Железнодорожный путь на прямых участках и в кривых

Рельсовая колея образуется двумя рельсовыми нитями, установленными на определенном расстоянии друг от друга и прикрепленными к шпалам, брусьям или плитам. Ширина рельсовой колеи - это расстояние между внутренними гранями головок рельсов, измеряемое на расстоянии 13 мм ниже их поверхности катания (на уровне контакта гребня колеса с головкой рельса).

На железных дорогах нашей страны ширина колеи на прямых участках пути и в кривых радиусом 350 м и более установлена 1520 мм. Из-за невозможности обеспечить абсолютно точную ширину колеи при сборке рельсо-шпальной решетки и неизменность ее в процессе эксплуатации установлены допуски ширины колеи в бóльшую строну до +8 мм и в меньшую до -4 мм. На участках со скоростями движения до 50 км/ч уширение колеи допускается до +10 мм. Таким образом, нормальная ширина колеи считается от 1516 до 1528 (1530) мм (п.9 Приложения № 1 к ПТЭ).

Ширина рельсовой колеи соответствует конструкции ходовых частей подвижного состава. Колесные пары вагонов и локомотивов состоят из двух колес, жестко соединенных с осью. Расстояние между внутренними гранями колес колесной пары называется насадкой и должно выдерживаться у ненагруженной колесной пары в пределах 1440±3 мм при скоростях движения до 120 км/ч и 1440 +3, -1 мм при скоростях движения более 120 км/ч (п.13 Приложения № 5 к ПТЭ). Колеса колесной пары имеют гребни толщиной 33…25 мм, обеспечивающие удержание колес на рельсах и направляющие их движение. Расстояние между рабочими гранями гребней колес называется шириной колесной пары. Поверхности катания колес колесной пары, непосредственно соприкасающиеся с рельсами, имеют коническую поверхность с уклоном в средней части 1:20, что препятствует возникновению "виляния" колесной пары, следующей по горизонтальной поверхности рельса, и улучшает прохождение колесными парами кривых участков пути.

Чтобы колесная пара с самой широкой насадкой (1443 мм) и самой большой толщиной гребня (33 мм) могла поместиться внутри колеи, колея должна иметь размер 1443 + 2 х 33 = 1509 мм, но при этом колесная пара будет зажата (заклинена) между рельсами. Для исключения такого заклинивания минимально допустимую ширину колеи устанавливают несколько больше этого значения - 1512 мм. При минимальных зазорах между рельсами и гребнями колес движение экипажа происходит более плавно. При увеличенном зазоре усиливается раскачивание и виляние экипажа, происходит увеличенный износ пути. При ширине колеи 1548 мм и более появляется явная опасность проваливания колесной пары внутрь колеи по причине бокового отжатия рельсов конусными поверхностями катания колес.

На прямых участках пути рельсы устанавливают не вертикально, а с подуклонкой навстречу друг другу (внутрь колеи), обеспечивающей равномерную передачу давления от конических поверхностей колес на рельсы. Верх головок рельсов в прямых участках пути должен быть в одном уровне (п.10 Приложения № 1 к ПТЭ). Разрешается на прямых участках пути на всем протяжении содержать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой для повышения плавности хода за счет небольшого прижатия колесных пар гребнями к пониженной нити и, как следствие, уменьшения виляния экипажа.

В кривых участках работа пути сложнее, чем в прямых, так как при их прохождении подвижным составом появляются дополнительные силы (например, центробежная), отрицательно сказывающиеся на поведении подвижного состава и его воздействии на путь. Кроме того, глухая насадка колес на ось, параллельность осей и жесткая база тележек (неизменное расстояние между осями) ухудшают вписывание экипажа в кривые малых радиусов.

Железнодорожный путь в кривых имеет следующие особенности:

• уширение колеи в кривых малых радиусов (менее 350 м);
• возвышение наружной рельсовой нити относительно внутренней;
• укладка укороченных рельсов на внутренних нитях кривых;
• уширение междупутий.

Вписывание в кривые ходовых частей подвижного состава может быть свободным и заклиненным. При наличии увеличенного зазора между гребнями колес и головками рельсов происходит свободное вписывание в кривую жесткой базы экипажа. При таком вписывании гребень одного из колес передней по ходу движения колесной пары прижат к наружной рельсовой нити, а гребень одного из колес задней колесной пары прижат к внутренней рельсовой нити. В этом случае жесткая база располагается в рельсовой колее относительно свободно и не создает повышенного сопротивления движению. При заклиненном вписывании, когда зазаоры между гребнями колес и рельсовыми нитями минимальны, наружные колеса упираются гребнями в наружную нить, а внутренние - во внутреннюю. Это сопровождается увеличением сопротивления движению из-за повышенного трения, что приводит к интенсивному износу гребней колес и рельсов.

