Рельсовые стыки и стыковые скрепления

Места соединения примыкающих друг к другу концов соседних рель­сов и образования непрерывной рельсовой нити называют рельсовыми стыками.

Рельсовый стык — место соединения концов рельсов в рельсовую нить сваркой, склеиванием или с помощью стыковых накладок и болтов. Сварными рельсовыми стыками условно называются места сварки рель­сов в бесстыковые рельсовые плети. В клееболтовых стыках накладки приклеиваются к рельсам и стягиваются болтами. В болтовых стыках между концами рельсов, перекрытых накладками, оставляют зазоры. Конструкция рельсового стыка должна удовлетворять трем основ­ным требованиям:

• воспринимать изгибающий момент и поперечную силу в пределах стыка, что обеспечивает плотность скрепления, чтобы элементы стыка были прочными, не смещались и не скользили один относительно дру­гого при работе стыка;
• допускать продольные перемещения концов рельсов в стыке при изменении длины рельса вследствие колебаний его температуры. Это требование вызывает необходимость определенной свободы перемеще­ний концов рельсов относительно стыковых скреплений;

обеспечить возможность изготовления деталей стыка одним из спо­собов массового изготовления — прокаткой, штамповкой или литьем.

При этом необходимо обеспечить плотность прилегания рабочих гра­ней накладки к низу головки и к верху подошвы рельсов в стыке при допускаемых стандартами отклонениях в размерах элементов — по высо­те шейки рельса (+0,3;—4) мм, по ширине подошвы рельса (+1; —1,5) мм, высоте накладки (±0,5) мм и по толщине накладки (±0,75) мм.

Эти требования оказались столь сложными и противоречивыми, что за всю почти 200-летнюю историю железнодорожного транспорта не уда­лось создать конструкцию стыка, которая удовлетворяла бы одновре­менно всем этим требованиям.

Основные виды стыков и особенности их работы

Под катящимся колесом рельсовая нить упруго прогибается. При ис­правном пути, одинаковых по размерам, типу и состоянию шпалах, рав­номерном расположении и одинаковой их подбивке, одинаковом по ка­честву и толщине балласте и здоровом земляном полотне упругий прогиб рельса должен быть одинаков по всей длине рельса, если колесо действу­ет на путь с постоянной силой. В этих условиях траектория точки каса­ния колеса с рельсом представляет собой примерно прямую линию.

Стыковые скрепления должны обеспечить прямолинейную траек­торию и в зоне стыка. Однако обеспечить это не удается, так как из-за разрыва непрерывности рельсовой нити нагрузка от колеса в стыке вос­принимается накладками, момент инерции которых меньше момента инер­ции рельса вне стыка. В стыке траектория точки контакта колеса с рельсом имеет перелом, вследствие чего создаются ударно-динамические силы и повышенное воздействие на путь в этой зоне.

В рельсовом стыке на весу под воздействием колеса каждая наклад­ка работает как балка, опирающаяся по концам на подошву рельса и нагруженная в средней части нажатием граней головок концов рельсов.

Концы рельсов в стыке работают в основном.как консоли, свешиваю­щиеся в стыковой пролет за стыковые шпалы. Это вызывает взаимное скольжение и истирание рабочих граней накладок и поверхностей го­ловки и подошвы рельсов, к которым они прилегают.

Концы рельсов в стыках, прогибаясь под нагрузкой, образуют угол, поэтому колеса ударяются о поверхность принимающего конца рельса под небольшим углом к вертикали. Горизонтальная составляющая этих сил создает угоняющую силу в направлении движения, тем большую, чем больше нагрузка от колеса. Одно это не могло бы вызвать заметного угона рельсов (те. продольного перемещения рельсов под колесами про­ходящего поезда), так как принимающие концы рельса прижимаются набежавшими колесами.

Угон от ударов в стыках происходит, в основном, потому, что рельсо­вая нить при ударе встряхивается и имеющиеся в принимающем рельсе температурные напряжения получают частичную разрядку, в результате чего рельс изменяет длину и противоположный незажатый его конец немного проскальзывает вперед.

