Главная >> Железнодорожный путь >> Стандартные профили рельсов США

Стандартные профили рельсов США

Вопрос о выборе профиля рельса изучается с самого начала появления железных дорог. Интересно отметить, что хотя в первый период существования железных дорог широко применялись как рельсы прямоугольного сечения, так и U-образные профили рельсов; Т-образное сечение рельсов, близкое к современному, было предложено Робертом Стивенсом (Robert I. Stevens), главным инженером железной дороги Кэмден и Эмбой (Camden & Ambod), еще в 1830 г. Рельсы этого типа весом 17,8 кг/пог. м были прокатаны в Кардифе (Kardiff Wales); в 1831 г. они были отправлены в Филадельфию и в этом же году уложены в путь. В сравнительно короткий срок рельсы с Т-образным профилем вытеснили на железных дорогах Америки все другие формы рельсов. До 1863 г. продолжали широко применять железные рельсы и только между 1863 и 1876 гг. их заменили бессемеровскими стальными рельсами.
Бурное развитие железных дорог после гражданской войны в США привело к тому, что применяемые в то время сечения рельсов перестали удовлетворять предъявляемым к ним требованиям. В результате проведенных исследований в 1870 г. Инженерным комитетом были разработаны предложения по изменению профиля рельсов: подошву рельса рекомендовалось сделать тоньше, а количество металла в головке увеличить на 50%. Однако эти изменения не привели к желаемым результатам и в 1873 г. Американским обществом гражданских инженеров был создан специальный комитет, назначением которого было исследование вопроса о профиле, весе, изготовлении и сроке службы рельсов. Окончательный доклад по этому вопросу был представлен комиссией в 1876 г.; но, поскольку стальные рельсы в то время еще не получили повсеместного распространения, доклад касался исключительно железных рельсов.

Профили рельсов, разработанные ASCE*.

После того, как стальные рельсы получили широкое распространение, а общее протяжение железных дорог значительно возросло, на сети стало наблюдаться очень большое многообразие в профилях рельсов; такое положение существовало до тех пор, пока для изготовителей рельсов оно не стало совершенно нетерпимым. В 1891 г. в США изготовлялось 119 различных профилей и имелось 27 вариантов весов рельсов. ASCE уже давно признавало необходимым установить стандарт на профили рельсов, и в 1885 г. была создана комиссия, в обязанности которой входило рассмотрение вопроса об оптимальном соотношении профиля головки рельса и очертания поверхности катания колеса экипажа; в 1890 г. была назначена комиссия для рассмотрения стандарта на профили рельсов.

*Американское общество гражданских инженеров.

Профили рельсов
Таблица 1
Данные, касающиеся стандартных и специальных профилей рельсов
Данные, касающиеся стандартных и специальных профилей рельсов

Лакаванна и Западная . . .

50, 1

138, 1 1

136,52

69,85

15,88

43, 66

68,26

DRGW

57,0

168,28

139,70

69, 06

19,05

42,86

96,84

Западная железнодорожная компания Денвер и Рио- Гранде ...

44,6

139,70

130,18

65,09

14,29

41,28

73,02

 

42, 1

133,35

133,35

63,50

14,29

44,45

66, 68

 

54, 6

165, 10

139,70

69,85

15, 09

41,28

95,25

 

49,6

146,05

127,00

69,85

14,29

41,28

76, 20

 

44,6

136,52

127,00

66, 68

14,29

37,31

73,02

 

44,6

136,52

127,00

66,68

15,88

38, 10

73, 02

 

42, 1

127,00

127,00

67,47

16,67

40,49

63,50

Свободноголовый .

65,5

185,74

152,40

75,41

16,67

49, 21

106,36

» AREA ...

65,0

184, 15

152,40

75,41

16, 67

47,62

106,36

» AREA . . .

64,5

176,21

152,40

72,24

16,67

51,59

93,66

» AREA . . .

56, 1

173,04

139,70

68,26

15, 09

47, 62

96, 84

» AREA . . .

55,6

171,45

139,70

68,26

15, 09

46,04

96,84

» AREA . . .