Уширение колеи в кривых малых радиусов необходимо для предотвращения заклинивания колесных пар подвижного состава с длинной жесткой базой (расстоянием между центрами крайних осей одной тележки). При отсутствии уширения исчезает необходимый зазор между рельсами и гребнями колес из-за жесткой посадки колесных пар в раме тележки, что вызывает повышенное сопротивление движению, увеличивает износ рельсов и колес и может привести к заклиниванию колесных пар. Согласно п.9 Приложения № 1 к ПТЭ колея в кривых радиусом от 349 до 300 м уширяется до 1530 мм, а в кривых радиусом 299 м и менее - до 1535 мм. Уширение колеи производится за счет смещения внутреннего рельса к центру кривой. Переход от нормальной колеи к уширенной и наоборот делают в пределах переходной кривой.

При движении экипажа по кривой возникает центробежная сила, направленная наружу от центра кривой. Если рельсы обеих нитей расположены в одном уровне, возникает дополнительное воздействие колес на наружную рельсовую нить, что сильно изнашивает рельсы этой нити и может привести к поперечному сдвигу наружного рельса и опасному уширению колеи. Кроме того возникает центробежное ускорение, величина которого тем больше, чем больше скорость движения поезда и чем меньше радиус кривой. Это ускорение вызывает крен кузова подвижной единицы, что отрицательно сказывается на комфорте пассажиров и устойчивости перевозимых грузов.

Чтобы компенсировать действие на подвижной состав центробежной силы, в кривых радиусом 4000 м и меньше устраивают возвышение наружного рельса относительно внутреннего. В этом случае экипаж наклоняется к центру кривой и центростремительная сила (H) наклона компенсирует центробежную силу (I), что выравнивает воздействие экипажа на оба рельса и ограничивает боковой наклон подвижных единиц. Величина возвышения (h) определяется исходя из величины радиуса кривой, средней скорости движения и веса поездов и принимается в пределах от от 10 до 150 мм.

На кривых участках пути радиус наружной рельсовой нити больше радиуса внутренней на величину ширины колеи, соответственно, наружная рельсовая нить получается длиннее внутренней. Чтобы число рельсов в звеньях обеих нитей было одинаковым и рельсовые стыки находились напротив друг друга (располагались «по наугольнику»), как это принято на наших железных дорогах, производится укладка укороченных рельсов во внутреннюю рельсовую нить, начиная с переходных кривых. Для одной и той же длины кривой по наружной рельсовой нити укорочение внутренней рельсовой нити зависит от радиуса кривой. Для укладки во внутреннюю рельсовую нить выпускают несколько типов укроченных рельсов: на 40 мм, на 80 мм и на 120 мм - для рельсов длиной 12,5 м и на 80 мм и на 160 мм - для рельсов длиной 25 м. Число укороченных рельсов и порядок их укладки определяют по специальным таблицам.

Расстояния между осями смежных путей на двухпутных и многопутных линиях устанавливаются исходя из соблюдения требований габарита, обеспечения безопасности движения и определяются требованиями п. 20 Главы IV ПТЭ.

Расстояние между осями смежных путей на прямых участках должно быть не менее:

• на перегонах двухпутных линий - 4100 мм;
• на трехпутных и четырехпутных линиях между осями второго и третьего путей - 5000 мм;
• на путях железнодорожных станций - 4800 мм;
• на второстепенных путях железнодорожных станций и путях грузовых районов - 4500 мм.

При движении по кривым участкам пути концы подвижных единиц выносит наружу кривой, а середину - к центру кривой, вследствие чего происходит боковое сближение подвижных единиц, следующих по соседним путям. Кроме того, при возвышении наружной рельсовой нити относительно внутренней происходит уменьшение расстояний между верхними частями подвижных единиц в вертикальной плоскости.

Для исключения возможности опасного бокового сближения подвижных единиц и обеспечения безопасного расстояния между подвижным составом, одновременно движущимся по соседним путям, расстояние между осями смежных путей, а, следовательно, и ширину междупутий в кривых участках увеличивают на величину от 20 до 550 мм в зависимости от радиуса кривой в соответствии с нормами и правилами.

Изменяют ширину междупутий двумя способами: за счет сдвижки на необходимую величину одного из путей на прямом участке и за счет сдвижки внутреннего пути в переходной кривой. В первом случае перед переходной кривой укладывают дополнительную S-образную кривую. Однако устройство дополнительных кривых является нежелательным, в связи с чем предпочтение отдается второму способу: переходные кривые по внутреннему пути устраивают более длинными, чем по наружному, чтобы разница сдвижек круговых кривых была равна требуемому уширению междупутья.