Ударное взаимодействие колеса и рельса в зоне стыка, повышенный износ элементов стыка, смятие концов рельсов и вызываемые всем этим повышенные расходы на текущее содержание пути; необходимость иметь многодетальную (накладки, болты, шайбы и пр.) периодически повторяющуюся (и чем меньше длина рельса, тем чаще повторяющую­ся) конструкцию стыка — все это и привело к стремлению не только сократить число стыков, увеличив длину рельсов, но и совсем ликвиди­ровать рельсовый стык.

По расположению рельсовых опор (шпал, брусьев) в болтовых сты­ках относительно концов рельсов различают (рис. 2.20) стыки на весу, когда стык расположен в пролете между шпалами и расстояние между ними достаточно для подбивки каждой из них с обеих сторон, и на сдво­енных шпалах, когда обе стыковые шпалы сближены до соприкоснове­ния и стянуты болтами.

В стыке на весу под нагрузкой колеса каждая накладка работает как балка, опирающаяся по концам на подошву рельса и нагруженная в сред­ней части нажатием на головки рельсов. Основное преимущество сты­ка на весу — его большая упругость и меньшее кантование стыковых шпал; недостаток — более высокие напряжения в элементах стыка.

При стыке на сдвоенных шпалах работа накладок и рельсовых концов облегчена в сравнении с работой их при стыке на весу. Основное пре­имущество стыка на сдвоенных шпалах — меньший прогиб рельсовой нити и меньшие напряжения в элементах стыка, в первую очередь — в наклад­ках. Это преимущество используют при устройстве изолирующих сты­ков с металлическими накладками уменьшенного поперечного сечения; недостаток — сравнительно большая жесткость стыка и трудность вып­равки сдвоенных шпал. Стандартным стыком принят стык на весу с рас­стоянием между осями шпал 420 мм при рельсах Р75 и Р65 и 440 мм при рельсах Р50.

По относительному расположению стыков на одной и другой рель­совых нитях различают стыки по наугольнику, т.е. в одном створе по обе­им нитям, и вразбежку, когда стык на одной нити не находится против стыка на другой (рис. 2.21).

На сети отечественных дорог принято расположение стыков по на­угольнику, при котором обеспечивается достаточная плавность хода поездов, создаются лучшие условия для изоляции участков автоблоки­ровки, а также для укладки и снятия путевой решетки целыми звеньями механизированным способом при постройке и ремонтах железнодорож­ного пути. Для компенсации изменений длин.рельсов при колебаниях их температур между концами смежных рельсов устраивают стыковой рельсо­вый зазор. Конструктивный стыковой зазор составляет 21 мм.

Номинальные значения стыко­вых зазоров по климатическим реги­онам (длина рельсов 25 м, диаметр отверстий в рельсах 36 мм) приведе­ны в табл. 2.16.

Зазоры в стыке рельсов длиной 25 м не должен превышать 22 мм при диаметре отверстий в рельсах 36 мм и 24 мм при диаметре отверстий в рель­се 40 мм. Если величина зазора в стыке больше 24 мм, допускаемая ско­рость движения поездов должна быть снижена (табл. 2.17).

Основные элементы стыка

Соединение рельсов между собой производят с помощью шести- или четырехдырных накладок и болтов с пружинными шайбами. Стыковая накладка — деталь стыкового рельсового скрепления, металлическая пла­стина с болтовыми отверстиями, перекрывающая концы рельсов в стыке и прочно соединяющая рельсы в непрерывную рельсовую нить. Пред­почтительнее шестидырные накладки длиной 1000 мм, которые улуч­шают температурную работу рельсов в стыках и способствуют сохранению плавности пути в плане. Для улучшения качества накладки подвергают закалке после печного нагрева с охлаждением в масле. Механические свойства закаленных накладок обеспечивает сталь с повышенным содер­жанием углерода (до 0,62 %) и марганца (до 1 %).

