Профиль рельса — это форма поперечного сечения железнодорожного рельса , перпендикулярная его длине.
Ранние рельсы изготавливались из дерева, чугуна или кованого железа. Все современные рельсы изготавливаются из горячекатаной стали с поперечным сечением (профилем), приближенным к двутавровой балке , но асимметричным относительно горизонтальной оси (однако см. рифленый рельс ниже). Головка профилирована для сопротивления износу и обеспечения хорошего хода, а подошва профилирована для соответствия системе крепления.
В отличие от некоторых других применений 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 могут не вызывать проблем в других применениях, могут привести к поломке рельсов и опасным сходам с рельсов при использовании на железнодорожных путях.
В целом, чем тяжелее рельсы и остальная часть пути, тем тяжелее и быстрее могут проходить поезда по этим путям.
Рельсы составляют существенную часть стоимости железнодорожной линии. Только небольшое количество размеров рельсов производится сталелитейными заводами одновременно, поэтому железная дорога должна выбрать ближайший подходящий размер. Изношенные, тяжелые рельсы с главной линии часто восстанавливаются и понижаются в классе для повторного использования на ветке , подъездном пути или сортировочной станции .
Самые ранние рельсы, используемые на конных повозках, были деревянными. [1] В 1760-х годах были введены рельсы из полосового железа с тонкими полосами чугуна, закрепленными на верхней части деревянных рельсов. Это увеличило долговечность рельсов. [2] Как деревянные, так и полосовые рельсы были относительно недорогими, но могли выдерживать лишь ограниченный вес. Металлические полосы полосовых рельсов иногда отделялись от деревянного основания и впивались в пол вагонов наверху, создавая то, что называлось «головой змеи». Долгосрочные расходы на техническое обслуживание перевешивали первоначальную экономию на строительных расходах. [3] [2]
Чугунные рельсы с вертикальными фланцами были введены Бенджамином Аутрамом из B. Outram & Co., которая позже стала компанией Butterley Company в Рипли. Вагоны, которые ходили по этим рельсам , имели плоский профиль. Партнер Аутрама Уильям Джессоп предпочитал использовать « рельсы с ребрами », где колеса имели фланцы, а головки рельсов были плоскими — эта конфигурация оказалась лучше, чем у рельсов с ребрами. Первые рельсы с ребрами Джессопа (рыбьи животы) были отлиты компанией Butterley Company . [4]
Самыми ранними из них, которые получили широкое распространение, были так называемые чугунные рельсы типа «рыбье брюхо » из-за их формы. Рельсы, изготовленные из чугуна, были хрупкими и легко ломались. Их можно было изготавливать только короткими отрезками, которые вскоре становились неровными. Патент Джона Биркиншоу 1820 года [5] по мере совершенствования методов прокатки ввел кованое железо большей длины, заменив литой чугун и внес значительный вклад в взрывной рост железных дорог в период 1825–1840 годов. Поперечное сечение сильно различалось от одной линии к другой, но было трех основных типов, как показано на схеме. Параллельное поперечное сечение, которое появилось в более поздние годы, называлось bullhead .
Тем временем, в мае 1831 года, в Америку из Британии прибыла первая фланцевая T-образная рельса (также называемая T-образной секцией) и была проложена на Пенсильванской железной дороге компанией Camden and Amboy Railroad . Они также использовались Чарльзом Виньолесом в Британии.
Первые стальные рельсы были изготовлены в 1857 году Робертом Форестером Мюшетом , который уложил их на станции Дерби в Англии. [6] Сталь — гораздо более прочный материал, который постепенно заменил железо в производстве железнодорожных рельсов и позволил катать гораздо более длинные рельсы.
