооружения (водостоки, водопровод, канализацию, газовую и кабельную сети); 3) экипажное движение по проездам не должно быть затруднено наличием трамвайных путей и не должно вызывать разрушения верхнего строения; 4) в виду того, что ремонт трамвайных путей связан с разборкой замощения и с нарушением уличного движения, верхнее строение должно быть устроено так, чтобы не требовалось производить частый ремонт его, а смена отдельных частей была, по возможности, облегчена и не требовала разборки всего устройства; 5) частые и разнообразные по величине и направлению нагрузки не должны расстраивать соединений отдельных частей и вызывать перемещений рельсов и расстройства замощения; 6) верхнее строение должно иметь необходимые устройства для отвода воды как с поверхности путей, так и от основания; 7) очистка путей от снега, льда, уличного мусора и пр. не д. б. затруднена особенностями конструкции верхнего строения, при этом состояние поверхности рельсов не должно препятствовать прохождению обратного электрического тока в местах контакта с ними колес вагона; 8) обеспечивая надлежащую проводку электрического тока, верхнее строение не должно содействовать образованию блуждающих токов и появлению связанного с ними электролиза, разрушающего металлические подземные сооружения (трубы и кабели). Все эти условия, с одной стороны, значительно усложняют конструкцию верхнего строения трамвайных путей по сравнению с открытым железнодорожным верхним строением, а с другой - вызывают наличие самых разнообразных типов как отдельных частей, так и всего устройства верхнего строения в целом. Почти все трамвайные предприятия имеют в одном и том же городе несколько конструкций верхних строений, и стандартные типы прививаются в этой области с большим трудом; в последнее время отдельными странами и трамвайными объединениями вырабатываются стандарты.

Верхнее строение трамвайных путей состоит из рельсов, скреплений, электрических соединений, основания и путевого замощения.

Рельсы для трамвайных путей, в соответствии с условиями работы их (крутые подъемы, спуски, частое торможение вагонов, загрязненность рельсовых поверхностей и др.), д. б., по возможности, массивны, иметь большой момент сопротивления во избежание прогибов и деформаций, могущих расстраивать основание и прилегающее замощение. Наличие мостовой требует увеличения высоты рельса (140—225 мм вместо 100—140 мм железнодорожных рельсов). Площадь поперечного сечения д. б., по возможности, большой (5000—8000 мм2) для уменьшения сопротивления прохождению электрического тока. Применение сварки рельсовых стыков также требует усиления профиля рельсов. Укладка рельсов непосредственно на щебеночное основание вызывает необходимость уширения рельсовой подошвы, которая обыкновенно равна высоте рельса. Для обеспечения беспрепятственного качения реборд колес в самом рельсе устраивают специальный желоб глубиной от 25 до 45 мм, иногда заменяемый специальным устройством в мостовой. Такое устройство применяется сравнительно редко, так как оно увеличивает износ реборд колес, осложняет устройство мостовой, требуя укладки фасонных камней, и затрудняет движение городских экипажей и пешеходов.

Рельсы желобчатые типа «Феникс»

Большинство рельсов (до 80%), укладываемых на городских трамвайных путях, желобчатые типа «Феникс» (фиг. 17; размеры в мм); на американских трамваях применяют рельсы ступенчатые (фиг. 18; размеры в мм), облегчающие их очистку, устройство замощения, а также проезд экипажей; рельсы типа «Виньоль» применяют на улицах с малым гужевым движением, а также на загородных линиях; специальные трамвайные профили виньолевских рельсов имеют большую высоту и вес, из железнодорожных же типов применяются наиболее тяжелые.

Рельсы ступенчатые

На путях с кривыми малого радиуса (до 13 м) применяют рельсы с утолщенной и повышенной губой, образующей более широкий желоб и рассчитанной на усиленный износ. При применении рельсов типа «Виньоль» на кривых устраивают приставной контррельс (фиг. 19; размеры даны в мм).