54,6

163,51

139,70

68, 26

15,09

48,43

86,52

» AREA . . .

49,6

153,99

136,52

66,28

14,29

43,66

83,35

» AREA . . .

49,6

156,37

139,70

68,26

14,29

43,66

85,72

» AREA . . .

44,6

146,84

130, 18

63, 10

14,29

41,28

80, 17

Interl'gh..

49,6

146,05

146,05

73,02

14,29

43,26

78, 18

 

44, 6

127,00

127,00

73,02

17,46

45, 24

59,53

K- Cy. Cou...

42, 1

136,52

123,82

64,29

13,49

36,91

74,61

 

67,5

187,32

165, 10

74,61

17,46

45,24

111,12

» » ...

67,5

177,80

165,10

74,61

17,46

47,62

98,42

» » ..

67,5

177,80

165, 10

74,61

16,67

47,62

98,42

» » ...

54, 6

152,40

139,70

73,02

15,08

47,62

77,79

Железнодорожная компания Миссури-Пасифик..

42, 1

132,56

133,35

62,71

14,88

44,45

66,28

Дорога Нью-Йорк Централь-

63,0

177,80

158,75

76,20

16,67

42,86

105,57

 

59,5

177,80

152,40

76,20

16,67

41,27

109,54

Дудлей

63, 0

177,80

158.75

76,20

16,67

42, 86

105,57

» ...

57,0

165,10

139,70

76,20

15,88

42, 86

95, 25

 

52, 1

152,40

139,70

76,20

15,88

41,28

86,52

Железнодорожная компания Нью-Йорк, Нью-Йорк Не- вен и Хартфорд ...

53, 1

155,58

139,70

69,85

15,08

43, 66

84,93

 

49,6

152,40

139,70

69,85

15,08

43,66

84,93

Пенсильванская ж. д..

77, 0

203,20

17 1,45

76,20

19,05

52,39

118,27

 

75,4

203,20

171,45

76,20

17,46

46,83

123,82

 

64,5

168,28

139,70

76, 20

17,46

50, 80

86,52

 

62, 0

165, 10

139,70

76,20

16,67

47,62

86,52

 

49, 6

144,46

127,00

67,86

14,29

46,04

70, 64

 

49,6

139,70

139,70

71,44

15,88

47,62

68, 26

»

42, 1

130, 18

117,48

63,50

13,49

42, 07

62,71

 

42, 1

127,00

127,00

65,09

13,49

44,45

60, 32

 

34,7

114,30

1 14,30

61,91

12,70

40,48

53,98

» »»

64,5

173,83

152,40

74,61

16,67

49,21

92,66

 

49, 6

142,88

136,52

67,47

14,29

43,26

72,63

Soo Line .

42, 1

136,52

123,82

63,50

14,29

37,31

73,83

Сопротивление кручению . .

64,0

185,74

152,40

66, 68

16,67

46,83

108,74

Железнодорожная компания

55,6

171,45

139,70

63,50

15,88

44,45

98,42

Пасифик. . . .

44,6

146,05

136,52

69,85

13, 49

38, 10

85,72


Рис. 1. Стандартные сечения рельсов AREA

Стандартные сечения рельсов AREA 2
Рис. 2. Стандартные сечения рельсов AREA

        

В 1893 г. комиссия сделала свой заключительный доклад и представила на рассмотрение новые профили рельсов. Предложенные профили были одобрены и на большинстве дорог страны они были приняты в качестве стандарта. Вес новых рельсов колебался в пределах от 19,9 до 49,6 кг/пог. м, меняясь ступенями через каждые 2,48 ка. В тот период, когда принимались новые профили,
Стандартные сечения рельсов
Рис. 3. Стандартные сечения рельсов
рельсы тяжелее 39,5 кг/пог. м еще не прокатывали; поэтому стандартные профили рельсов весом 42,1 кг/пог. м и 41 кг/пог. м существовали только в виде проекта.

