Лекция 04 · 4 ч · 8 разделов

Верхнее строение пути

Назначение и состав верхнего строения пути, рельсы, шпалы и эпюры, скрепления и противоугоны, балластный слой, рельсовая колея, бесстыковой путь, стрелочные переводы

Лекция посвящена верхнему строению пути — той части железнодорожного пути, которая непосредственно воспринимает нагрузку от колёс подвижного состава. Студент изучит типы и профиль рельсов, виды рельсовых опор и эпюр шпал, промежуточные, стыковые и изолирующие скрепления, противоугоны, требования к балластному слою, устройство рельсовой колеи и особенности пути в кривых, конструкцию и содержание бесстыкового пути, а также устройство стрелочных переводов, марки крестовин и допускаемые по ним скорости.

План

Назначение, состав и требования к верхнему строению пути
Рельсы: назначение, типы, профиль, материал, длины
Рельсовые опоры: шпалы, их типы и эпюры; блочные основания
Рельсовые скрепления и противоугоны: промежуточные, стыковые, изолирующие стыки, угон пути
Балластный слой: назначение, материалы, размеры балластной призмы
Устройство рельсовой колеи и особенности пути в кривых участках
Бесстыковой путь: устройство, температурные силы, способы эксплуатации
Соединения и пересечения путей: устройство и классификация стрелочных переводов

Термины Ключевые термины

Основные понятия лекции; полные определения приведены в разделе «Термины».

Верхнее строение пути — комплекс из рельсов, скреплений с противоугонами, рельсовых опор, балласта, мостового полотна, стрелочных переводов и специальных устройств.
Рельс — элемент пути, направляющий движение колёс, воспринимающий нагрузку и передающий её на шпалы; типы Р50, Р65, Р75.
Тип рельса — обозначение Р50, Р65, Р75, где буква Р означает «рельс», а цифра — округлённую массу одного погонного метра в килограммах.
Подуклонка — наклон рельса внутрь колеи (обычно 1:20), обеспечиваемый формой подкладки.
Шпала — подрельсовая опора, передающая давление на балласт и обеспечивающая постоянство ширины колеи.
Эпюра шпал — число шпал на 1 км пути (1600, 1840, 2000 шт./км).
Промежуточное скрепление — крепление рельса к шпале; бывает нераздельным, смешанным и раздельным.
Стыковое скрепление — накладки, болты с гайками и пружинные шайбы, соединяющие рельсы в стыке.
Изолирующий стык — стык, не пропускающий сигнальный ток от одного рельса к другому; бывает с объёмлющими накладками и клееболтовым.
Угон пути — продольное перемещение рельсов по шпалам или вместе со шпалами по балласту.
Противоугон — устройство (пружинное или самозаклинивающееся), препятствующее угону пути.
Балластный слой — слой сыпучего материала, распределяющий давление от шпал на земляное полотно, обеспечивающий упругость и водоотвод.
Плечо балластной призмы — расстояние от конца шпалы до начала откоса призмы (25—45 см).
Ширина колеи — расстояние между внутренними гранями головок рельсов; норма 1520 мм.
Возвышение наружного рельса — разность уровней рельсовых нитей в кривой для компенсации центробежной силы; не более 150 мм.
Бесстыковой путь — путь, у которого расстояние между стыками значительно превосходит длину стандартного рельса; рельсы сварены в плети.
Уравнительный пролёт — комплект уравнительных рельсов между сварными плетями, обеспечивающий сезонную регулировку их длины.
Стрелочный перевод — устройство для перевода подвижного состава с одного пути на другой.
Марка крестовины — параметр стрелочного перевода M = 1/N = tg α, где α — угол крестовины.
Подвижной сердечник крестовины — сердечник, перемещаемый синхронно с остряками и обеспечивающий непрерывность поверхности катания (скорости 200—250 км/ч).

1. Верхнее строение пути: назначение, состав и требования

Верхнее строение пути (ВСП) предназначено для восприятия нагрузок от подвижного состава, передачи их на земляное полотно и искусственные сооружения, а также для направления движения подвижного состава. Конструкция ВСП должна быть прочной, устойчивой, стабильной, износостойкой, экономичной и обеспечивать безопасное и плавное движение поездов с установленными скоростями.

Верхнее строение пути является единой комплексной конструкцией, состоящей из:

рельсов;
скреплений с противоугонами;
рельсовых опор (чаще всего в виде шпал);
балласта;
мостового полотна;
стрелочных переводов;
башмакосбрасывателей и других специальных устройств.

Типовая конструкция ВСП в поперечном сечении включает: рельсы (1), шпалы (2), промежуточные рельсовые скрепления (3), щебёночный балласт (4) и песчаную подушку (5).

Нагрузка передаётся по цепочке: колесо → рельс → промежуточное скрепление → шпала → балластный слой → основная площадка земляного полотна. Каждый элемент работает в своих условиях: рельс воспринимает контактное давление и изгиб, скрепление удерживает рельс от смещений и обеспечивает электрическую изоляцию рельсовой цепи, шпала распределяет давление на балласт и фиксирует ширину колеи, балласт равномерно передаёт нагрузку на земляное полотно и отводит воду.

Конструкция ВСП выбирается в зависимости от грузонапряжённости линии, установленных скоростей движения, осевых нагрузок и класса пути. На грузонапряжённых и скоростных участках применяют более мощные рельсы (Р65, Р75), железобетонные шпалы с увеличенной эпюрой, раздельные скрепления и щебёночный балласт увеличенной толщины с широким плечом балластной призмы.

Общая тенденция развития ВСП на сети железных дорог России такова: средняя масса рельса увеличилась с 45,6 кг/м в 1960 году до 64,7 кг/м, доля пути на железобетонных шпалах возросла с 10 % (1970 год) до 85 %, доля пути на щебёночном балласте — с 46 % (1960 год) до 99 %, а доля бесстыкового пути — с 0,5 % (1960 год) до более 90 %.

