Профиль рельса — это форма поперечного сечения железнодорожного рельса , перпендикулярная его длине.
Ранние рельсы делались из дерева, чугуна или кованого железа. Все современные рельсы представляют собой горячекатаную сталь с поперечным сечением (профилем), приближенным к двутавровой балке , но асимметричным относительно горизонтальной оси (однако см. Рельс с желобками ниже). Головка имеет профиль, устойчивый к износу и обеспечивающий хорошую езду, а профиль ножки соответствует системе крепления.
В отличие от некоторых других видов применения железа и стали, железнодорожные рельсы подвергаются очень высоким нагрузкам и изготавливаются из стали очень высокого качества. Потребовалось много десятилетий, чтобы улучшить качество материалов, включая переход от железа к стали. Незначительные дефекты стали, которые не создают проблем при других применениях, могут привести к поломке рельсов и опасному сходу с рельсов при использовании на железнодорожных путях.
По большому счету, чем тяжелее рельсы и остальная часть пути, тем тяжелее и быстрее поезда могут перевозиться по этим путям.
Рельсы составляют значительную часть стоимости железнодорожной линии. Металлургические заводы одновременно производят лишь небольшое количество рельсов небольшого количества размеров, поэтому железная дорога должна выбрать ближайший подходящий размер. Изношенные тяжелые рельсы магистральной линии часто утилизируются и понижаются для повторного использования на ветке , запасном пути или складе .
Самые ранние рельсы, используемые на конных повозках , были деревянными [1] . В 1760-х годах были введены железные рельсы с тонкими чугунными полосами, прикрепленными к верхней части деревянных рельсов. Это увеличило долговечность рельсов. [2] И деревянные, и железные рельсы были относительно недорогими, но могли выдерживать лишь ограниченный вес. Металлические полосы железных рельсов иногда отделялись от деревянного основания и врезались в пол вагонов наверху, образуя так называемую «змеиную голову». Затраты на долгосрочное техническое обслуживание перевесили первоначальную экономию на затратах на строительство. [3] [2]
Чугунные рельсы с вертикальными фланцами были представлены Бенджамином Аутрамом из B. Outram & Co., которая позже стала компанией Butterley Company в Рипли. Вагоны, ходившие по этим рельсам , имели плоский профиль. Партнер Outram Уильям Джессоп предпочитал использовать « краевые рельсы », где колеса были с фланцами, а головки рельсов были плоскими - эта конфигурация оказалась лучше, чем пластинчатые рельсы. Первые краевые рельсы Джессопа (с рыбьим брюхом) были отлиты компанией Butterley Company . [4]
Самыми ранними из них, широко использовавшимися, были так называемые чугунные рельсы «рыбий живот» из-за их формы. Рельсы из чугуна были хрупкими и легко ломались. Их можно было делать только короткой длины, которая вскоре становилась неровной. Патент Джона Биркиншоу 1820 года [5] по мере совершенствования техники прокатки привел к появлению кованого железа большей длины, заменил чугун и внес значительный вклад в взрывной рост железных дорог в период 1825–40 годов. Поперечное сечение сильно различалось от одной линии к другой, но, как показано на схеме, было трех основных типов. Параллельное сечение, появившееся в последующие годы, получило название «бычка» .
Между тем, в мае 1831 года первый фланцевый Т-образный рельс (также называемый Т-образным сечением) прибыл в Америку из Великобритании и был проложен на Пенсильванской железной дороге компанией Camden and Amboy Railroad . Их также использовал Чарльз Виньоль в Великобритании.
Первые стальные рельсы были изготовлены в 1857 году Робертом Форестером Мушетом , который проложил их на станции Дерби в Англии. [6] Сталь — гораздо более прочный материал, который постепенно заменял железо при использовании на железнодорожных рельсах и позволял катать рельсы гораздо большей длины.