Основные характеристики двухголовых типовых накладок приведе­ны в табл. 2.18.

В накладках чередуются круглые и овальные отверстия. В овальные отверстия входят стыковые болты (рис. 2.22).

Стыковой болт имеет головку симметричной формы. Для предотв­ращения проворачивания болта при завинчивании или отвинчивании гайки болту придан овальный подголовник. Четное число болтов по­зволяет использовать снаружи и

внутри колеи одинаковые на­кладки; головки болтов распола­гают поочередно в одну и другую сторону.

Основные характеристики бол­тов приведены в табл. 2.19.

Рис. 2.23. Тарельчатая шайба

Болты нормальной прочности изго­товляют из углеродистой стали с времен­ным сопротивлением не менее 750 МПа, болты повышенной прочности — из легированной стали с временным со­противлением не менее 850 МПа.

Постоянство натяжения болтов обес­печивает путевая шайба. Сила сжатия шайбы сечением 8 х 10 мм составляет около 12 кН. У двухвитковых и трех­витковых шайб виткам придается вол­нистость.

В рельсовых стыках с двухголовыми накладками и рельсами Р65 и Р75, а так­же в промежуточных скреплениях типа КБ вместо пружинных шайб могут ус­танавливать тарельчатые пружины с наружным диаметром 60 или 70 мм (рис. 2.23). Для этого на каждый болт к накладке устанавливают плос­кую шайбу размером 45 х 28 х 3 мм, а к ней выпуклой стороной одну тарельчатую шайбу и выпуклой стороной к гайке вторую тарельчатую пружину. Затем устанавливают гайку.

Кроме последовательной установки тарельчатых пружин возможна их параллельная установка, при которой создаются усилия затяжки сты­ковых болтов до 10—12 т.

Переходные стыки и рельсы

При необходимости соединения рельсов с различным профилем ус­траивают переходные рельсовые стыки. Для соединения в стыке рельсов разных типов применяют переход­ные накладки, форма и размеры которых обеспечивают совпадение торцов рельсов по поверхности катания и рабочим боковым граням голо­вок рельсов (рис. 2.24).

Переходные накладки изготовляют обычно из накладок более тяже­лого из соединяемых типов рельсов. Одна половина такой накладки имеет форму и размеры, соответствующие одному типу рельсов, другая — другому с соответствующим смещением рельса по высоте и горизонта­ли. При помощи переходных накладок допускают стыковку рельсов только соседних типов.

При возможности обеспечить надежную и прочную сварку, приме­няют переходные рельсы нормальной длины, сваренные из двух отрез­ков рельсов смежных типов.

Особенности устройства стыков на линиях
с автоблокировкой и электрической тягой поездов

На линиях с автоблокировкой и электрической тягой поездов разли­чают стыки токопроводящие или электроизолирующие.

Рельсовые нити используют как токопроводящие цепи для сигналь­ного и тягового токов. С этой целью на границах рельсовых цепей устра­ивают изолирующие стыки, а в пределах рельсовой цепи обеспечивают необходимую для нормальной работы цепи токопроводимость стыков.

Изолирующий стык предназначен для разделения рельсовых цепей на электрически изолированные друг от друга участки и для электри­ческой изоляции двух смежных рельсов. Применяют изолирующие сты­ки следующих конструкций:

• сборные с объемлющими металлическими накладками (рис. 2.25);

• сборные с двухголовыми металлическими накладками (рис. 2.26);
• клееболтовые с двухголовыми металлическими накладками (рис. 2.27, а);
• клееболтовые с полнопрофильными металлическими накладками (рис. 2.27, б);
• клееболтовые с металлокомпозитными накладками (рис. 2.28, а);
• сборные с композитными накладками (рис. 2.28, б).