При применении рельсов типа «Виньоль» на кривых устраивают приставной контррельс

Для укладки внешних ниток кривых применяют рельсы с мелким желобом; на мостах нередко укладывают особые рельсы с уменьшенной высотой. В общем разнообразие типов трамвайных рельсов чрезвычайно велико. Разработанные в некоторых странах стандарты обыкновенно дают несколько типов рельсов для малых, средних и больших городов в зависимости от размеров движения по путям. Города СССР в настоящее время применяют выработанные Постоянным бюро всесоюзных трамвайных съездов и изготовляемые «Югосталью» желобчатые рельсы двух типов: «Феникс объединенный I» - для больших городов (фиг. 17) и «Феникс объединенный II» - для средних и малых городов, причем каждый тип имеет соответствующий профиль для кривых.

Требования, предъявляемые к трамвайным рельсам, отличаются от предъявляемых к железнодорожным, т. к. условия работы различны. Трамвайные рельсы, благодаря уклонам, частым торможениям и загрязненной поверхности, сильно истираются; с другой стороны, менее тяжелый, чем на железных дорогах, подвижной состав, усиленный профиль рельсов и наличие мостовой уменьшают возможность и опасность поломки рельсов. В виду этого трамвайные рельсы изготовляют из жесткой стали, хорошо сопротивляющейся износу. Эта сталь обыкновенно содержит около 1% Мn, 0,5% С, 0,2% Si, менее 0,05% Р, менее 0,05% S; разрывное усилие стали 70—90 кг/мм2, относительное удлинение 12—7%, предел упругости 35—50 кг/мм2. Во избежание частой смены изношенных рельсов в последнее время применяют рельсы из стали специальных сортов: марганцовистой (с содержанием около 11—13% Мn, около 1,0—1,2% С), хромоникелевой, ферротитановой (0,1% Ti, 0,8—0,4% С, 0,7—0,9% Мn) и других.

Длину отдельных рельсов делают по возможности большой (15—18 м), т. к. температурные влияния компенсируются наличием мостовой, создающей боковым трением противодействие изменению длины рельсов. Это обстоятельство позволяет с успехом применять сварку трамвайных рельсов почти без ограничения длины свариваемых участков (нормально сваривают рельсы по 10 звеньев с пропуском кривых малых радиусов).

Для соединения рельсов в настоящее время применяют: 1) стыки с механическими соединениями (сборные стыки) на накладках, ухватах, болтах, с анкерами и без них; 2) стыки, сваренные термитом, электрическим способом, газовой сваркой; 3) стыки смешанной конструкции (с приваренными накладками или анкерами).

1) Главные типы механических соединений: а) стыки с ординарными накладками, приспособленными для электросварки; они имеют значительное распространение в Германии, Англии и Америке; б) стыки с накладками, обхватывающими подошву рельсов (фиг. 19); в) стыки с накладками и ухватами типа «Бохумер-Штосс» (фиг. 17); г) стыки с разными специальными приспособлениями. Стыки бывают внакладку, внахлестку, лапчатые и др. Для соединения накладок и ухватов применяют болты диаметром 22—28 мм с пружинными шайбами; анкеры соединяют в стыках с подошвой рельса заклепками или болтами, а специальные анкеры-подушки - особыми клиньями. Для облегчения прохождения по рельсам электрического тока в стыках ставят специальные электрические соединения из чистой меди, прикрепляемые к шейке или к подошве рельса. Сложность этих стыков, наличие многих частей, сравнительно быстрое расстройство стыков, недостаточно обеспеченная электропроводимость, а также необходимость периодического ремонта стыков (подтягивания болтов, клиньев и электрических соединений) вместе с высокой стоимостью этих соединений, заставили все трамвайные предприятия перейти к сварочному способу соединения стыков.