Американская ассоциация инженеров железнодорожного транспорта (AREA) и Американское общество по испытанию материалов (ASTM) определили содержание углерода, марганца, кремния и фосфора в стальных рельсах. Прочность на разрыв увеличивается с увеличением содержания углерода, а пластичность снижается. AREA и ASTM определили содержание углерода от 0,55 до 0,77 процента для рельсов плотностью от 70 до 90 фунтов на ярд (от 34,7 до 44,6 кг/м), от 0,67 до 0,80 процента для рельсов весом от 90 до 120 фунтов/ярд (от 44,6 до 59,5 кг). /м) и от 0,69 до 0,82 процента для более тяжелых рельсов. Марганец повышает прочность и устойчивость к истиранию. AREA и ASTM определили содержание марганца от 0,6 до 0,9 процента в рельсах весом от 70 до 90 фунтов и от 0,7 до 1 процента в более тяжелых рельсах. Кремний преимущественно окисляется кислородом, и его добавляют для уменьшения образования разжижающих оксидов металлов при прокатке и литье рельсов. [7] AREA и ASTM указали содержание кремния от 0,1 до 0,23 процента. Фосфор и сера являются примесями, вызывающими хрупкость рельсов и снижение ударопрочности. AREA и ASTM установили максимальную концентрацию фосфора в 0,04 процента. [8]
Использование сварных, а не шарнирных гусениц началось примерно в 1940-х годах и получило широкое распространение к 1960-м годам.
Первые рельсы представляли собой просто куски древесины. Для защиты от износа поверх деревянного рельса была проложена тонкая железная лента. Это позволило сэкономить деньги, поскольку древесина была дешевле металла. У системы был недостаток: время от времени при прохождении колес поезда ремень отрывался от древесины. Впервые о проблеме сообщил Ричард Тревитик в 1802 году. Использование ленточных рельсов в Соединенных Штатах (например, на железной дороге Олбани и Скенектади около 1837 года) привело к тому, что пассажирам угрожали «змеиные головы», когда ремни скручивались и проник в вагоны. [2]
Т-образная направляющая представляла собой развитие направляющей для ремня, которая имела Т-образное поперечное сечение, образованное расширением верхней части ремня в головку. Этот вид железных дорог, как правило, просуществовал недолго: к 1855 году в Америке его прекратили использовать. [9]
Пластинчатый рельс был ранним типом рельсов и имел L-образное поперечное сечение, в котором фланец удерживал колесо без фланца на пути. Рельсы с фланцами немного возродились в 1950-х годах в качестве направляющих в парижском метро ( метро с резиновыми шинами или французское метро sur pneus ), а в последнее время - в виде автобусов с гидом . На автобусной дороге Кембриджшира рельс представляет собой бетонную балку толщиной 350 мм (14 дюймов) с выступом шириной 180 мм (7,1 дюйма), образующим полку. Автобусы ездят на обычных опорных катках с боковыми направляющими колесами, которые прилегают к фланцам. Автобусы управляются нормально, когда они съезжают с автобусной полосы, аналогично фургонам 18-го века, которые можно было маневрировать вокруг ям, прежде чем выйти на путь для дальнего следования.
Мостовой рельс представляет собой рельс с профилем перевернутой U. Его простая форма проста в изготовлении, и он широко использовался до того, как более сложные профили стали достаточно дешевыми, чтобы их можно было производить в больших количествах. Он особенно использовался на Великой Западной железной дороге шириной 7 футов 1/4 дюйма ( 2140 мм ) , спроектированной Исамбардом Кингдом Брюнелем .
Рельс Барлоу был изобретен Уильямом Генри Барлоу в 1849 году. Он был спроектирован для укладки прямо на балласт , но отсутствие шпал (шпал) означало, что его было трудно поддерживать в колеи.
Рельс с плоским дном является доминирующим профилем рельсов, используемым во всем мире.
Фланцевая Т-образная направляющая (также называемая Т-образным сечением) — это название направляющей с плоским дном, используемой в Северной Америке . Деревянные рельсы с железными ремнями использовались на всех американских железных дорогах до 1831 года. Полковник Роберт Л. Стивенс , президент железной дороги Камден и Амбой , задумал, что цельнометаллические рельсы лучше подходят для строительства железной дороги. В Америке не было сталелитейных заводов, способных прокатывать длинные отрезки, поэтому он отплыл в Соединенное Королевство, которое было единственным местом, где можно было прокатывать его Т-образный рельс с фланцами (также называемый Т-образным сечением). Железные дороги Великобритании использовали катаные рельсы других сечений, которые производили металлургические мастера .
В мае 1831 года первые 500 рельсов длиной 15 футов (4,6 м) каждый и весом 36 фунтов на ярд (17,9 кг/м) достигли Филадельфии и были установлены на пути, что ознаменовало первое использование Т-образного рельса с фланцами. Впоследствии Т-образные рельсы с фланцами стали использоваться на всех железных дорогах США.