У всех профилей, созданных ASCE, высота и ширина подошвы с изменением веса рельса не меняется; распределение металла между головкой, шейкой и подошвой также остается постоянным и составляет соответственно 42, 21 и 37%.

Профили рельсов, разработанные AREA.

Созданные ASCE профили рельсов весом до 42,1 кг/пог. м оказались вполне приемлемыми, в то время как более тяжелые профили были признаны непригодными. Поэтому в 1905 г. Ассоциация американских железных дорог (ARA) создала комиссию для рассмотрения вопроса о стандарте на профили рельсов и колес. Комиссией были приняты новые профили рельсов: ARA-A и ARA-В весом от 29,8 до 44,6 кг/пог. м вес рельсов менялся ступенями через каждые 4,96 кг/пог. м. В отличие от рельсов ASCE новые профили имели более узкую и прочную подошву и более легкую головку. У рельсов типа А была сравнительно низкая головка, тонкая и широкая подошва и большая общая высота по сравнению с рельсами типа В. Укладкой рельсов типа А достигалась значительная жесткость пути, требуемая на главных линиях с высокоскоростным движением поездов; рельсы типа В предназначались для участков пути с небольшими скоростями движения.
ARA согласилась с предложениями, внесенными вышеупомянутой комиссией и вопрос о Технических условиях на бессемеровские и мартеновские рельсы, а также предложенные комиссией профили передала на рассмотрение AREA.
В 1915 г. AREA были утверждены профили рельсов весом 49,6; 54,6 и 59,5 кг/пог. м, а позднее были приняты также рельсы весом 64,5; 69,4 и 74,4 кг/пог. м\ однако последние три сечения позднее были изъяты. Не было запроектировано ни одного нового рельса весом меньше 49,6 кг/пог. м, кроме профиля 44,6 кг/пог. м AREA, который был принят как единственный стандартный профиль рельса этого веса.
Первоначально запроектированный профиль рельса типа ПОф-RE (54,6 кг/пог. м) не удовлетворял требованиям эксплуатации и в 1933 г. был вытеснен профилем типа 112ф-РЕ (55,6 кг/пог. м). У первого варианта этого профиля радиус средней части поверхности головки составлял 609,6 мм, что в процессе эксплуатации приводило к значительным сплывам металла. В пересмотренном варианте профиля, принятом в 1937 г., вышеупомянутый радиус был уменьшен до 355,6 мм\ в размеры профиля были внесены и другие незначительные изменения. Однако эти изменения привели к высоким контактным давлениям и сплывам металла на внутренние грани головки и к выкрашиванию ее поверхности. Кроме того, проводившиеся измерения напряжений показали, что в некоторых случаях в верхней части шейки и верхней выкружке шейки с внутренней стороны рельса развиваются очень высокие местные напряжения, следствием которых является образование трещин под головкой рельса.
В конце концов рельс типа 112 ф-RE (55,6 кг/пог м) был AREA изъят и в 1946 г. заменен рельсом типа Пбф-RE (57 кг/пог. м). Новое сечение рельса имело такие же размеры подошвы, такую же общую высоту и высоту шейки и головки, как и рельс типа 112ф^Е (55,6 кг/пог. м)\ все поперечные размеры профиля были оставлены также без изменения; для предупреждения местных сплывов металла было изменено только очертание поверхности катания головки, а для ослабления местных напряжений изменен профиль шейки и верхней выкружки. С профилем Пбф-RE (57 кг/пог. м) могли применяться только шарнирные накладки; эти же накладки использовались для соединения рельсов типа 115ф-НЕ (57 кг/пог. м) с рельсами типа 112(j)-RE (55,6 кг/пог. м), хотя к последним они не очень хорошо подходили.
В 1933 г. AREA в качестве стандартного был принят профиль рельса типа 131ф-ИЕ (65 кг/пог. м), который должен был заменить рельс типа 130ф-ИЕ (64,5 кг/пог. м). Новый профиль обладал значительно большей жесткостью на изгиб; предполагалось также, что с его введением в эксплуатацию улучшатся условия движения поездов, уменьшится количество повреждений, получаемых подвижным составом, и снизятся эксплуатационные расходы без значительного увеличения первоначальных капиталовложений. Поверхность катания головки рельса типа 65 кг/пог. м, как и у рельса типа 112ф^Е (55,6 кг/пог. м) была очерчена радиусом 609,6 мм, что также способствовало интенсивному смятию металла под колесами проходящих поездов. В 1938 г. в соответствии с рекомендациями Рельсового комитета AREA радиус поверхности катания головки был уменьшен с 609,6 до 304,8 мм; были изменены также и некоторые другие второстепенные размеры; однако, сплывы металла с поверхности катания головки не прекратились. Это привело к тому, что в 1946 г. рельс типа 131ф^Е (65 кг/пог. м) был изъят и заменен двумя профилями типов 132ф^Е (65,5 кг/пог. м) и 133ф-ИЕ (66,0 кг/пог. м).