2) Сварка рельсовых стыков верхнего строения трамваев начала применяться в 1898 году и быстро распространилась на трамвайных предприятиях всего мира. Первоначально применялся способ заливки рельсов расплавленным чугуном (стык Фалька); стык при этом не сваривался, а лишь заформовывался в чугунном башмаке; в виду сложной и громоздкой аппаратуры (передвижная вагранка) этот способ не мог иметь большого успеха. С 1900 г. начала распространяться алюминотермитная, а с 1904 г. электрическая сварка рельсов. Первая (по способу Гольдшмита) быстро завоевала себе прочное положение в виду несложности и сравнительной дешевизны ее, простоты изготовления термитной смеси и аппаратуры, а также вполне надежных результатов. Опыт показывает, что число лопнувших стыков, сваренных термитом, весьма невелико: в течение всего срока их службы это число не превышает 4—5%, снижаясь при тщательном выполнении работ до 0,5%. Срок службы термитных стыков совпадает обыкновенно со сроком службы самих рельсов (10—25 лет). Сварка производится или стяжными аппаратами - для рельсов, заготовленных к укладке, или расклинивающим способом - для рельсов, лежащих в пути. Сварка термитом производится гл. образом при укладке их вновь; рельсы же старые, лежащие в путях и имеющие износ, обыкновенно сваривают электрическим способом путем приварки накладок специального профиля. Электрическая сварка ведется металлическими или угольными электродами. Результаты электросварки менее надежны; срок службы стыков не превышает 4—5 лет, зато этот способ соединения рельсов самый дешевый. В среднем для рельсов типа «Феникс» стоимости сборного стыка, стыка, сваренного термитом, и стыка, сваренного электрическим способом с приваркой накладок, относятся, как 6 : 5 : 3. Сварка рельса типа «Феникс объединенный I», весом 55,17 кг, при замощенных путях, стоит в условиях г. Москвы 25 р. за стык. Главным достоинством сваренных стыков является уничтожение зазоров в стыках, а отсюда плавность движения вагонов, уменьшение износа подвижного состава и рельсов в стыках и значительное улучшение электропроводности стыка: в то время как нормальное сопротивление сваренного стыка равно или даже ниже сопротивления целого рельса той же длины, сборный стык нормально дает увеличение сопротивления в 2,5  раза. Газовая сварка (ацетиленовая и др.) применяется лишь для ремонта стыков, наплавки выбоин и пр.; приварка накладок газовым способом не дает надежных результатов и в настоящее время почти нигде не применяется.

3) Стыки смешанной конструкции на накладках с полной или частичной приваркой их к рельсам помощью электрической или газовой сварки применяются гл. обр. для ремонта изношенных стыков и поддержания их в исправности до окончания срока службы рельсов.

В настоящее время во всех трамвайных предприятиях более 30% всех стыков сварено. Механическое соединение при укладке новых рельсов применяется лишь в кривых малого радиуса и в местах применения специальных частей (стрелок, крестовин и т. п.). В СССР термитная сварка в широких размерах начала применяться лишь с 1924/25 г.; ранее она применялась в большом масштабе лишь в Ленинграде (с 1912 г.) и в виде опыта в Москве. Почти везде при укладке новых трамвайных линий, а также при сплошной смене рельсов как типа «Феникс», так и «Виньоль» железнодорожного типа (IIа и IIIа) применяется сварка термитом.

Для соединения рельсовых ниток между собой при устройстве верхнего строения применяют поперечные тяги по преимуществу из плоского железа (для удобства замощения путей) с нарезными круглыми концами, лапчатые с загнутыми концами или Т-образные, укрепляемые болтами с гайками; на незамощенных участках применяют также круглые тяги. Тяги ставят в зависимости от профиля рельсов на расстоянии 2—2,5 м на прямых и 1—1,5 м на кривых. Они ставятся главным образом при бетонных и щебеночных основаниях, но применяются и при шпальных основаниях (особенно при шпально-брусковых).