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 растяжение увеличивается с содержанием углерода, а пластичность уменьшается. AREA и ASTM указали 0,55–0,77 процента углерода в рельсах весом от 70 до 90 фунтов на ярд (от 34,7 до 44,6 кг/м), 0,67–0,80 процента в рельсах весом от 90 до 120 фунтов/ярд (от 44,6 до 59,5 кг/м) и 0,69–0,82 процента для более тяжелых рельсов. Марганец повышает прочность и устойчивость к истиранию. AREA и ASTM указали 0,6–0,9 процента марганца в рельсах весом от 70 до 90 фунтов и 0,7–1 процента в более тяжелых рельсах. Кремний преимущественно окисляется кислородом и добавляется для уменьшения образования ослабляющих оксидов металла в процессе прокатки и литья рельсов. [7] AREA и ASTM указали от 0,1 до 0,23 процента кремния. Фосфор и сера являются примесями, вызывающими хрупкость рельсов с пониженной ударопрочностью. AREA и ASTM указали максимальную концентрацию фосфора 0,04 процента. [8]
Использование сварных, а не сочлененных рельсов началось примерно в 1940-х годах и получило широкое распространение к 1960-м годам.
Самые ранние рельсы представляли собой просто куски древесины. Чтобы противостоять износу, поверх деревянного рельса укладывалась тонкая железная полоса. Это экономило деньги, поскольку древесина была дешевле металла. У системы был недостаток: время от времени прохождение колес поезда приводило к тому, что полоса отрывалась от древесины. Впервые об этой проблеме сообщил Ричард Тревитик в 1802 году. Использование ременных 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 проникали в вагоны. [2]
T-рельс был развитием ленточного рельса, который имел сечение в форме буквы «Т», образованное путем расширения верхней части ремня в головку. Эта форма рельса, как правило, была недолговечной и была постепенно снята с производства в Америке к 1855 году. [9]
Рельсовая пластина была ранним типом рельса и имела поперечное сечение в форме буквы «L», в котором фланец удерживал колесо без фланца на пути. Рельсовая пластина пережила небольшое возрождение в 1950-х годах в качестве направляющих полос в парижском метро ( метро на резиновых шинах или по-французски Métro sur pneus ), а в последнее время — в качестве направляющего автобуса . В Кембриджширском направляемом автобусном пути рельс представляет собой бетонную балку толщиной 350 мм (14 дюймов) с кромкой 180 мм (7,1 дюйма) для формирования фланца. Автобусы ездят на обычных дорожных колесах с боковыми направляющими колесами для движения по фланцам. Автобусы управляются нормально, когда они не находятся на автобусном пути, аналогично вагонам 18-го века, которые могли маневрировать вокруг шахтных надстроек перед тем, как присоединиться к пути для более длительной перевозки.
Мостовой рельс — это рельс с перевернутым U-образным профилем. Его простая форма проста в изготовлении, и он широко использовался до того, как более сложные профили стали достаточно дешевыми для массового производства. Он был особенно широко использован на железнодорожной колее Great Western Railway шириной 7 футов 1⁄4 дюйма ( 2140 мм ) , спроектированной Изамбардом Кингдомом Брюнелем .
Рельс Барлоу был изобретен Уильямом Генри Барлоу в 1849 году. Он был разработан для укладки прямо на балласт , но отсутствие шпал означало, что было трудно поддерживать его в нужном положении.
Плоскодонный рельс является доминирующим профилем рельсов во всем мире.
Рельс с фланцем (также называемый Т-образным сечением) — это название рельса с плоским дном, используемого в Северной Америке . Деревянные рельсы с железными полосами использовались на всех американских железных дорогах до 1831 года. Полковник Роберт Л. Стивенс , президент железной дороги Камдена и Амбоя , задумал, что полностью железный рельс лучше подойдет для строительства железной дороги. В Америке не было сталелитейных заводов, способных прокатывать длинные рельсы, поэтому он отправился в Соединенное Королевство, которое было единственным местом, где можно было прокатать его рельс с фланцем (также называемый Т-образным сечением). Железные дороги в Великобритании использовали прокатные рельсы других сечений, которые производили металлурги .
В мае 1831 года первые 500 рельсов, каждый длиной 15 футов (4,6 м) и весом 36 фунтов на ярд (17,9 кг/м), достигли Филадельфии и были уложены в путь, что ознаменовало первое использование ребордного рельса T. Впоследствии ребордный рельс T стал использоваться на всех железных дорогах Соединенных Штатов.