История появления двух профилей рельсов почти одинакового веса такова: пока исследовательская группа Технического отдела AREA занималась разработкой профилей типа 115ф-ИЕ (57 кг/пог. м) и 132ф^Е (65,5 кг/пог. м), Пенсильванская ж. д. проводила самостоятельные исследования в области причин появления трещин в шейке рельсов типа 132ф^Е (65,6 кг/пог. м), результатом которых и явилось создание профиля весом 133ф/я (66,0 кг/пог. м). Принципиальное различие между рельсом типа 132ф^Е (65,5 кг/пог. м) и рельсом весом 133ф/я (66,0 кг/пог. м) заключается в том, что головка последнего значительно выше, чем у рельса типа 132ф-ИЕ (65,5 кг/пог. м), более высокая головка является большим преимуществом для участков пути, на которых наблюдается значительный износ головки рельсов, так как большая высота головки обеспечивает более длительный срок службы новых рельсов, а также лучшее качество рельсов, предназначенных для вторичной укладки в путь. В 1946 г. оба профиля были приняты AREA; профиль типа 132ф-ИЕ (65,5 кг/пог. м) был признан пригодным для дорог со средней интенсивностью движения поездов, а профиль типа 133ф^Е (66,0 кг/пог. м) был рекомендован для дорог с таким характером движения поездов и с таким планом линии, которые приводят к очень быстрому износу головки.
Почти одновременно с рельсом весом 66,0 кг/пог. м Пенсильванская ж. д запроектировала новый профиль рельса типа НОф-PS (69,4 кг/пог. м), предназначаемый для грузонапряженных участков пути с большим количеством кривых. Этот профиль был запроектирован на основании тех же принципов, что и профиль рельса типа 133ф Е. Для того чтобы получить возможность увеличить высоту головки и радиус верхней выкружки шейки, пришлось изъять часть металла из головки в месте сопряжения поверхности катания с боковой гранью. В 1954 г. рельс типа НОф-PS был принят AREA в качестве рекомендуемого профиля и был назван профилем типа 140RE (69,4 кг/пог. м).
В 1946 г. вышеописанные принципы проектирования были использованы при усовершенствовании профиля рельса типа 152Ф-РБ (75,4 кг/пог. м), находившегося в эксплуатации на Пенсильванской ж. д. приблизительно с 1930 г. В результате внесенных в профиль 152ф-РБ изменений появился новый профиль типа 155(j)-PS (77,0 кг/пог. м). У AREA профиля рельса такого веса не было; самым тяжелым профилем AREA был профиль ИОф-RE (69,4 кг/пог. м).
Профиль рельса, сопротивляющийся скручиванию. В 1933 г. дорогой Чикаго, Берлингтон и Квинси (Chicago, Burlington & Quincy) был разработан и уложен в путь новый тип рельса весом 55,6 кг/пог. м с несколько необычным профилем, известный под названием «сопротивляющийся скручиванию» (torsion resisting-TR). Он отличался от профиля типа 112ф^Е (55,6 кг/пог. м) во многих и очень существенных отношениях; изменение профиля было достигнуто перераспределением металла. Шейка рельса типа TR имеет меньшую толщину в нижней части и большую — в верхней; общая высота рельса, по сравнению с рельсом типа 112ф^Е, увеличена на 3,18 мм; головка его значительно  уже и выше; радиусы сопряжения поверхности катания головки с боковой гранью ее меньше, чем у сравниваемого с ним рельса типа RE; боковые грани головки имеют скос в сторону шейки; точка перелома боковой грани находится на 19,05 мм ниже верхней точки поверхности катания головки. Величина уклона боковой грани в основном определилась принятым очертанием выкружек головки и шейки. В 1947г. эти же принципы были использованы при проектировании профиля рельса весом 64 кг/пог. м.
Ожидаемые от нового профиля рельса преимущества заключаются в следующем: контакт колеса с рельсом происходит ближе к середине поверхности катания головки, в результате «его снижаются напряжения в шейке, вызванные эксцентричным приложением нагрузки. Благодаря такому своеобразному очертанию головки повышается сопротивление ее изгибу и кручению под действием эксцентрично приложенной вертикальной и горизонтальной нагрузок; эти особенности снижают возможность появления расслоения головки, трещин и изломов подошвы