Помимо механического соединения отдельные рельсовые нитки соединяются поперечными электрическими соединениями, путевыми и междупутными, для равномерного распределения напряжения электрического тока во всех рельсовых нитках. На некоторых трамваях применяется подводка электрического тока не воздушным проводом, а с помощью особого кабеля, который находится в расположенном между рельсами канале. Пример такого устройства в Вашингтоне показан на фиг. 20 (размеры в мм).

verkh stroenie 48

Но этот способ сильно усложняет конструкцию верхнего строения, очень дорог и применим лишь при наличии весьма чисто содержимых асфальтовых мостовых и при благоприятном климате.

Основания, применяемые в трамвайных путях, делятся на жесткие, полужесткие и упругие, а также на шпальные и бесшпальные. Жесткими являются бесшпальные бетонные основания. Бетон укладывают под рельсы в виде сплошной подушки (в пределах путей или же всей ширины улицы), а иногда в виде отдельных продольных канавок под каждым рельсом или в виде железобетонных поперечных шпал по типу железнодорожных. Рельсы укладывают прямо на бетон и заливают примерно на половину их высоты. В других конструкциях для более надежного скрепления рельсов с бетоном применяются анкеры или же специальные связи из железных прутьев. Такое основание обыкновенно применяется при устройстве асфальтовой или торцовой мостовой. Бетон под рельсом имеет толщину от 150 до 300 мм. Составы его различны; более распространенными являются 1:2:4, 1:2:5, 1:3:5, 1:3:6, 1:4:6 и 1:3 (цемент, крупный песок); для подливки берется 1:2. Бетон должен быть тщательно приготовлен и выдержан до затвердения 6—20 дней. Последнее обстоятельство является большим недостатком бетонного основания, так как сильно задерживает ход работ при ремонте основания и вызывает необходимость закрывать движение вагонов на ремонтируемом участке. Тип жесткого основания приведен на фиг. 21 (размеры в мм), изображающей основание в нюрнбергском трамвае.

Тип жесткого основания

При своей массивности и жестком закреплении рельсов этот тип основания имеет много недостатков, помимо вышеуказанных: повышенный износ рельсов (особенно волнообразный),  шум при проходе вагонов, значительные затраты на устройство и ремонт; кроме того, при малейших неисправностях, особенно при расстройстве стыков или замощения, с попаданием. внутрь верхнего строения воды, начинается неизбежное разрушение устройства. В результате большие затраты в расчёте на долгий срок службы без ремонта не оправдываются, и почти везде трамвайные предприятия начали переделывать жесткие бетонные основания на полужесткие и упругие. С этой целью между бетоном и рельсом укладывают упругие прокладки из дерева, асфальта, просмоленного войлока и других эластичных материалов, что уменьшает жесткость основания и неблагоприятное влияние жесткого закрепления рельсов. Однако упругая прокладка с течением времени выдавливается из-под подошвы рельса и требует ремонта. Поэтому более совершенной является укладка рельсов на продольных или поперечных деревянных брусьях, утопленных в бетон и нередко с ним связанных болтами (фиг. 22; размеры в мм).

укладка рельсов на продольных или поперечных деревянных брусьях, утопленных в бетон

Этот тип верхнего строения, в случае устройства непроницаемой для воды мостовой и надлежащего дренажа грунта, весьма долговечен. Главными недостатками его являются: высокая стоимость устройства, сложность и дороговизна ремонта, т. к. для снятия рельсов и выемки брусьев и шпал приходится разрушать бетон. В последнее время в Америке применяют бетонное основание в виде подушки толщиной около 200 мм, на которую укладывают подбитые щебнем деревянные шпалы. На фиг. 23 показано стандартное устройство этого типа.

verkh stroenie 51

Это устройство солидно, просто по конструкции и удобно для ремонта. Замощение из гранитной шашки с залитыми швами обеспечивает основание от проникания воды. Шпальные основания пользуются широким распространением на трамвайных путях и при надлежащем отводе воды и достаточном слое подбивки (песком или щебнем) создают упругое долговечное основание, особенно, если шпалы пропитаны креозотом (срок службы до 20 лет). Однако непосредственная укладка рельсов на шпалах без промежуточного бетонного слоя при сильном гужевом движении обыкновенно сказывается на состоянии мостовой на путях, т. к. неоднородное основание (дерево и песок) под слоем замощения дает разную осадку, и поверхность мостовой скоро делается волнообразной. В этих случаях, с целью углубить шпалы под рельсами и дать более мощный слой песка под мостовой, применяют шпально-брусковое основание, т. е. под рельс на шпалы укладывают продольный брус. Рельс соединяют со шпалой костылями, шурупами или же уголками с брусом. На фиг. 24 (размеры в мм) представлено такое основание, применяемое на московских трамвайных путях.