Полковник Стивенс также изобрел крючкообразный костыль для крепления рельса к шпале . В 1860 году шурупный костыль был представлен во Франции, где он широко использовался. [10] Шурупные костыли являются наиболее распространенной формой костыля, используемой во всем мире в 21 веке. [ необходима цитата ]
Рельс Виньоля — популярное название рельса с плоским дном, названное в честь инженера Чарльза Виньоля, который представил его в Британии . Чарльз Виньоля заметил, что износ происходит с рельсами из кованого железа и чугунными стульями на каменных блоках, наиболее распространенной системой в то время. В 1836 году он рекомендовал рельс с плоским дном для железной дороги Лондона и Кройдона , для которой он был инженером-консультантом. Его оригинальный рельс имел меньшее поперечное сечение, чем рельс Стивенса, с более широким основанием, чем современный рельс, закрепленным винтами через основание. Другими линиями, которые приняли его, были Халл и Селби , Ньюкасл и Норт-Шилдс , а также Манчестерская, Болтонская и Бери Канальная Навигационная и Железнодорожная Компания. [11]
Когда стало возможным консервировать деревянные шпалы с помощью хлорида ртути (процесс, называемый кианизацией ) и креозота , они стали гораздо тише, чем каменные блоки, и стало возможным крепить рельсы напрямую с помощью зажимов или рельсовых костылей . Их использование, а также имя Виньоля, распространились по всему миру.
Стык, в котором концы двух рельсов соединяются друг с другом, является самой слабой частью рельсовой линии. Самые ранние железные рельсы соединялись простой накладкой или металлическим бруском, прикрученным болтами через шейку рельса. Были разработаны более прочные методы соединения двух рельсов. Когда в стык рельсов помещается достаточное количество металла, стык становится почти таким же прочным, как и остальная часть рельса. Шум, создаваемый поездами, проходящими по стыкам рельсов, описываемый как «щелкающий щелк железнодорожного пути», можно устранить, сварив секции рельсов вместе. Непрерывно сварной рельс имеет однородный верхний профиль даже на стыках.
В конце 1830-х годов на британских железных дорогах использовался ряд различных моделей рельсов. Лондонская и Бирмингемская железная дорога , которая предложила приз за лучший дизайн, была одной из первых линий, использовавших двухголовые рельсы, где головка и подошва рельса имели одинаковый профиль. Эти рельсы поддерживались стульями, прикрепленными к шпалам. [12]
Преимущество двухголовых рельсов заключалось в том, что когда головка рельса изнашивалась, их можно было перевернуть и использовать повторно. В 1835 году Питер Барлоу из Лондонской и Бирмингемской железной дороги выразил обеспокоенность тем, что это не будет успешным, поскольку поддерживающее кресло вызовет вмятины на нижней поверхности рельса, делая ее непригодной в качестве рабочей поверхности. Хотя Великая Северная железная дорога действительно столкнулась с этой проблемой, двухголовые рельсы успешно использовались и переворачивались Лондонской и Юго-Западной железной дорогой , Северо-Восточной железной дорогой , Лондонской, Брайтонской и Южно-Костной железной дорогой и Юго-Восточной железной дорогой . Двухголовые рельсы продолжали широко использоваться в Великобритании вплоть до Первой мировой войны . [12]
Рельс Bullhead был разработан на основе рельса с двойной головкой. [ требуется цитата ] Профиль головки рельса не совпадает с профилем подошвы. Поскольку у него нет симметричного профиля, было невозможно перевернуть рельс bullhead и использовать подошву в качестве головки. Это был дорогой метод укладки пути, поскольку для поддержки рельса требовались тяжелые чугунные стулья , которые крепились в стульях деревянными (позже стальными) клиньями или «ключами», что требовало регулярного внимания.