2. Рельсы: назначение, типы и профиль

Рельсы предназначены для направления движения колёс подвижного состава, восприятия нагрузки от него и передачи её на шпалы. Кроме того, рельсы используются на участках с автоблокировкой как проводники сигнального тока, а при электротяге — как проводники обратного тягового тока.

Материалом для рельсов служит высокопрочная углеродистая сталь. В зависимости от массы и поперечного профиля рельсы подразделяются на типы Р50, Р65 и Р75: буква Р означает «рельс», а цифра — округлённую массу одного погонного метра в килограммах. До 1962 года в путь укладывали также рельсы типа Р43.

Поскольку наибольшее воздействие на рельс оказывает вертикальная нагрузка, стремящаяся его изогнуть, наиболее рациональной формой рельса считается двутавровая, обеспечивающая одновременно и меньший расход металла. Профиль рельса состоит из трёх элементов: головки (1), по которой катится колесо, шейки (2) и подошвы (3), которой рельс опирается на подкладку или на подрельсовую площадку скрепления.

Современное состояние рельсового хозяйства сети характеризуется следующими долями типов рельсов: Р65 — 95,0 %, Р50 — 4,0 %, Р75 — 0,5 %, Р43 и легче — 0,5 %. Таким образом, Р65 является основным типом рельса на сети.

Технология изготовления рельсов включает термоупрочнение (применяется с 1958 года), объёмную закалку (с 1967 года) и дифференцированное термоупрочнение; требования к рельсам устанавливает ГОСТ Р 51685.

Рельсы поставляются стандартной длиной 25 м, а также длиной 12,5 м; из них на рельсосварочных предприятиях сваривают рельсовые плети, укладываемые в бесстыковой путь. Рельсы укладывают с подуклонкой — наклоном внутрь колеи (подкладки имеют уклон 1:20), что обеспечивает наилучшее взаимодействие поверхности катания колеса с головкой рельса и более равномерный износ.

3. Рельсовые опоры: шпалы и эпюры шпал

Основным видом подрельсовых оснований являются шпалы (от нидерл. spalk — подпорка). Они служат для восприятия давления от рельсов и передачи его на балластный слой, для крепления к ним рельсов и для обеспечения постоянства ширины колеи.

Деревянные шпалы. Достоинства: лёгкость, упругость, простота изготовления, удобство крепления рельсов, высокое сопротивление токам рельсовых цепей. Недостатки: сравнительно небольшой срок службы (15—18 лет) и значительный расход деловой древесины. Для увеличения срока службы деревянные шпалы пропитывают масляными антисептиками. Для изготовления шпал используют сосну, ель, пихту, лиственницу, реже кедр и берёзу. Стандартная длина деревянных шпал — 2750 мм, для особогрузонапряжённых участков изготовляют шпалы длиной 2800 мм (до 1967 года шпалы делали длиной 2700 мм). По форме поперечного сечения различают шпалы обрезные, полуобрезные и необрезные.

Железобетонные шпалы применяются в России с 1957 года. Достоинства: долговечность (40—50 лет), обеспечение высокой устойчивости пути и плавности движения поездов за счёт одинаковых размеров и равной упругости шпал, а также экономия деловой древесины. Недостатки: большая масса, токопроводимость, высокая жёсткость и сложность крепления рельсов к шпале.

Стальные шпалы используются на железных дорогах Марокко и Алжира с очень сухим климатом; с 1990-х годов на некоторых скоростных дорогах Японии начали укладывать пластиковые шпалы.

Порядок расположения шпал по длине рельсового звена называют эпюрой шпал. На железных дорогах России применяют три эпюры: 1600, 1840 и 2000 шпал на 1 км пути. Для бесстыкового пути на путях 1—4 классов эпюра принимается: в прямых и кривых радиусом более 1200 м — 1840 шт./км, в кривых радиусом 1200 м и менее — 2000 шт./км; на путях 5-го класса: в прямых и кривых радиусом более 650 м — 1440 шт./км, в кривых радиусом 650 м и менее — 1600 шт./км.

Кроме шпал, применяют и другие виды подрельсовых оснований, в том числе путь на блочном железобетонном основании из плит, а также бесподкладочные и подкладочные конструкции для мостов и тоннелей.

4. Рельсовые скрепления и противоугоны

Рельсовый путь представляет собой две непрерывные рельсовые нити, расположенные на определённом расстоянии друг от друга. Это обеспечивается креплением рельсов к шпалам и соединением отдельных рельсовых звеньев между собой.

Промежуточные скрепления должны обеспечивать надёжную и достаточно упругую связь рельсов со шпалами, сохранять постоянство ширины колеи и необходимую подуклонку рельсов, не допускать продольного смещения и опрокидывания рельсов. При железобетонных шпалах они должны, кроме того, обеспечивать электрическую изоляцию рельсов и шпал. Промежуточные скрепления бывают трёх основных видов: нераздельные, смешанные и раздельные.

При нераздельном скреплении рельс и подкладки, на которые он опирается, крепятся к шпалам одними и теми же костылями или шурупами.
При смешанном скреплении подкладки, кроме того, крепятся к шпалам дополнительными костылями. Смешанное костыльное скрепление с клинчатыми подкладками с уклоном 1:20 широко распространено на дорогах нашей страны: его преимущества — простота конструкции, небольшая масса, сравнительная лёгкость зашивки, перешивки и разборки пути. Однако такое скрепление не гарантирует постоянства ширины колеи и способствует механическому износу шпал.
При раздельном скреплении рельс крепится к подкладке отдельными деталями, а подкладка — к шпале другими, что позволяет менять рельс и регулировать ширину колеи без нарушения крепления подкладки. К раздельным бесподкладочным скреплениям относится, например, ЖБР-65.

Основные типы скреплений на сети и их доли: КБ-65 — 47,7 %, АРС — 14,4 %, ЖБР-65Ш — 9,3 %, ЖБР-65 — 8,8 % и другие.