Основание, применяемое на московских трамвайных путях

Опасность бокового раскачивания рельсов устраняется в данном случае сопротивлением окружающей мостовой, а также наличием между рельсами поперечных тяг. Для небольших городов с булыжными мостовыми, с отсутствием дренажа грунта и с малым экипажным движением по путям, а также для загородных линий, самым распространенным является обыкновенное шпальное основание с засыпкой рельсов под головку песком с последующим замощением или даже без него.

Кроме описанных выше оснований, при устройстве верхнего строения трамвайных путей применяется полужесткое щебеночное основание двух типов: а) в виде сплошного основания во всю ширину пути и б) в виде отдельных канавок под каждым рельсом. Слой щебня укладывают непосредственно на грунт или же на слой (до 200 мм) крупного правильно выложенного стоймя камня (пакеляжа) или бута, размеры щебня постепенно уменьшаются кверху (от 75 мм до 25—15 мм диаметром под подошвой рельса); рельс подбивают мелким щебнем (12—15 мм); рельсы лежат непосредственно на щебне, причем достаточная ширина подошвы рельса (150—180 мм) обеспечивает нормальное давление на балласт. Толщина всего слоя щебня при сплошном основании, без пакеляжа 300—500 мм, с пакеляжем 300—700 мм. Щебеночные канавки делают прямоугольной и трапецеидальной формы, размерами (500—400) х (300—400) мм.

Сплошное щебеночное основание (московское)

На фигуре 25 (размеры в мм) изображено сплошное щебеночное основание (московское), a на фиг. 26 (размеры в мм) - тип щебеночных канавок (в Берлине).

Тип щебеночных канавок (в Берлине)

Щебеночные канавки под действием воды, попадающей сверху с мостовой и снизу из грунта, имеют свойство расползаться в стороны, смешиваясь с окружающим грунтом, вследствие чего получается просадка лежащих на канавках рельсов. Сплошное основание более надежно в этом отношении и особенно удобно для устройства в местах расположения стрелочных переводов, пересечений и на прочих узловых пунктах, где устройство шпального основания затруднительно. Щебеночные основания на практике приближаются к жестким основаниям с присущими им недостатками; кроме того, сильно страдая от воды, щебеночные основания требуют наличия дренажа; ремонт основания может производиться надлежащим образом лишь при выемке всего слоя щебня, промывке его от затягивающего ила и грязи и при устройстве канавок вновь, так как простая подбивка просевших рельсов щебнем не дает удовлетворительных результатов.

Отношение стоимостей шпального, шпально-брускового, щебеночного на канавках, щебеночного сплошного и бетонного основания, на замощенных проездах, при всех прочих равных условиях, составляет, примерно, 1 : 1,8 : 2,5 : 3 : 5 (в московских условиях стоимость 1 п. м шпального основания в песке - 10 р.). При выборе типа основания особое значение имеет электропроводность основания, содействующая при плохом состоянии рельсовых стыков появлению блуждающих токов. В этом отношении наиболее совершенным является тип бетонного основания (сплошного под всем проездом) с асфальтовой изолирующей прокладкой под рельсом; менее совершенными являются щебеночные и шпальные основания, т. к. при мокром грунте изоляция рельсов, соприкасающихся с ними, ничем не обеспечена; более удачным является расположение рельсов на продольных брусьях, но все же оно не дает полной изоляции.