Полковник Стивенс также изобрел крючковатый шип для крепления рельса к шпале (или шпале). В 1860 году винтовой шип был представлен во Франции, где он получил широкое распространение. [10] Винтовые шипы являются наиболее распространенной формой шипов, используемых во всем мире в 21 веке. [ нужна цитата ]
Рельс Виньоль — это популярное название рельса с плоским дном, в честь инженера Чарльза Виньоля , который представил его в Великобритании . Шарль Виньоль заметил, что изнашивались кованые железные перила и чугунные стулья на каменных блоках - наиболее распространенная система в то время. В 1836 году он рекомендовал рельсы с плоским дном Лондонско -Кройдонской железной дороге , на которой он работал инженером-консультантом. Его оригинальный рельс имел меньшее поперечное сечение, чем рельс Стивенса, с более широким основанием, чем современный рельс, и крепился винтами через основание. Другими линиями, принявшими его, были «Халл и Селби» , «Ньюкасл» и «Норт Шилдс» , а также « Манчестер, Болтон и Бери Канал Навигационная и Железнодорожная Компания». [11]
Когда стало возможным консервировать деревянные шпалы с помощью хлорида ртути (процесс, называемый кианизацией ) и креозота , они стали ездить гораздо тише, чем каменные блоки, и можно было напрямую крепить рельсы с помощью зажимов или рельсовых шипов . Их использование распространилось по всему миру и приобрело имя Виньоля.
Стык, где концы двух рельсов соединяются друг с другом, является самым слабым участком железнодорожной линии. Самые ранние железные рельсы соединялись простой накладкой или металлическим стержнем, прикрепленным болтами к перемычке рельса. Были разработаны более прочные методы соединения двух рельсов. Когда в стык рельса вложено достаточно металла, соединение становится почти таким же прочным, как и остальная длина рельса. Шум, создаваемый поездами, проезжающими по стыкам рельсов, описываемый как «щелканье железнодорожного пути», можно устранить путем сварки секций рельса вместе. Непрерывно-сварной рельс имеет равномерный верхний профиль даже в местах стыков.
В конце 1830-х годов в Британии железнодорожные линии имели самые разные модели. Одной из первых линий, использовавших двуглавый рельс, была Лондонско-Бирмингемская железная дорога , которая предложила приз за лучший дизайн. Этот рельс поддерживался стульями , а головка и основание рельса имели одинаковый профиль. Предполагаемое преимущество заключалось в том, что, когда головка изнашивалась, рельс можно было перевернуть и использовать повторно. На практике эта форма переработки не имела большого успеха, поскольку от стула образовались вмятины на нижней поверхности, а двуглавый рельс превратился в рельс с бычьей головкой, у которого головка была более прочной, чем ножка.
Рельсы Bullhead были стандартом британской железнодорожной системы с середины 19 до середины 20 века. Например, в 1954 году рельсы с бычьим наконечником использовались на 449 милях (723 км) новых путей, а рельсы с плоским днищем - на 923 милях (1485 км). [12] Один из первых британских стандартов , BS 9, был посвящен рельсам с бычьей головкой — он был первоначально опубликован в 1905 году и пересмотрен в 1924 году. Рельсы, изготовленные по стандарту 1905 года, назывались «OBS» (оригинальные), а те, которые были изготовлены, стандарту 1924 года как «RBS» (пересмотренный). [13]
Рельс с бычьей головкой похож на двуглавый рельс, за исключением того, что профиль головки рельса не такой, как профиль подошвы. Рельс Bullhead произошел от двухголового рельса, но, поскольку он не имел симметричного профиля, его никогда не было возможности перевернуть и использовать ножку в качестве головки. Таким образом, поскольку рельсы больше не имели изначально предполагаемого преимущества повторного использования, это был очень дорогой метод прокладки путей. Тяжелые чугунные стулья были необходимы для поддержки поручня, который закреплялся в стульях деревянными (позже стальными) клиньями или «ключами», требовавшими регулярного внимания.