Стыковые скрепления соединяют рельсовые звенья между собой; их основные элементы — накладки, болты с гайками и пружинные шайбы. Стыковые накладки предназначены для соединения рельсов и восприятия в стыке изгибающих и поперечных сил. Двухголовые накладки изготовляют из высокопрочной стали и подвергают закалке; под гайки болтов для обеспечения постоянного натяжения подкладывают пружинные шайбы. В последнее время переходят на применение шестидырных накладок.

По расположению относительно шпал различают стыки на весу, на шпалах и на сдвоенных шпалах. Стандартными приняты стыки на весу, обеспечивающие большую упругость и удобство подбивки балласта под стыковые шпалы.

Так как с изменением температуры длина рельсов меняется, между торцами рельсов в стыках оставляют зазор, наибольшая величина которого во избежание сильных ударов колёс подвижного состава не должна превышать 21 мм. Каждой температуре рельсов соответствует определённый стыковой зазор.

Изолирующие стыки устраивают на линиях с автоблокировкой на границах блок-участков, чтобы электрический ток не мог пройти от одного соединяемого рельса к другому. Существует два типа изолирующих стыков: с металлическими объёмлющими накладками (изоляцию обеспечивают прокладками и втулками из фибры, текстолита или полиэтилена) и клееболтовые, в которых металлические накладки, изолирующие прокладки из стеклоткани и болты с изолирующими втулками склеиваются эпоксидным клеем с концами рельсов в монолитную конструкцию.

Угон пути. Под действием сил, создающихся при движении поездов по рельсам и особенно при торможении на затяжных спусках, может происходить продольное перемещение рельсов по шпалам или вместе со шпалами по балласту — угон пути. При нераздельном и смешанном скреплениях для предотвращения угона применяют противоугоны: стандартные пружинные (пружинная скоба, защемляемая на подошве рельса и упирающаяся в шпалу) и самозаклинивающиеся (скоба и клин с упором, который при перемещении рельса заклинивается всё сильнее). При раздельном скреплении погонное сопротивление скреплений достаточно велико, и противоугоны, как правило, не требуются.

5. Балластный слой

Основное назначение балластного слоя — восприятие давления от шпал и равномерное распределение его на основную площадку земляного полотна, обеспечение устойчивости шпал под воздействием вертикальных и горизонтальных сил, обеспечение упругости подрельсового основания и возможности выправки рельсошпальной решётки в плане и профиле, а также отвод от неё поверхностных вод. Балластный слой должен предохранять основную площадку от переувлажнения.

Материал для балласта должен быть прочным, упругим, устойчивым к нагрузкам и атмосферным воздействиям, дешёвым. Кроме того, он не должен дробиться при уплотнении, пылить при проходе поездов, раздуваться ветром, размываться дождями, прорастать травой. В качестве балласта используют сыпучие, хорошо дренирующие упругие материалы: щебень, гравий, песок, отходы асбеста, ракушечник. Лучшим материалом для балласта является щебень из естественного камня, валунов и гальки; для бесстыкового пути применяют щебень фракций 25—60 мм только из твёрдых пород (требования ГОСТ 7392).

Балластный слой укладывается в виде призмы, имеющей откосы крутизной, как правило, 1:1,5, и верхнюю часть, ширина которой устанавливается техническими условиями. Основные размеры балластной призмы на главных путях:

расстояние от конца шпалы до начала откоса балластной призмы (плечо) — в зависимости от класса пути от 25 до 45 см; на участках бесстыкового пути ширина плеча должна составлять на внеклассных, 1-м и 2-м классах — 45 см, на 3—5-м классах — 40 см;
толщина щебня под шпалой на главных путях — от 25 до 35 см при деревянных шпалах и от 30 до 40 см при железобетонных;
толщина песчаной подушки во всех случаях принимается не менее 20 см.

По современным требованиям к конструкции верхнего строения пути на линиях всех категорий должен быть уложен балластный слой толщиной не менее 40 см при ширине плеча не менее 45 см. Для сравнения: до 1964 года на отечественных железных дорогах укладывался щебёночный балластный слой толщиной 25—30 см при ширине плеча всего 15 см на песчаной подушке.

Состояние балласта определяет упругость всей конструкции пути: от толщины балластного слоя зависит работа подрельсового основания, а загрязнение и засорение балласта приводит к потере дренирующей способности, застою воды и ускоренному накоплению остаточных деформаций. Полная замена балласта на безбалластную конструкцию пути рассматривается как один из способов усиления железнодорожного пути наряду с обработкой балластного слоя вяжущими материалами и применением геосинтетических материалов (георешёток, геосеток, матов, сотовых конструкций).

Как материал балласта влияет на работу пути. В расчётах динамической силы учитывается коэффициент γ, зависящий от рода балласта: γ = 1,0 для щебня, асбеста и сортированного гравия, γ = 1,1 для карьерного гравия и ракушечника, γ = 1,5 для песка. Иными словами, при песчаном балласте динамическая сила, действующая на путь, в полтора раза больше, чем при щебёночном. Именно поэтому доля пути на щебне доведена до 99 %, а на участках всех классов должен укладываться щебень из плотных горных пород.

Зачем нужно плечо призмы. Плечо балластной призмы обеспечивает боковую устойчивость шпальной решётки: при недостаточном плече шпала при проходе поезда может сместиться вбок, что приведёт к изменению ширины колеи. Особенно важно это для бесстыкового пути, где температурные силы стремятся выдавить путь в сторону.

Типовая ошибка. Считать, что подсыпка балласта решает проблему просадок. Если причина — деформация основной площадки или застой воды в засорённой призме, подсыпка лишь временно улучшает геометрию пути, а затем просадки возобновляются. Правильное решение — проверить толщину и чистоту балласта, состояние водоотвода и основной площадки земляного полотна.

6. Устройство рельсовой колеи и особенности пути в кривых

Устройство рельсовой колеи тесно связано с конструкцией и размерами колёсных пар подвижного состава. Колёсная пара состоит из стальной оси, на которую наглухо насажены колёса, имеющие для предотвращения схода с рельсов направляющие гребни.