Для прикрепления рельсов в стыках к основанию, в случае бетонных оснований, служат анкеры, которые закладывают в бетон и соединяют с рельсами болтами или заклепками; при деревянных основаниях - костыли или шурупы; для оснований щебеночных, железобетонных и других применяют специальные закрепления в виде тяжей, болтов и т. п.

Мостовое замощение предохраняет основание верхнего строения трамвая от попадания в него поверхностной воды и удерживает рельсы в надлежащем положении, препятствуя боковым перемещениям их, защищая рельсы от температурных влияний и уменьшая размеры изменений длины рельсов от действия температуры. Замощение путей обыкновенно устраивается такое же, как и прочей проезжей части улицы, но с укладкой вдоль рельсов специальных бордюрных камней, а иногда упругих прокладок для уменьшения взаимодействия между рельсами и мостовой. При укладке рельсов типа «Виньоль», при каменных мостовых, вдоль рабочего канта рельсов укладывают иногда специальный бордюрный камень, дающий возможность свободного качения ребордам колес. Асфальтовые и торцовые мостовые устраивают на слое бетона, гранитные - на бетоне или гравии, булыжные - на песке. По мнению английских авторитетов, наилучшие результаты дают мостовые из прямоугольных гранитных брусков (150—225) х 100 мм, высотой  125 мм, на бетонном основании толщиной 125 мм с подливкой из цементного раствора состава 1 : 4 толщиной в 13 мм. Важным условием хорошей работы мостовой является тщательный подбор и посадка камней и надлежащее трамбование. В Америке замощение гранитными брусками ведется на слое гравия с устройством в некоторых случаях упругих прослоек между рельсом и мостовой, а также с заполнением пространства между шпалами слоем бетона (шпальные ящики). Швы мостовой заливаются наполовину высоты гудроном и сверху цементом. Устройство брусчатых и булыжных мостовых на слое песка без заливки швов непрочно, в особенности же при отсутствии дренажа. Чтобы избежать просадки прилегающих к рельсам камней, боковые пазухи рельсов закладывают деревянными, бетонными, асфальтовыми или гончарными закладками, а иногда замазывают цементным раствором.

Большое значение для правильной работы верхнего строения в целом имеет надлежаще устроенный отвод воды от основания, что выполняется укладкой вдоль пути специальных дренажей, отводящих воду в водосточную или канализационную сеть. Дренажные трубы закладывают или одной линией по оси междупутья или же двумя линиями по оси каждого пути. Дренажи укладывают из керамиковых труб диаметром около 150 мм, окруженных слоем щебня или шлака, в виде канавы, закладываемой на глубине 500—800 мм, или в виде простых продольных щебеночных канав, покрытых досками и без них; уклон дренажных труб 0,01—0,02. В некоторых случаях поперечные дренажные линии устраиваются в шахматном порядке, сходясь в среднюю дренажную линию, идущую по оси междупутья. На расстоянии 50 м друг от друга по оси дренажной линии располагают отстойные колодцы, предотвращающие преждевременное засорение дренажных труб. Для отвода воды, текущей по рельсовым желобкам, на путях в пониженных точках укладывают водосточные коробки со специальными прорезами в желобках для стока воды; коробки, имеющие отстойники, соединяют трубами с водосточной или канализационной сетью. Примеры устройства дренажной сети показаны на фиг. 23 и 25.

III. Верхнее строение метрополитена.

Верхнее строение метрополитена отличается от верхнего строения железнодорожного пути главным образом в отношении балласта.

В надземном метрополитене, сооружаемом на металлических эстакадах, верхнее строение вначале не отличалось от типов его на железнодорожных мостах; рельсы прикреплялись непосредственно к поперечинам, уложенным на проезжей части эстакады (Нью-Йорк, Лондон, Берлин). Проход поездов по такому верхнему строению вызывает сильный шум и вибрацию на эстакадах, в виду чего строители метрополитенов перешли к типу балластного верхнего строения (Париж, Гамбург, Берлин). Такой тип верхнего строения (фиг. 27) имеется на парижском метрополитене.