В настоящее время на британских железных дорогах рельсы Bullhead почти полностью заменены рельсами с плоским дном, хотя они сохранились в национальной железнодорожной системе на некоторых подъездных путях или ветках. Его также можно найти на исторических железных дорогах как из-за желания сохранить исторический облик, так и из-за спасения и повторного использования старых компонентов пути с основных линий. В лондонском метрополитене продолжали использовать быковые рельсы после того, как они были прекращены в других местах Великобритании, но в последние несколько лет были предприняты согласованные усилия по переводу путей на рельсы с плоским дном. [14] Однако процесс замены путей в туннелях является медленным процессом из-за невозможности использования тяжелого оборудования и техники.
Если рельс проложен на поверхности дороги (тротуаре) или на покрытых травой поверхностях, должно быть предусмотрено место для фланца. Это обеспечивается пазом, называемым фланцем. Рельс тогда известен как рельс с пазами , рельс с пазами или балочный рельс . Фланец имеет головку рельса с одной стороны и ограждение с другой. Ограждение не несет никакого веса, но может действовать как ограждение.
Рифленый рельс был изобретен в 1852 году Альфонсом Луба , французским изобретателем, который усовершенствовал трамвайное и железнодорожное оборудование и участвовал в строительстве трамвайных линий в Нью-Йорке и Париже. [15] Изобретение рифленых рельсов позволило прокладывать трамвайные пути, не причиняя неудобств другим участникам дорожного движения, за исключением ничего не подозревающих велосипедистов , колеса которых могли застрять в канавке. Канавки могут заполняться гравием и грязью (особенно при нечастом использовании или после периода простоя) и время от времени требуют очистки, причем это делается с помощью «мойки» (либо специализированного трамвая, либо ремонтно-рельсовой дороги) . транспортное средство ). Если не очистить канавки, это может привести к ухабистой езде пассажиров, повреждению колеса или рельса и возможному сходу с рельсов .
Традиционной формой рифленого рельса является секция ограждения балки, показанная слева. Этот рельс представляет собой модифицированную форму рельса с фланцами и требует специального крепления для передачи веса и стабилизации колеи. Если вес переносится подземным слоем проезжей части, для поддержания колеи через регулярные промежутки времени необходимы стальные шпалы. Их установка означает, что всю поверхность необходимо раскопать и восстановить.
Блок-рейка представляет собой низкопрофильную форму ограждения балки без перегородки. В профиле он больше похож на цельную форму мостового рельса с добавленными фланцем и ограждением. Простое удаление перемычки и объединение головной секции непосредственно с нижней секцией приведет к получению слабого рельса, поэтому в объединенной секции потребуется дополнительная толщина. [16]
Современный блочный рельс с дальнейшим снижением массы — это рельс LR55 [17] , который представляет собой полиуретан, залитый в сборную бетонную балку. Его можно установить в канавки траншеи, вырезанной в существующем асфальтовом полотне для легкорельсового транспорта (трамваев). [18]
Вес рельса по длине является важным фактором, определяющим прочность рельса и, следовательно, осевую нагрузку и скорость.
Вес измеряется в фунтах на ярд ( британские единицы используются в Канаде, Великобритании и США) или килограммах на метр (метрические единицы используются в Австралии и континентальной Европе ). 1 кг/м = 2,0159 фунта/ярд.
Обычно в железнодорожной терминологии фунт является метонимом выражения «фунт на ярд» , и, следовательно, рельс весом 132 фунта означает рельс весом 132 фунта на ярд.