Шириной колеи называется расстояние между внутренними гранями головок рельсов. Эта ширина складывается из расстояния между колёсами (1440 + 3 мм), двух толщин гребней (от 25 до 33 мм) и зазоров между колёсами и рельсами, необходимых для свободного прохождения колёсных пар.

Ширина нормальной (широкой) колеи в прямых и в кривых участках пути радиусом более 349 м принята в России 1520 мм с допусками в сторону уширения 8 мм, а на участках со скоростями движения до 50 км/ч — 10 мм. Допуск в сторону сужения составляет 4 мм.

В соответствии с ПТЭ верх головок рельсов обеих нитей пути на прямых участках должен быть в одном уровне. Разрешается на прямых участках пути на всей протяжённости каждого из них содержать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой.

При сооружении пути стыки на обеих рельсовых нитях располагают точно один против другого по наугольнику: по сравнению с расположением стыков вразбежку это уменьшает число ударов колёсных пар о рельсы, а также позволяет заготавливать и менять рельсошпальную решётку целыми звеньями с помощью путеукладчиков.

В кривых участках устройство пути имеет ряд особенностей, основными из которых являются:

возвышение наружного рельса над внутренним — для компенсации действия центробежной силы; возвышение наружной рельсовой нити не должно превышать 150 мм;
наличие переходных кривых — для плавного изменения радиуса и возвышения при входе в круговую кривую;
уширение колеи при малых радиусах — установлены нормы: при R > 350 м — 1520 мм; при R = 349—300 м — 1530 мм, в том числе при железобетонных шпалах — 1520 мм; при R < 299 м — 1535 мм;
укладка укороченных рельсов на внутренней рельсовой нити: укладку укороченных рельсов чередуют с укладкой рельсов нормальной длины так, чтобы забег стыков не превышал половины укорочения, то есть 40 и 80 мм;
усиление пути при R < 1200 м для обеспечения необходимой равнопрочности с примыкающими прямыми: увеличивают число шпал на километр, уширяют балластную призму с наружной стороны кривой, ставят несимметричные подкладки с большим плечом в наружную сторону, отбирают наиболее твёрдые рельсы;
увеличение расстояния между осями путей на двух- и многопутных линиях в соответствии с требованиями габарита.

Схема действующих в кривой сил включает силу веса, центробежную силу, составляющую силу веса, рамные силы, действующие на колёсную пару, боковое воздействие рельса на колесо и силы трения между колесом и рельсом. Именно сочетание этих сил определяет необходимость возвышения наружного рельса и ограничения скоростей в кривых.

Вглубь Вглубь: бесстыковой путь — как путь живёт с температурными силами

Бесстыковой путь (его называют также «бархатным») — условное наименование железнодорожного пути, расстояние между рельсовыми стыками которого значительно превосходит длину стандартного рельса (25 м). Это самая прогрессивная конструкция верхнего строения пути.

Преимущества. За счёт устранения стыков снижается динамическое воздействие на путь, существенно уменьшается износ колёс подвижного состава и сопротивление движению поездов, что сокращает расход топлива и электроэнергии на тягу. Резкое сокращение числа стыковых скреплений за счёт сварки отдельных звеньев в плети даёт экономию металла до 1,8 т на каждый километр пути. Срок службы рельсов бесстыкового пути возрастает примерно на 20 % по сравнению со стыковым, деревянных шпал — на 8—13 %, балласта (до очистки) — на 25 %, а затраты труда на текущее содержание пути снижаются на 10—30 %. Общая экономия на текущем содержании достигает 25 %, снижение сопротивления движению — до 10 %.

Почему возникает проблема температурных сил. Представим рельсовую плеть в свободном состоянии: при нагреве она равномерно удлиняется, при охлаждении укорачивается. Но уложенная в путь и надёжно закреплённая в скреплениях плеть не может изменять свою длину. Из-за этого в ней возникают значительные продольные растягивающие или сжимающие силы, достигающие 100—200 кН. В жаркую погоду сжимающие силы могут привести к выбросу пути в сторону, а в сильный мороз растягивающие силы — к излому плети с образованием опасного зазора.

Удлинения и укорочения происходят только на концевых участках плетей — их называют дышащими участками; плети «дышат» за счёт зазоров в уравнительных пролётах.

Конструкция. Длина сварных плетей на сети железных дорог России обычно принимается не более 800 м (это соответствует длине составов специальных поездов из платформ, оборудованных роликами, которыми плети доставляют на перегон). При необходимости длину плетей увеличивают до 950 м, приваривая на месте укладки к плети длиной 800 м плеть длиной 150 м. Минимальная длина рельсовых плетей — 250 м, однако при техническом обосновании и в коротких тоннелях применяют и более короткие плети, но не менее 150 м.

Между сварными плетями укладывают две—четыре пары уравнительных рельсов длиной 12,5 м или переменной длины (12,5; 12,46; 12,42; 12,38 м) для возможности сезонной регулировки длины плетей перед летним и зимним периодами. Весь комплект уложенных в путь уравнительных рельсов называется уравнительным пролётом; стыки в нём соединяют только шестидырными накладками и болтами из стали повышенной прочности.

Поэтому бесстыковой путь обычно укладывают на железобетонных шпалах с раздельным скреплением и на щебёночном балласте, а балластную призму тщательно уплотняют. На щебёночном и асбестовом балласте бесстыковой путь укладывают в прямых и в кривых радиусом не менее 350 м; на станционных путях при гравийном или песчано-гравийном балласте — в кривых радиусом не менее 600 м.

Два способа эксплуатации. Первый, наиболее эффективный и широко применяемый, предусматривает закрепление рельсов на постоянный температурный режим эксплуатации. Второй, применяемый при больших перепадах температур по сезонам года, предусматривает сезонные разрядки температурных напряжений с закреплением плетей два раза в год — на летний и зимний режимы; при этом ослабляют скрепления рельсов со шпалами, начиная от концов плети, и снимают уравнительные рельсы.

К конструкции бесстыкового пути предъявляют повышенные требования: запас прочности рельсов должен компенсировать температурные напряжения (125—150 МПа); скрепления должны сохранять заданный зазор (не более 10—12 мм) и препятствовать угону, для чего их погонное сопротивление должно быть по одной нити от 250 Н/см, по соединению — 300—400 Н/см; шпальная решётка должна препятствовать выбросу; балластная призма должна оставаться плотной.

Вглубь Вглубь: стрелочные переводы — устройство, марки крестовин и скорости

Для перехода подвижного состава с одного пути на другой служат устройства по соединению и пересечению путей, относящиеся к верхнему строению. Соединение путей осуществляется стрелочными переводами, пересечение — глухими пересечениями. С применением стрелочных переводов и глухих пересечений устраивают соединения путей, называемые стрелочными улицами и съездами (несокращённый, сокращённый, перекрёстный съезд; стрелочные улицы прямая несокращённая и сокращённая).

Классификация. По назначению и условиям соединения путей стрелочные переводы подразделяют на одиночные, двойные и перекрёстные. Одиночные делятся на обыкновенные (правосторонние и левосторонние), симметричные и несимметричные. Двойной перевод разветвляет основной путь на три направления и предназначен для укладки в стеснённых условиях. Перекрёстный перевод даёт возможность подвижному составу переходить с одного пути на другой в обоих направлениях и имеет восемь остряков и четыре крестовины (две острые и две тупые).

Основные части обыкновенного стрелочного перевода:

стрелка — рамные рельсы (1), остряки (2), переводной механизм (9) с электроприводом или ручным приводом, стрелочные тяги (рабочая, соединительная, контрольная), упорная нить, корневое устройство вкладышно-накладочного типа (четырёхдырный вкладыш, накладка, мостик), опорные и упорные устройства, скрепления КБ-65 и КД-65;
соединительные пути — переводная кривая (3) и переводная прямая (8);
крестовинная часть — крестовина (4) с сердечником (6) и усовиками (7), контррельсы (5), жёлоб крестовины, математический центр крестовины;
переводные брусья — длина должна быть от 3 до 5,5 м с градацией 0,25 м и предельным отклонением ±20 мм; полная длина перевода обозначается L_п, центр перевода — О.

Передний конец остряка в зоне прилегания к рамному рельсу подвергается горизонтальной и вертикальной строжке. Горизонтальная строжка выполняется по плоскости, имеющей наклон к вертикали 1/5; вертикальная — для создания благоприятных условий накатывания колёс на остряк при противошёрстном направлении движения.

Важнейший параметр стрелочного перевода — марка крестовины M = 1/N = tg α, где α — угол крестовины, N — целое число. Применяют обыкновенные переводы с марками крестовин 1/9, 1/11, 1/18, 1/22 и симметричные с марками 1/9, 1/11, 1/6, 1/4,5.

Нормы укладки по ПТЭ:

на главных путях и приёмо-отправочных путях пассажирского движения — крестовины не круче 1/11; переводы, по которым пассажирские поезда проходят только по прямому пути, — марки 1/9;
на приёмо-отправочных путях грузового движения — не круче 1/9, симметричные — не круче 1/6;
на прочих путях — марки не круче 1/8, симметричные — не круче 1/4,5.

Допускаемые скорости: по переводам с марками крестовин 1/9 и 1/11 разрешается движение по прямому пути со скоростями не свыше соответственно 100 и 120 км/ч, а на боковой путь — не свыше 40 км/ч; по переводам из рельсов типа Р65 с крестовиной марки 1/11 на боковой путь — не более 50 км/ч, по симметричным переводам с крестовиной марки 1/11 — не более 70 км/ч. По переводам пологих марок (1/18 и 1/22) поезда можно пропускать со скоростями не более соответственно 80 и 120 км/ч.

Высокоскоростные переводы. Создан высокоскоростной стрелочный перевод марки 1/11 типа Р65 с подвижным сердечником крестовины для укладки в путь при скоростях движения 200—250 км/ч. Наличие подвижного сердечника обеспечивает непрерывность поверхности катания в крестовине, благодаря чему отпадает надобность в контррельсах. Длина такой крестовины составляет около 10 м, полная длина перевода — 37,6 м; сердечник переводится из одного крайнего положения в другое синхронно с переводом остряков стрелки.

Вглубь Вглубь: почему тип рельса и подрельсового основания определяют допускаемую нагрузку

Почему на грузонапряжённых линиях нельзя «сэкономить» и уложить рельсы Р50 вместо Р65? Ответ лежит в механике взаимодействия пути и подвижного состава.

Рельс работает как балка на упругом основании. Его сопротивление изгибу определяется моментом инерции поперечного сечения относительно горизонтальной оси. По ГОСТ на рельсы моменты инерции составляют: 2011 см⁴ для Р50, 3540 см⁴ для Р65 и 4491 см⁴ для Р75. Разница между Р50 и Р65 — более чем в 1,75 раза, и именно на эту величину снижаются напряжения в кромке подошвы рельса при переходе на более мощный тип.

В расчётах пути на прочность это учитывается коэффициентом, характеризующим зависимость дополнительной динамической силы от типа рельса: β = (J_Р50 / J_i)^1/4. Для Р50 β = 1,0, для Р65 β = 0,87, для Р75 β = 0,82. Дополнительная динамическая сила от неровностей на пути у Р65 на 13 % меньше, чем у Р50.

Второй фактор — приведённая масса пути m_п — масса элементов пути (рельсошпальной решётки, балластного слоя и вовлечённого в колебания объёма грунта земляного полотна), приведённая к зоне контакта колеса и рельса. По исследованиям М.Ф. Вериго, для пути с рельсами Р50 на деревянных шпалах и щебёночном балласте толщиной 45 см приведённая масса составила 1,271 кг·с²/см, а для пути на железобетонных шпалах с балластом и песчаной подушкой толщиной 50 см — 1,438 кг·с²/см. Приведённая масса входит в расчёт динамической силы через коэффициент α₀ = m_к/(m_к + m_п), принимаемый равным 0,433 для деревянных шпал и 0,403 для железобетонных.

Третий фактор — жёсткость пути. Жёсткая конструкция (железобетонные шпалы, малая толщина балласта) передаёт на элементы пути большие динамические силы, но обеспечивает стабильность колеи. Упругая конструкция (деревянные шпалы, толстый балласт) «сглаживает» удары, но хуже удерживает геометрию. Отсюда — компромисс: бесстыковой путь, где важнее всего устойчивость против выброса и постоянство колеи, укладывают на железобетонных шпалах с раздельным скреплением, а не на деревянных.

Практический вывод. Тип рельса, вид шпал и тип скрепления — не «вкусовые» решения, а результат расчёта на прочность и устойчивость при заданных осевых нагрузках, скоростях и грузонапряжённости. Именно поэтому доли конструкций на сети эволюционировали: сейчас Р65 занимает 95 %, скрепления КБ-65 — 47,7 %, АРС — 14,4 %, ЖБР-65Ш и ЖБР-65 — 9,3 % и 8,8 %, а средняя масса рельса выросла до 64,7 кг/м.

Вглубь Вглубь: разбор типовых неисправностей верхнего строения пути

Большинство отказов технических средств на пути связано не с «внезапной поломкой», а с накоплением отступлений от норм содержания. Разберём характерные примеры.

1. Отступления в плане и профиле. Классическое сочетание, приводящее к сходу подвижного состава на стрелочном переводе: перекос пути 21 мм на 13 м и угол в плане 54 мм на 25 м. При таких отступлениях колесо теряет контакт гребня с рабочей гранью остряка, происходит обезгруживание колёсной пары и перекатывание через головку остряка. Вывод: геометрия пути в зоне стрелочных переводов требует особого контроля, а укладка стрелочного перевода в кривой участок пути должна выполняться по проекту.

2. Нарушение взаимодействия остряка и рамного рельса. Просвет между рабочей гранью упорных накладок и шейкой остряка (или подвижного сердечника) не должен превышать 2 мм. Превышение этого значения означает, что остряк неплотно прижат к рамному рельсу; при проходе подвижного состава возможен набегание гребня на остряк. Смазка стрелочных башмаков, состояние клеммных и закладных болтов — предмет обязательных зимних и комиссионных осмотров.

3. Состояние стыков. Зазор в стыке не должен превышать 21 мм; при больших зазорах возникают сильные удары колёс, ускоряется износ торцов рельсов и скреплений, повышается уровень динамических сил. При бесстыковом пути в уравнительных пролётах нормируется зазор 10—12 мм, а стыки соединяются только шестидырными накладками и болтами из стали повышенной прочности.

4. Переезды. Глубина желобов переездного настила должна быть не менее 45 мм. Напрессовка обледенелого снега в желобах контррельсов приводит к выдавливанию колёсной пары на переезде — типичный зимний отказ. Содержание переездов требует регулярной очистки и контроля глубины желобов.

5. Нарушение габарита. Выход элемента верхнего строения (например, рельсовой плети при перевозке на рельсовозном составе) за габарит подвижного состава нарушает габарит соседнего пути и может привести к наезду на него подвижного состава встречного поезда. Это показывает, почему требования габаритов относятся и к технологии путевых работ, а не только к конструкциям.

6. Нарушение технологии при производстве путевых работ. Перед открытием отремонтированного участка он должен быть проверен мобильным средством диагностики, а состояние стрелочных переводов, расположенных в кривых участках пути, — проверено отдельно в плане. Пренебрежение этой операцией сводит на нет качество ремонта.

Общий вывод. Неисправности ВСП почти всегда имеют три составляющие: отступление геометрии, ослабление или износ крепления и нарушение водоотвода. Система диагностики (путеизмерительные вагоны, дефектоскопы, вагоны-лаборатории) и осмотры (комиссионные, зимние, обходы) построены именно так, чтобы выявлять эти составляющие до того, как они сложатся в отказ.

Пример Пример: подбор укороченных рельсов в кривой

Условие. Круговая кривая радиусом R = 600 м имеет длину по наружной рельсовой нити 300 м. Расстояние между осями рельсовых нитей приближённо принимается S = 1600 мм. Требуется определить суммарное укорочение внутренней рельсовой нити и подобрать количество укороченных рельсов, если применяются стандартные укорочения 80 и 160 мм.

1. Суммарное укорочение внутренней нити. Внутренняя нить описывает окружность меньшего радиуса, поэтому она короче наружной на величину Δ = L · S / R, где L — длина кривой. Подставляем: Δ = 300 · 1,6 / 600 = 0,8 м = 800 мм.

2. Подбор укороченных рельсов. Стандартные укорочения рельсов длиной 25 м равны 80 и 160 мм (укорочение 40 мм — стандарт для 12,5-метровых рельсов). Принимаем 10 рельсов с укорочением 80 мм: 10 · 80 = 800 мм. То же суммарное укорочение дали бы 5 рельсов с укорочением 160 мм: 5 · 160 = 800 мм. Суммарное укорочение скомпенсировано полностью.

3. Проверка забега стыков. Укладку укороченных рельсов чередуют с укладкой рельсов нормальной длины так, чтобы забег стыков не превышал половины укорочения, то есть 40 мм при укорочении 80 мм. Практически это означает, что укороченные рельсы нельзя укладывать подряд без контроля: между ними должны быть рельсы нормальной длины, обеспечивающие допустимый забег.

4. Дополнительные требования. При R = 600 м < 1200 м требуется усиление пути: увеличение числа шпал на километр (эпюра 2000 шт./км при R ≤ 1200 м), уширение балластной призмы с наружной стороны кривой, постановка несимметричных подкладок с большим плечом в наружную сторону. Ширина колеи при R = 600 м остаётся нормальной — 1520 мм, так как уширение предусмотрено только при R ≤ 349 м.