Изолирующие стыки располагают над серединой шпального ящика. При деревянных шпалах с костыльным скреплением рельсы в изолирую­щем стыке закрепляют по каждой рельсовой нити противоугонами «в за­мок» на 13 шпалах с каждой стороны стыка. Торцы рельсов в изолирую­щем стыке не должны иметь наката. Зазор в стыке по всей высоте рель­са должен составлять 5—10 мм.

Места выхода изолирующих прокладок из-под металлических частей должны быть очищены от грязи, мазута, металлической пыли и других загрязнителей. На линиях, оборудованных автоблокировкой, светофоры делят путь на отдельные блок-участки длиной от 1000 до 2000 м. Каждый блок-участок с обеих сторон изолируется от соседних блок-участков.

В начале блок-участка к рельсовым цепям подведен постоянный или переменный ток, а в конце участка подключено путевое реле. Рельсо­вые нити находятся под электрическим напряжением. Когда на блок- участок вступает колесная пара вагона или тележка локомотива, обе рельсовые нити электрически соединяются. Якорь путевого реле отпа­дает от электромагнитной катушки и замыкает контакты системы авто­матического переключения светофоров — в светофоре зажигается крас­ный огонь. При переходе поезда на следующий блок-участок срабаты­вают путевые реле, включая желтый свет. При переходе поезда на тре­тий блок-участок реле переключает светофор на зеленый огонь.

Токопроводимость рельсовых нитей обеспечивают применением ос­новных и дублирующих стыковых рельсовых соединителей и сохране­нием постоянного зазора (просвета) между подошвой рельса и верхом балласта (не менее 3 см).

Рельсовые соединители устанавливают в стыках на участках, обору­дованных электрической сигнализацией, а также на электрифицирован­ных линиях для уменьшения сопротивления прохождению сигнально­го и тягового токов через рельсовый стык.

По способу соединения с рельсами различают штепсельные и при­варные соединители. Стыковые соединители делают изогнутыми, что обеспечивает изменение величины стыкового зазора, и присоединяют к головке, подошве или шейке рельса.

На электрифицированных линиях применяют автоблокировку на пе­ременном токе, так как постоянный ток нарушает нормальную работу путевых реле. На этих линиях применяют стыковые рельсовые соеди­нители следующих видов: приварные (рис. 2.29, рис. 2.30), штепсель­ные (рис. 2.31) и пружинные.

На электрифицированных линиях постоянного тока применяют мед­ные приварные соединители сечением 70 мм², на участках переменного тока — 50 мм²; на участках бесстыкового пути с рельсовыми плетями 200 м и более применяют пружинные рельсовые соединители (рис. 2.32).

На не электрифицированных участках с автономной тягой устанав­ливают стальные (приварные или штепсельные), а также пружинные соединители.

В качестве дублирующих соединителей применяют приварные рель­совые соединители того же типа, что и основные, приварку которых производят к подошве рельса (см. рис. 2.30).

Штепсельные соединители состоят из двух оцинкованных проволок диаметром 5 мм, концы которых входят в конические луженые штепсе­ли. Штепсели забивают в высверленные в шейках рельсов отверстия диаметром 10,4 мм (см. рис. 2.31). Вместо штепсельных соединителей применяют также короткие соединители из стального троса, привари­ваемого к головке рельса.

В приварных медных соединителях концы медного троса находятся в стальных наконечниках или манжетах, привариваемых к рельсу электродуговым или термитным способом.

Основные соединители приваривают к головке рельса (см. рис. 2.29) выгнутой частью вниз и с расположением манжетов таким образом, что­бы после приварки их не могли касаться гребни колес подвижного со­става и они не препятствовали снятию накладок.

Рельсовые цепи оборудуют дублирующими соединителями. На пере­гонах их устанавливают на участках приближения и удаления перед переездами и станциями, на главных путях станций, а также по маршрутам безостановочного пропуска и приема (отправления) пассажирских поез­дов. В качестве дублирующих применяют приварные рельсовые соедини­тели того же типа, что и основные. На электрифицированных участках могут быть установлены электротяговые соединители длиной 1200 мм с болто­выми креплениями, а также пружинные соединители.