Рельсы Bullhead были стандартом для британской железнодорожной системы с середины 19-го до середины 20-го века. В 1954 году рельсы bullhead использовались на 449 милях (723 км) новых путей, а рельсы flat-done на 923 милях (1485 км). [13] Один из первых британских стандартов , BS 9, был для рельсов bullhead — он был первоначально опубликован в 1905 году и пересмотрен в 1924 году. Рельсы, изготовленные по стандарту 1905 года, назывались «OBS» (оригинал), а изготовленные по стандарту 1924 года — «RBS» (пересмотренный). [14]
Рельсы Bullhead были почти полностью заменены рельсами с плоским дном в британской железнодорожной системе, хотя они сохранились на некоторых ответвлениях и подъездных путях . Их также можно найти на исторических железных дорогах , как из-за желания сохранить исторический облик, так и из-за использования старых компонентов пути, спасенных с основных линий. Лондонское метро продолжало использовать рельсы bullhead после того, как они были постепенно выведены из эксплуатации в других местах Великобритании, но в последние несколько лет были предприняты согласованные усилия по их замене рельсами с плоским дном. [15] Однако процесс замены путей в туннелях идет медленно из-за сложности использования тяжелого оборудования и техники.
Если рельс укладывается на дорожное покрытие (тротуар) или на травянистые поверхности, необходимо предусмотреть место для фланца. Это обеспечивается щелью, называемой фланцевым рельсом. Рельс в таком случае называется желобчатым рельсом , пазовым рельсом или балочным рельсом . У фланцевого рельса с одной стороны находится головка рельса, а с другой — защитное ограждение. Защитное ограждение не несет веса, но может действовать как контрольный рельс.
Желобчатый рельс был изобретен в 1852 году Альфонсом Луба , французским изобретателем, который разработал усовершенствования в трамвайном и рельсовом оборудовании и помог разработать трамвайные линии в Нью-Йорке и Париже. [16] Изобретение желобчатого рельса позволило прокладывать трамвайные пути, не создавая неудобств другим участникам дорожного движения, за исключением ничего не подозревающих велосипедистов , колеса которых могли застрять в желобке. Жёлобки могут забиваться гравием и грязью (особенно если они используются нечасто или после периода простоя) и время от времени нуждаются в очистке, которую выполняет «очистительное» транспортное средство (либо специализированный трамвай, либо ремонтное дорожно-рельсовое транспортное средство ). Невыполнение очистки желобков может привести к ухабистой езде для пассажиров, повреждению колеса или рельса и возможному сходу с рельсов .
Традиционная форма рифленого рельса — это секция ограждения балки, показанная слева. Этот рельс представляет собой модифицированную форму фланцевого рельса и требует специального крепления для переноса веса и стабилизации колеи. Если вес несет подпочва дороги, стальные шпалы необходимы на регулярных интервалах для поддержания колеи. Их установка означает, что всю поверхность необходимо выкопать и восстановить.
Блок-рельс — это более низкопрофильная форма ограждения балки с удаленной стенкой. В профиле он больше похож на сплошную форму мостового рельса с добавленными фланцем и ограждением. Простое удаление стенки и объединение головной части непосредственно с нижней частью приведет к получению слабого рельса, поэтому в объединенной секции требуется дополнительная толщина. [17]
Современный блок-рельс с еще большим снижением массы — это рельс LR55 [18] , который представляет собой полиуретановую заливку в сборную бетонную балку. Его можно устанавливать в траншейных канавках, вырезанных в существующем асфальтовом дорожном полотне для легкорельсового транспорта (трамваев). [19]
Вес рельса на единицу длины является важным фактором, определяющим прочность рельса и, следовательно, осевые нагрузки и скорости.
Вес измеряется в фунтах на ярд ( имперские единицы в Канаде, Великобритании и США) и в килограммах на метр в континентальной Европе и Австралии . 1 кг/м = 2,0159 фунта/ярд.
Обычно в железнодорожной терминологии фунт является метонимом выражения «фунты на ярд» , и, следовательно, 132-фунтовый рельс означает рельс весом 132 фунта на ярд.