Рельсы с высокой головкой.

Для того чтобы получить профили рельсов с большей высотой головки и с большим радиусом сопряжения боковой и нижней граней головки, а также с большими радиусами верхних выкружек шейки, были введены три новых профиля рельса. Эти профили рельсов весили 52,6; 59 и 67,5 кг/пог. м. Скреплениями для них служили существующие скрепления к рельсам типов 100-RE, 115-RE и 132-RE. В новых профилях рельсов количество металла в головке и в подошве было приблизительно одинаковым, в то время как в профилях типа RE площадь подошвы была больше площади головки.
Несколько железных дорог приняли два новых более тяжелых профиля в качестве стандартных и заменили ими применявшиеся ранее профили рельсов типов 115-RE и 132-RE. Опыт прошлых лет одной из этих дорог показал, что смена рельсов в пути в основном вызывается не износом головки, а изгибом и смятием концов рельсов. По этой, а также и по ряду других причин эта дорога решила в дальнейшем укладывать только длинные сварные рельсы. Считалось, что срок службы длинных сварных рельсов будет значительно больше, чем срок службы обычных рельсов. Для того чтобы еще больше продлить срок службы рельсов, был принят профиль рельса с высокой головкой, имеющей больший запас металла на износ.
Экономичные размеры рельсов. Математических формул для вычисления веса рельса, самого выгодного для данных условий эксплуатаций, не существует. Для большинства путейцев при выборе размеров рельса самыми важными факторами являются грузонапряженность и скорость движения поездов. В общем случае выбор профиля рельсов производится на основе следующих указаний.
Если грузонапряженность колеблется в пределах от 1,016 до 8,128 млн. т/год, а скорость — от 64,36 до 96,54 км/ч, то можно принять рельс весом 49,6 кг/пог.м\ если грузонапряженность меняется от 6,096 до 15,24 млн. т/год, а скорость составляет от 80,45 до 120,68 км/ч, то можно принять рельс весом 57 кг/пог. м; если грузонапряженность находится в пределах от 12,14 до 25,40 млн. т/год, а скорость изменяется от 80,45 до 128,72 км/ч;то вес рельса увеличивается до 65,5 кг/пог. м; рельсы весом 69,4 и 77,0 применяются при грузонапряженности от 20,32 до 38,61 млн. т/год и при скоростях от 80,45 до 128,72 км/ч и выше. Эти указания действительны тогда, когда по рельсам обращаются и грузовые и пассажирские поезда; если же обращаются только грузовые поезда, то можно принимать следующий по порядку, более низкий вес рельсов.
Однако, кроме тоннажа и скорости движения поездов, при выборе профиля надо принимать во внимание и другие обстоятельства. На железной дороге тоннаж может колебаться в очень широких пределах; поэтому, если выбирать тип рельса только в зависимости от тоннажа, то дорога должна иметь в запасе большое разнообразие рельсов, скреплений и стрелочных переводов. Вместо этого дорога предпочитала бы иметь один или два новых стандартных типа рельса. Другими критериями, которыми приходится руководствоваться при выборе типа рельса, являются величины нагрузок на ось, необходимость ремонта рельсов, затраты на текущее содержание рельсов, шпал и балласта и расходы на рабочую силу.
Введение в эксплуатацию более тяжелых профилей рельсов позволило провести ряд интересных исследований, касающихся экономики применения рельсов различных весов. Исследования показали, что в то время как стоимость рабочей силы увеличилась на 100%. стоимость рельсов и других элементов верхнего строения пути повысилась лишь на 60%. Было доказано, что более жесткие рельсы требуют меньших затрат труда на их содержание, так как они распределяют нагрузку на большую площадь и не так сильно изгибаются в вертикальной и горизонтальной плоскостях, как более легкие рельсы. Таким образом, экономичность применения более тяжелых рельсов можно доказать, сравнив затраты на рабочую силу, обычно требуемую для выправки пути в плане и профиле.