Рельсы изготавливаются в большом количестве различных размеров. Некоторые распространенные европейские размеры рельсов включают:
В странах бывшего СССР распространены рельсы плотностью 65 кг/м (131 фунт/ярд) и рельсы плотностью 75 кг/м (151 фунт/ярд) (не термически закаленные). Термически закаленные рельсы плотностью 75 кг/м (151 фунт/ярд) также использовались на железных дорогах большой грузоподъемности, таких как Байкало-Амурская магистраль , но оказались несовершенными в эксплуатации, и от них в основном отказались в пользу рельсов с плотностью 65 кг/м (131 фунт/ярд). ярд) рельсы. [ нужна цитата ]
Американское общество инженеров-строителей (или ASCE) в 1893 году определило профили рельсов с шагом 5 фунтов / ярд (2,5 кг / м) от 40 до 100 фунтов / ярд (от 19,8 до 49,6 кг / м). Высота рельса равнялась ширине стопы для каждого веса Т-образного рельса ASCE; а в профилях указана фиксированная доля веса в головке, перепонке и ножке, составляющая 42%, 21% и 37% соответственно. Профиль ASCE 90 фунтов/ярд (44,6 кг/м) был адекватным; но более тяжелые веса были менее удовлетворительными. В 1909 году Американская железнодорожная ассоциация (или ARA) определила стандартные профили с шагом 10 фунтов / ярд (4,96 кг / м) от 60 до 100 фунтов / ярд (от 29,8 до 49,6 кг / м). Американская ассоциация инженеров железнодорожного транспорта (или AREA) определила стандартные профили для рельсов 100 фунтов/ярд (49,6 кг/м), 110 фунтов/ярд (54,6 кг/м) и 120 фунтов/ярд (59,5 кг/м) в 1919 году для Рельсы 130 фунтов / ярд (64,5 кг / м) и 140 фунтов / ярд (69,4 кг / м) в 1920 году и рельсы 150 фунтов / ярд (74,4 кг / м) в 1924 году. Тенденция заключалась в увеличении высоты рельсов на фут. -Соотношение ширины и усиление полотна. Недостатки более узкой стопы были преодолены за счет использования соединительных пластин . Рекомендации AREA снизили относительный вес головки рельса до 36%, а альтернативные профили снизили вес головки до 33% в более тяжелых рельсах. Внимание также было сосредоточено на улучшенных радиусах скруглений для снижения концентрации напряжений в месте соединения стенки с головкой. AREA рекомендовала профиль ARA 90 фунтов/ярд (44,6 кг/м). [19] Старые рельсы ASCE меньшего веса продолжали использоваться и удовлетворяли ограниченный спрос на легкорельсовый транспорт в течение нескольких десятилетий. В 1997 году AREA объединилась с Американской ассоциацией железнодорожного машиностроения и обслуживания путей .
К середине 20-го века большая часть железнодорожной продукции была средней тяжелой (от 112 до 119 фунтов / ярд или от 55,6 до 59,0 кг / м) и тяжелой (от 127 до 140 фунтов / ярд или от 63,0 до 69,4 кг / м). Железнодорожные рельсы с массой менее 100 фунтов / ярд (49,6 кг / м) обычно предназначены для легких грузов, малоиспользуемых путей или легкорельсового транспорта . Железнодорожные пути с плотностью от 100 до 120 фунтов / ярд (от 49,6 до 59,5 кг / м) предназначены для низкоскоростных грузовых веток или скоростного транспорта ; например, большая часть путей системы метро Нью-Йорка построена из рельсов плотностью 100 фунтов / ярд (49,6 кг / м). [ нужна ссылка ] Главный путь обычно строится из рельсов плотностью 130 фунтов/ярдов (64,5 кг/м) или тяжелее. Некоторые распространенные размеры рельсов в Северной Америке включают: [20]
Некоторые распространенные размеры крановых рельсов в Северной Америке включают:
Некоторые распространенные размеры австралийских рельсов включают:
130-метровый (430 футов) рельс, который станет самой длинной цельной железнодорожной линией в мире, был прокатан на URM, металлургическом заводе Бхилаи (SAIL) 29 ноября 2016 года. [22] В порядке даты и длины:
Сварка рельсов большей длины была впервые введена примерно в 1893 году. Сварку можно выполнять в центральном депо или в полевых условиях.
Давно признано, что конические колеса и рельсы, имеющие одинаковый наклон, лучше повторяют повороты, чем цилиндрические колеса и вертикальные рельсы. Некоторые железные дороги, такие как Queensland Railways, долгое время имели цилиндрические колеса, пока более интенсивное движение не потребовало замены. [25] Цилиндрические гусеницы колес должны «скользить» на поворотах пути, что увеличивает как сопротивление, так и износ рельсов и колес. На очень прямой трассе цилиндрический протектор колеса катится более свободно и не «охотится». Ширина колеи слегка сужена, а галтели фланцев не позволяют фланцам тереться о рельсы. Практика в США составляет 1 из 20 конусов, когда они новые. По мере износа протектор приближается к неровному цилиндрическому протектору, после чего колесо правят на токарном станке или заменяют. [ нужна цитата ]
Рельсы изготавливаются из высококачественной стали, а не в больших количествах по сравнению с другими видами стали, поэтому количество производителей в одной стране обычно ограничено.