Вывод. Расчёт укороченных рельсов — обязательный элемент проектирования кривых: без него забег стыков накапливался бы по всей длине кривой (при длине 300 м — до 800 мм), что недопустимо.

Пример Пример: определение допускаемых скоростей по стрелочным переводам

Условие. Поезд следует по маршруту, в котором последовательно уложены стрелочные переводы: № 1 — марки 1/11 типа Р65 (проход по прямому пути); № 2 — марки 1/9 (проход на боковой путь); № 3 — марки 1/18 (проход на боковой путь). Требуется определить допускаемые скорости по каждому переводу и скорость по маршруту в целом.

1. Перевод № 1 (1/11, прямой путь). По переводам с маркой крестовины 1/11 движение по прямому пути разрешается со скоростью не свыше 120 км/ч.

2. Перевод № 2 (1/9, боковой путь). Движение на боковой путь по переводам марок 1/9 и 1/11 разрешается со скоростью не свыше 40 км/ч (для переводов из рельсов Р65 с крестовиной 1/11 на боковой путь — не более 50 км/ч, но это другой случай).

3. Перевод № 3 (1/18, боковой путь). По переводам пологих марок крестовин 1/18 поезда можно пропускать со скоростью не более 80 км/ч.

4. Скорость по маршруту. Маршрут ограничивается самым жёстким ограничением: 40 км/ч (перевод № 2). Именно эта скорость вносится в приказ и в расписание, и именно её контролирует машинист.

5. Обратная задача. Если требуется пропускать поезда по боковому пути со скоростью 80 км/ч, необходимо уложить перевод марки 1/18; для скоростей 200—250 км/ч применяют перевод марки 1/11 типа Р65 с подвижным сердечником крестовины (полная длина перевода 37,6 м, длина крестовины около 10 м, контррельсы не требуются).

Вывод. Марка крестовины — ключевой параметр, определяющий и конструкцию, и допускаемую скорость: чем положе марка, тем длиннее перевод, тем дороже его укладка и содержание, но тем выше скорость движения по боковому пути.

Нормативы Нормативная база темы

Основной документ по эксплуатации: Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (приказ Минтранса России от 23.06.2022 № 250) — требования к содержанию железнодорожного пути и сооружений, нормы ширины колеи, положения рельсовых нитей по уровню, марки крестовин и допускаемые скорости по стрелочным переводам, величина стыковых зазоров.

Бесстыковой путь: Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути (распоряжение ОАО «РЖД» от 14.12.2016 № 2544/р) — длины плетей, уравнительные пролёты, требования к балласту, шпалам, скреплениям, способы эксплуатации.

Ремонты и путевые работы: Правила назначения ремонтов железнодорожного пути (распоряжение ОАО «РЖД» от 17.11.2021 № 2888/р); Инструкция по обеспечению безопасности движения поездов при производстве путевых работ (распоряжение ОАО «РЖД» от 14.12.2016 № 2540/р).

Стандарты на элементы ВСП: ГОСТ Р 51685 (рельсы железнодорожные; моменты инерции Р50 — 2011 см⁴, Р65 — 3540 см⁴, Р75 — 4491 см⁴); ГОСТ 7392-2014 «Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути» (фракции 25—60 мм).

Проектирование: СП 119.13330.2017 «Железные дороги колеи 1520 мм» (конструкция верхнего строения пути, требования к балластной призме, план и профиль); Правила производства расчёта пути на прочность (коэффициенты α₀, α₁, β, γ).

Условия эксплуатации: Условия эксплуатации железнодорожных переездов (приказ Минтранса России от 05.10.2022 № 402) — глубина желобов переездного настила не менее 45 мм.

Задание Домашнее задание

Вопросы для самопроверки.

Из каких элементов состоит верхнее строение пути и по какой цепочке передаётся нагрузка от колеса к основной площадке земляного полотна?
Чем различаются нераздельное, смешанное и раздельное промежуточные скрепления и почему при раздельном скреплении противоугоны, как правило, не ставят?
Почему в рельсовой плети бесстыкового пути возникают продольные силы 100—200 кН, к чему приводят сжимающие и растягивающие силы и какие два способа эксплуатации плетей применяют?
Как марка крестовины связана с допускаемой скоростью на боковой путь для переводов 1/9, 1/11 и 1/18 и какие марки ПТЭ допускает на главных путях?

Задача. Круговая кривая радиусом R = 800 м имеет длину по наружной рельсовой нити L = 320 м; расстояние между осями рельсовых нитей принимается S = 1600 мм. Определите суммарное укорочение внутренней рельсовой нити, подберите число укороченных рельсов длиной 25 м при стандартном укорочении 80 мм и установите, требуется ли усиление пути и изменение ширины колеи.

Ответ: Δ = L · S / R = 320 · 1,6 / 800 = 0,64 м = 640 мм; 640 / 80 = 8 укороченных рельсов (то же дали бы 4 рельса по 160 мм); R = 800 м < 1200 м — требуется усиление пути (эпюра 2000 шт./км, уширение балластной призмы с наружной стороны кривой); ширина колеи остаётся 1520 мм, так как уширение предусмотрено только при R ≤ 349 м.

Письменно. Составьте таблицу-конспект «Тип рельса — масса 1 м — момент инерции — коэффициент β — доля на сети» для рельсов Р50, Р65 и Р75 и письменно объясните, почему Р65 стал основным типом на сети, а на грузонапряжённых участках укладывают Р75.

Литература к теме.

Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (приказ Минтранса России от 23.06.2022 № 250).
Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути (распоряжение ОАО «РЖД» от 14.12.2016 № 2544/р).
ГОСТ Р 51685 «Рельсы железнодорожные» (моменты инерции рельсов Р50, Р65, Р75).
Ефименко Ю.И. Железные дороги. Общий курс: учебник. — СПб., 2013. — 503 с.

Термины Термины лекции

Верхнее строение пути: Единая комплексная конструкция из рельсов, скреплений с противоугонами, рельсовых опор (шпал), балласта, мостового полотна, стрелочных переводов и специальных устройств; воспринимает нагрузки от подвижного состава и передаёт их на нижнее строение пути.
Рельс: Элемент верхнего строения пути, направляющий движение колёс, воспринимающий нагрузку от подвижного состава и передающий её на шпалы; на участках с автоблокировкой служит проводником сигнального тока, при электротяге — обратного тягового тока.
Тип рельса: Обозначение Р50, Р65, Р75, где буква Р означает «рельс», а цифра — округлённую массу одного погонного метра в килограммах; Р65 занимает 95 % протяжённости сети.
Подуклонка рельса: Наклон рельса внутрь колеи, обычно 1:20, обеспечиваемый формой клинчатой подкладки; улучшает взаимодействие поверхности катания колеса с головкой рельса.
Шпала: Основной вид подрельсовой опоры; воспринимает давление от рельсов, передаёт его на балластный слой, служит для крепления рельсов и обеспечения постоянства ширины колеи.
Эпюра шпал: Порядок расположения и число шпал на 1 км пути; на железных дорогах России применяют эпюры 1600, 1840 и 2000 шпал на 1 км.
Промежуточное скрепление: Крепление рельса к шпале; бывает нераздельным (рельс и подкладка крепятся одними костылями), смешанным (подкладка крепится дополнительно) и раздельным (рельс и подкладка крепятся независимо).
Стыковое скрепление: Совокупность накладок, болтов с гайками и пружинных шайб, соединяющих рельсы в стыке и воспринимающих изгибающие и поперечные силы.
Изолирующий стык: Стык, не пропускающий сигнальный ток от одного рельса к другому; устраивается на границах блок-участков; бывает с металлическими объёмлющими накладками и клееболтовым.
Угон пути: Продольное перемещение рельсов по шпалам или вместе со шпалами по балласту под действием сил, возникающих при движении и торможении поездов.
Противоугон: Устройство для предотвращения угона пути: пружинная скоба, защемляемая на подошве рельса и упирающаяся в шпалу, либо самозаклинивающаяся конструкция со скобой и клином.
Балластный слой: Слой сыпучего материала (щебня, гравия, песка, отходов асбеста), воспринимающий давление от шпал, распределяющий его на основную площадку, обеспечивающий упругость пути, устойчивость шпал и отвод воды.
Плечо балластной призмы: Расстояние от конца шпалы до начала откоса балластной призмы; принимается от 25 до 45 см в зависимости от класса пути, для бесстыкового пути — 45 см (внеклассные, 1, 2 классы) и 40 см (3—5 классы).
Ширина колеи: Расстояние между внутренними гранями головок рельсов; в России принята 1520 мм с допусками в сторону уширения 8 мм (на участках со скоростями до 50 км/ч — 10 мм) и в сторону сужения 4 мм.
Возвышение наружного рельса: Разность уровней наружной и внутренней рельсовых нитей в кривой, компенсирующая действие центробежной силы; не должно превышать 150 мм.
Бесстыковой путь: Железнодорожный путь, расстояние между рельсовыми стыками которого значительно превосходит длину стандартного рельса (25 м); рельсы свариваются в плети длиной до 800 м (при необходимости до 950 м).
Уравнительный пролёт: Комплект из двух—четырёх пар уравнительных рельсов длиной 12,5 м или переменной длины, укладываемых между сварными плетями для сезонной регулировки их длины.
Стрелочный перевод: Устройство верхнего строения пути для перевода подвижного состава с одного пути на другой; состоит из стрелки, соединительных путей и крестовинной части с контррельсами.
Марка крестовины: Важнейший параметр стрелочного перевода, определяемый как M = 1/N = tg α, где α — угол крестовины, N — целое число; для главных путей применяют крестовины не круче 1/11.
Подвижной сердечник крестовины: Сердечник крестовины, перемещаемый из одного крайнего положения в другое синхронно с переводом остряков; обеспечивает непрерывность поверхности катания и позволяет отказаться от контррельсов (скорости 200—250 км/ч).

Нормативы Нормативные документы

Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (приказ Минтранса России от 23.06.2022 № 250)
Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути (распоряжение ОАО «РЖД» от 14.12.2016 № 2544/р)
Правила назначения ремонтов железнодорожного пути (распоряжение ОАО «РЖД» от 17.11.2021 № 2888/р)
Инструкция по обеспечению безопасности движения поездов при производстве путевых работ (распоряжение ОАО «РЖД» от 14.12.2016 № 2540/р)
ГОСТ Р 51685 «Рельсы железнодорожные» (моменты инерции рельсов Р50, Р65, Р75)
ГОСТ 7392-2014 «Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути»
СП 119.13330.2017 «Железные дороги колеи 1520 мм»
Условия эксплуатации железнодорожных переездов (приказ Минтранса России от 05.10.2022 № 402)

Источники лекции (10)

лекции/ОКЖД л 2 для СЖД.ppt (верхнее строение пути, рельсовая колея, бесстыковой путь, стрелочные переводы)
лекции/ОКЖД л 3 (2).ppt
материалы/Бесстыковой путь.pdf
материалы/Стрел. переводы.pdf
лекции/Презентация Стрел. переводы.pdf
лекции/стрелка.pptx
материалы/Антонов А.Ю. Влияние массы пути на ВСП (дисс., 2026) — типы рельсов и скреплений, моменты инерции, приведённая масса пути, коэффициенты расчёта
лекции/Альбом НБД с 2023 по 2026 год.pptx — примеры неисправностей и нарушений норм содержания пути
черновики/Селятино 27.02.2025 — характеристики пути и стрелочных переводов, средства диагностики
Ефименко Ю.И. Железные дороги. Общий курс: учебник. — СПб., 2013. — 503 с.