Средний вес рельсов.

В настоящее время существует определенная тенденция к повышению веса рельса; в 1921г. средний вес всех рельсов, лежащих на линиях 1-го класса, составлял 41,11 кг/пог. м, а в 1953 г. (последний год, за который имеются данные) эта величина повысилась до 51,34 кг/пог. м. В 1921 г. только 15% всех лежащих в пути рельсов имели вес свыше 49,6 кг/пог. м, в то время как в 1953 г. рельсов весом свыше 49,6 кг/пог. м лежало в пути уже около 59%. В 1953 г. протяжение рельсов весом 54,6—59,0 кг/пог. м считалось наибольшим (21%); за ними шли рельсы весом 64,5—139 кг/пог. м (18%).

Желобчатые рельсы.

Для пути на мощеных улицах с успехом применялись как рельсы с Т-образным сечением, так и желобчатые. Однако на постройку и текущее содержание мостовой, подвергаемой быстрым разрушениям вследствие колебаний и перемещений рельсов под подвижной нагрузкой, расходуются значительные суммы. Для снижения вредного воздействия рельсов на мостовую необходимо, чтобы как рельсы, так и стыки, предназначенные для работы в этих условиях, обладали достаточной прочностью и жесткостью. В США применение желобчатых рельсов на дорогах с паровой тягой очень ограничено; по этой причине AREA в 1946 г. исключила из Наставления материал, касающийся этого вопроса.

Подкрановые рельсы.

Хотя для подкрановых путей могут применяться и стандартные Т-образные сечения рельсов, все же было создано специальное Т-образное сечение, известное под названием «подкрановый рельс». По сравнению со стандартным Т-образным сечением у «подкранового рельса» головка была сделана больше, а шейка ниже и толще для того, чтобы он мог лучше сопротивляться воздействию обычных для крана высоких сосредоточенных нагрузок. Самые распространенные типы подкрановых рельсов весят 51,6; 52,1; 84,8 и 86,8 кг/пог. м\ высота последнего типа рельса составляет 152,4 мм, ширина подошвы — 152,4 мм, ширина головки — 107,95 мм и толщина шейки — 38,1 мм.

Рельсы из специальной и легированной стали.

Делались многочисленные попытки использовать для изготовления рельсов легированные стали, повышающие сопротивляемость рельсов ударным воздействиям и износу, а также обеспечивающие достаточно высокий предел упругости рельсовой стали. Легирующими добавками обычно служили марганец, титан, хром и никель. Если не принимать в расчет марганцовистую сталь, то больше всего проводилось экспериментов с хромоникелевой сталью; однако эти опыты не увенчались успехом. Марганцовистая сталь, обычно называемая сталью Хэдфильда (Hedfield's steel), в виде проката широко применяется для изготовления элементов глухих пересечений и переходных рельсов перекрестных переводов; в виде отливок марганцовистая сталь применяется для литых сердечников, вкладышей крестовин и изготовления контррельсов.

 
« Стандартная длина рельсов США   Станции грузовые »
железные дороги