Тип верхнего строения на парижском метрополитене

Балласт располагается на кирпичных или бетонных сводиках, поддерживаемых баночками эстакады. Он несколько заглушает шум от поездов, но мертвый вес балласта и поддерживающих сводиков, ложась большой лишней нагрузкой на эстакаду, требует более сильных и тяжелых ферм, что значительно удорожает сооружение надземного метрополитена. В настоящее время вопрос о верхнем строении надземных метрополитенов потерял свою остроту, так как надземных метрополитенов более почти не строят.

Верхнее строение подземного метрополитена делается на балласте и без балласта. Почти всюду, за исключением метрополитенов Лондона, Сиднея, Чикаго, Филадельфии и отчасти Нью-Йорка, верхнее строение до сих пор делалось на балласте, и в общем оно не отличалось от верхнего строения, принятого на железных дорогах. Типичный пример такого верхнего строения дает парижский метрополитен (фиг. 28).

Верхнее строение парижского метрополитена

Однако применение балласта для верхнего строения подземных метрополитенов вызывает среди многих специалистов резкую критику, сводящуюся к следующему: 1) Балласт, применяемый в качестве посредника при передаче давления от шпал полотну, в подземных метрополитенах излишен, так как здесь вместо земляного полотна, состоящего из разнообразных грунтов и часто не выдерживающего непосредственного давления от шпал, под путем находится прочное основание в виде лотка тоннеля. 2) Применение щебня, как показывает практика, не предохраняет соседние здания в достаточной мере от сотрясений при проходе поездов по тоннелям. 3) Балласт, не имея достаточного сцепления ни со шпалами, ни с лотком, не гарантирует в должной мере устойчивости пути на кривых и в местах торможения, что для метрополитенов, с их малыми радиусами и большими уклонами, имеет большое значение. 4) В тоннелях балласт содействует отсыреванию шпал. 5) Балластный слой препятствует надлежащей очистке тоннеля от накапливающейся в нем вредной для здоровья органической пыли. 6) Образующаяся в метрополитене от трения тормозных колодок о бандажи колес металлическая пыль, проникая в балласт и металлизируя его, делает его электропроводным, что содействует появлению блуждающих токов, которые вызывают разрушающее явление электролиза в подземных металлических трубопроводах (водопровод, газопровод, канализация и пр.). 7) При балластном слое тоннелю метрополитена приходится давать большую высоту, что увеличивает стоимость сооружения метрополитена. 8) Наличие балласта в случае появления трещин в лотке не дает возможности своевременно их обнаружить. Однако, несмотря на перечисленные недостатки балластного типа верхнего строения, многие высказываются за сохранение этого типа, опасаясь, что безбалластное верхнее строение будет отличаться жесткостью.

Безбалластное верхнее строение получило распространение преимущественно в т. н. «тюбах» лондонского метрополитена, где дало прекрасные результаты. На первых линиях, City and South London (фиг. 29), путь состоял из деревянных поперечин, свободно опирающихся своими концами на чугунные кольца тоннельной обделки тюба, и обыкновенных виньолевских рельсов.

На первых линиях, City and South London, путь состоял из деревянных поперечин, свободно опирающихся своими концами на чугунные кольца тоннельной обделки тюба, и обыкновенных виньолевских рельсов

Затем на линии Central London перешли к пути на продольных лежнях с уложенными на них рельсами типа Брюнеля. Лежни укладывались на бетонное основание, устроенное в нижней части такого тюба. Оба эти типа верхнего строения на лондонском метрополитене теперь оставлены, и на последних линиях применяется тип пути на деревянных поперечинах, уложенных в бетонной кладке (фиг. 30).

Тип пути на деревянных поперечинах, уложенных в бетонной кладке

Для придания пути большей упругости концы шпал под рельсами укладывают не непосредственно на бетонную кладку, а на щебеночную прослойку, между чугунной же рельсовой подушкой и шпалой закладывают слой просмоленного войлока. Такое верхнее строение вполне обеспечивает спокойную, ровную езду, не требуя в то же время больших расходов на ремонт. На нью-йоркском метрополитене безбалластное верхнее строение применяется только на станциях и в подводных тоннелях с чугунной обделкой (типа тюбов). Шпалы жестко заделывают в бетон (фиг. 31).

Шпалы жестко заделывают в бетон

Присутствие деревянной упругой шпалы несколько смягчает жесткость езды; она была бы значительно более мягкой, если бы поперечины работали не только на смятие, но и на изгиб. Такое же верхнее строение (шпалы в бетоне) применяется на чикагском подземном метрополитене. Особенно оригинально сконструировано верхнее строение на филадельфийском метрополитене (фиг. 32): короткие полушпалы, расположенные отдельно друг от друга, лежат на продольных железных балках (из двух швеллеров каждая), втопленных в бетон.

Верхнее строение на филадельфийском метрополитене

При составлении б. Петроградской городской управой проекта метрополитена для Петрограда был выработан тип верхнего строения со шпалами, заделанными заподлицо в бетон, причем для придания пути некоторой упругости часть шпал под рельсами должна была опираться не на бетон, а на щебеночный балласт (фиг. 33).

Для придания пути некоторой упругости часть шпал под рельсами должна была опираться не на бетон, а на щебеночный балласт

При составлении Московским коммунальным хозяйством проекта московского метрополитена были предложены между прочим два типа безбалластного упругого верхнего строения на поперечинах, причем для придания пути большей упругости поперечины под самыми рельсами оставлены на некотором протяжении без опоры. Особое значение имеет вопрос о сварке стыков рельсового пути. Широкое и удачное применение сплошной сварки рельсов на трамвайных путях Москвы, Ленинграда и многих городов за границей, а также удачные опыты сварки рельсов небольшими участками на некоторых германских железных дорогах дают право a priori сделать заключение, что сварка стыков в тоннелях метрополитена, где амплитуда колебания температуры обычно незначительна по сравнению с трамваями и обыкновенными железными дорогами, предоставленными всем атмосферным воздействиям, не может вызывать в рельсах опасных добавочных напряжений от температуры. А между тем сварка стыков обеспечивает спокойный ход поездов, дает меньший износ бандажей и рельсов на стыках и уменьшает сотрясение почвы, что в городах имеет большое значение для прилегающих зданий. Опыты сварки рельсовых стыков на метрополитенах производились в Париже, где рельсы сваривались плетьми по 4 звена, или по 72 м, в Нью-Йорке на пробном участке общей длиной в 300 м, а также в железнодорожном тоннеле Франкфурт-на-Майне - Бебра (находящемся в условиях, схожих с метрополитенными), в середине которого стыки были сварены на протяжении 1200 м плетьми по 90 м. Во всех этих случаях сварка стыков дала прекрасные результаты как в отношении экономии ремонта пути, так и в отношении безопасности и спокойного хода поездов. Многие специалисты идут поэтому далее и настаивают на сплошной сварке рельсов без разделения на участки. Тем не менее в виду новизны дела и за неимением еще достаточных опытных данных (а опытов со сплошной сваркой не было нигде еще произведено) рекомендуется не производить сплошной сварки стыков на большое протяжение, а расчленить линию на небольшие участки, длиной по 4—5 рельсовых звеньев, и, кроме того, ограничиться сваркой лишь на прямых участках линии или на кривых больших радиусов. Необходимо также отметить, что в современных системах блокировки при помощи рельсовой цепи путевые рельсы у блокировочных постов обязательно должны быть электрически изолированы друг от друга на месте стыка, для чего они обычно скрепляются, вместо железных, деревянными накладками, причем в зазор вставляются кожаные или фибровые прокладки. Естественно, что о сварке такого стыка не м. б. и речи, и сплошные сваренные участки рельсовых нитей на метрополитене не могут превосходить в таком случае длины блок-поста.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 - 1928 г.