Рельсы производятся в большом количестве различных размеров. Некоторые распространенные европейские размеры рельсов включают:
В странах бывшего СССР распространены рельсы 65 кг/м (131 фунт/ярд) и 75 кг/м (151 фунт/ярд) (нетермически закаленные). Термически закаленные рельсы 75 кг/м (151 фунт/ярд) также использовались на железных дорогах большой грузоподъемности, таких как Байкало-Амурская магистраль , но оказались неэффективными в эксплуатации и были в основном отвергнуты в пользу рельсов 65 кг/м (131 фунт/ярд). [ необходима цитата ]
Американское общество инженеров-строителей (или ASCE) в 1893 году [20] определило профили рельсов для приращений 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 подошвы для каждого веса таврового рельса ASCE; и профили указывали фиксированную пропорцию веса в головке, шейке и подошве 42%, 21% и 37% соответственно. Профиль ASCE 90 фунтов/ярд (44,6 кг/м) был достаточным; но более тяжелые веса были менее удовлетворительными. В 1909 году Американская железнодорожная ассоциация (или ARA) определила стандартные профили для приращений 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 (AREA) определила стандартные профили для рельсов весом 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 рельсов весом 130 фунтов/ярд (64,5 кг/м) и 140 фунтов/ярд (69,4 кг/м) в 1920 году и для рельсов весом 150 фунтов/ярд (74,4 кг/м) в 1924 году. Тенденция заключалась в увеличении соотношения высоты рельса к ширине подошвы и укреплении шейки. Недостатки более узкой подошвы были преодолены за счет использования подкладок . Рекомендации AREA снизили относительный вес головки рельса до 36%, в то время как альтернативные профили снизили вес головки до 33% в более тяжелых рельсах. Внимание также было сосредоточено на улучшении радиусов скругления для снижения концентрации напряжений в месте соединения стенки с головкой. AREA рекомендовала профиль ARA 90 фунтов/ярд (44,6 кг/м). [21] Старые рельсы ASCE более легкого веса оставались в употреблении и удовлетворяли ограниченный спрос на легкорельсовый транспорт в течение нескольких десятилетий. AREA объединилась с Американской ассоциацией по железнодорожному машиностроению и обслуживанию путей в 1997 году.
К середине 20-го века большая часть рельсового производства была среднетяжелой (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). Рельсы размером менее 100 фунтов/ярд (49,6 кг/м) обычно предназначены для легких грузовых перевозок, малоиспользуемых путей или легкорельсового транспорта . Путь с использованием рельсов весом от 100 до 120 фунтов/ярд (49,6 до 59,5 кг/м) предназначен для грузовых веток с низкой скоростью или скоростного транспорта ; например, большая часть путей системы метрополитена Нью-Йорка построена с использованием рельсов весом 100 фунтов/ярд (49,6 кг/м). [ необходима цитата ] Магистральный путь обычно строится с использованием рельсов весом 130 фунтов/ярд (64,5 кг/м) или тяжелее. Некоторые распространенные размеры рельсов в Северной Америке включают: [22]
Некоторые распространенные размеры крановых рельсов в Северной Америке включают:
Некоторые распространённые размеры австралийских рельсов включают:
Достижения в области длины рельсов, производимых прокатными станами, включают следующее:
Сварка рельсов в более длинные отрезки впервые была внедрена около 1893 года. Сварку можно выполнять в центральном депо или в полевых условиях.
Давно известно, что конические колеса и рельсы, наклоненные на ту же величину, лучше следуют кривым, чем цилиндрические колеса и вертикальные рельсы. Несколько железных дорог, таких как Queensland Railways, долгое время имели цилиндрические колеса, пока более интенсивное движение не потребовало замены. [28] Цилиндрические протекторы колес должны «скользить» на кривых пути, поэтому увеличивают как сопротивление, так и износ рельсов и колес. На очень прямом пути цилиндрический протектор колеса катится более свободно и не «рыскает». Колея слегка сужена, а выступы фланцев не дают фланцам тереться о рельсы. Практика Соединенных Штатов — 1 из 20 конусов, когда они новые. По мере износа протектор приближается к неравномерно цилиндрическому протектору, и в это время колесо правят на колесном токарном станке или заменяют. [ требуется ссылка ]
{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )