РАЗДЕЛ 6.
Шпалы и переводные брусья.
Эксплуатационная надежность и эпюра шпал.
Шпалы выполняют многочисленные и важные функции, поэтому эпюра их укладки обычно определяется способностью пути выдерживать вертикальные нагрузки, величиной изгибных напряжений в рельсах и в балласте.
Необходимая эпюра укладки шпал зависит от многих факторов, основными из которых являются: вес и скорость поездов; план и профиль пути; грузонапряженность; материал и размеры балластной призмы; вес рельсов; прочность земляного полотна; прочность материала и размеры шпал; допускаемые деформации пути под нагрузкой.
Путь с деревянными шпалами хорошо работает, если расстояние между осями шпал составляет от 18 до 24 дюймов, а с железобетонными — от 21 до 30 дюймов.
Эксплуатационная надежность шпал также зависит от вышеперечисленных эксплуатационных факторов, характеристик пути и местных условий.
Применение шпал.
По статистическим данным Ассоциации американских железных дорог (AAR) за 1977 г. в эксплуатации находится 279 777 миль шпал (не учтены участки пути на мостах, стрелочных переводах и специальные пути), это составляет 84 857 423 шпалы. В среднем эпюра шпал составляет 3033 шпалы на 1 милю, или 20,89 дюйма между осями шпал. Но на грузонапряженных линиях эпюра шпал больше и находится в пределах 3100— 3250 шпал/милю, а на второстепенных линиях — 2900—3300 шпал/милю.
Срок службы и замена шпал.
В 1976 г. в США было уложено рекордное число деревянных шпал за последние 20 лет — 27 млн. шт. Как следует из приведенных ниже данных, начиная с 1960 г. наблюдается тенденция уменьшения объемов укладки шпал:
Уменьшение количества заменяемых шпал с самого высокого уровня в 1929 г. до уровня начала 1950-х годов связано с увеличением количества укладки пропитанных шпал. Действительно, в 1953 г. на линиях I класса было уложено только 1,7% непропитанных шпал. В 1966 г. этот процент уменьшился до 0,2%, в 1970 г.— до 0,15%, в 1976 г.— до нуля. В наши дни в условиях повышения стоимости древесины пропитка шпал — необходимое мероприятие для увеличения срока их службы.
Размеры деревянных шпал.
В течение многих лет не представлялось возможным определить наилучшие размеры деревянных шпал. В ранние годы развития железных дорог поставщики изготавливали шпалы различных размеров, многие из которых, по мнению путейцев, были совершенно непригодны. Первый стандарт на шпалы разработан и принят в 1904 г. По этому стандарту было установлено 5 типов шпал, имеющих различную толщину и ширину поперечного сечения: А, В, С, D и Е. Были установлены три типовых размера по длине шпал: 8; 8,5 и 9 футов. Размеры шпал типа: А — толщина 79 дюймов, ширина— 10 дюймов; В — 7χ9 дюймов; С — 7X8 дюймов; D — 6χ9 дюймов; Е — 6χ8 дюймов. Толщина шпалы должна быть не менее 6 дюймов, а ширина обрезной шпалы — не менее 8 дюймов. Ширина поперечного сечения поверху необрезной шпалы была принята равной 6 дюймам. Допускаемые отклонения от размеров установлены по толщине 1/2 дюйма, по ширине — 2 дюйма, по длине — 1 дюйм.
В 1921 г. комитет по шпалам Американской инженерной железнодорожной ассоциации установил 6 типов шпал от № 1 до № 6 в зависимости от толщины и ширины поперечного сечения взамен стандарта 1904 г. Эти шесть типов шпал группировались в зависимости от формы поперечного сечения и способа обработки их поверхности. По принятой классификации наибольший размер типа шпал соответствовал максимальным размерам поперечного сечения, а наименьший — минимальным размерам. Например, у типа шпал № 6 размеры поперечного сечения 7χ10 дюймов, у № 1 — 6χ6 дюймов.
В 1926 г. для линий узкой колеи был принят тип шпал 0 с размерами поперечного сечения 5X5 дюймов. Таким образом, стало 7 типов шпал.
Увеличивается площадь подбивки в подрельсовой зоне; повышается стабильность пути и снижаются расходы на его содержание.
Пропитка шпал.
Пропитка шпал увеличивает срок их службы в 4—10 раз. Срок службы непропитанных шпал 3—9 лет, пропитанных — может достигать 35— 40 лет, если принять меры к снижению механического износа. Гниение постепенно ухудшает прочность древесины и ее сопротивление механическому износу. Креозот и каменноугольные смолы широко применяются для пропитки шпал и переводных брусьев. В 1975 г. почти 100% шпал укладывались пропитанными. Относительно небольшое число шпал пропитаны минеральными антисептиками.
При транспортировании пропитанных шпал очень важно не повредить пропитанный слой.
Шпалопропиточный завод на железной дороге Санта-Фе. Платформы с непропитанными шпалами подаются в пропиточные камеры диаметром 155 футов
В 1954 г. Американская инженерная железнодорожная ассоциация приняла новые ныне действующие технические условия на шпалы, в которых 5 типов шпал: из технических условий исключен тип шпал 0 с минимальными размерами поперечного сечения 5χ5 дюймов и тип № 7с максимальными размерами 7χ10 дюймов.
Длина шпал.
Почему в ранние годы развития американских железных дорог длина шпалы была принята 8 футов — неясно. Возможно, что одна из причин — необходимый объем древесины для изготовления одной шпалы и размеры дерева. Первые путейцы 1900-х годов считали недостаточной длину 8 футов и предлагали увеличить ее до 8 футов 6 дюймов или до 9 футов. Но на многих железных дорогах стандартными оставались шпалы длиной 8 футов.
В условиях повышения осевых нагрузок и грузонапряженности линий было необходимо увеличение длины шпал до 8 футов 6 дюймов и 9 футов.
В 1924, 1939 и 1942 гг. Комитетом по шпалам Американской инженерной железнодорожной ассоциации были проведены широкие исследования экономической эффективности увеличения длины шпал. В 1953 г. Комитет по шпалам пересмотрел технические условия на шпалы и рекомендовал укладывать шпалы длиной 9 футов; выпуск шпал длиной 8 футов прекратили.
Преимущества увеличения длины шпал: увеличивается площадь опирания шпал на балласт; уменьшается количество лишнего балласта по оси
Некоторые статистические данные по пропитке шпал.
В течение ряда лет примерно 2/3 всех шпал и переводных брусьев пропитывались креозотом и каменноугольной смолой, треть — креозотными маслами с добавлением отходов нефтепродуктов.
Примерно 0,5% шпал пропитываются органическими антисептиками: хлористым цинком, солью Волмена и др. Шпалы и переводные брусья обычно пропитывают под давлением.
За пятилетний период, предшествующий 1975 г., было пропитано примерно 25 млн. шпал, почти все из них обрезные. Почти 86% шпал изготавливаются из древесины твердых пород (51% из них дубовые) и 14% — из древесины мягких пород.
В течение этого же периода пропитывалось ежегодно около 60 119 переводных брусьев, 45% из которых дубовые, остальные 55% — из ели, сосны, клена и т. п.
Механизированная обработка шпал.
Большую часть шпал перед пропиткой обтесывают (обстругивают), затем в них просверливают отверстия для прикрепителей. Сверление отверстий в шпалах перед забивкой костылей увеличивает сопротивление их выдергиванию примерно на 90% и улучшает качество пропитки.
При механизированной обработке шпал на их конце ставят клеймо, состоящее из цифр и букв, которые обозначают: тип древесины, рельсов, пропитку, год выпуска и другие данные.
Комитет по шпалам и пропитке древесины Американской инженерной железнодорожной ассоциации (AREA) включил в Технические условия дополнительные указания относительно транспортировки пропитанных шпал.
Как отмечалось выше, пропитка древесины замедляет процесс гниения, не снижая прочность шпал. Важное значение для хорошей пропитки имеет невысокая влажность древесины. Поэтому шпалопропиточные предприятия должны создать достаточный запас шпал и правильно организовать их сушку.
Если для пропитки некоторых пород ели, сосны применяются водные растворы антисептиков, то древесина нагревается до высокой температуры. Древесина твердых пород, которая не боится температурного воздействия (не растрескивается и не коробится при нагревании), пропитывается под давлением.
По техническим условиям для качественной пропитки слой древесины твердых пород должен быть высушен на глубину 3 дюйма.
Кора древесины препятствует проникновению антисептика в древесину. Размеры допустимых полос коры: ширина 3/4 дюйма, длина 8, расстояние между полосами коры 1 дюйм.
Другие виды деревянных шпал.
Несколько лет назад многие предприятия исследовали возможность создания более эффективных типов шпал. Это вызвано в основном возрастающим дефицитом древесины.
Для эксперимента разработали несколько вариантов шпал, составленных из отдельных пластин различных размеров и конфигурации. Например, была создана шпала из двух пластин древесины, скрепленных несколькими шипами. Размеры поперечного сечения пластины 4,5Х7 дюймов, длина 8 футов 6 дюймов. В другом варианте шпала состояла из двух пластин с размерами поперечного сечения 6χ7 дюймов каждая.
[ Предложено более оригинальное решение пластинчатой шпалы, имеющей большую площадь опирания на балласт. Две пластины древесины сечением 4χ6 дюймов, скрепленные в вертикальной плоскости четырьмя стальными шипами, образуют сечение 4χ12 дюйма. К верхней части такой шпалы восемью шипами крепится другая пластина из древесины с размерами сечения 3χ8 дюймов. Таким образом получается шпала толщиной 7 дюймов, шириной поверху 8 дюймов, а в основании — 12 дюймов.
Исследуется возможность создания клееных шпал из отходов древесины (стружек, опилок) и из листовой фанеры, склеенных специальными смолами. Толщина таких шпал 7 дюймов.
Все вышеперечисленные конструкции проходят эксплуатационную проверку.
Стальные шпалы.
Стальные шпалы обладают рядом положительных качеств: высокая прочность, достаточная упругость, возможность придания шпале желаемой формы, использование металлолома для их изготовления. Недостатки таких шпал: высокая стоимость, необходимость электрической изоляции рельсов от шпал на участках, оборудованных автоблокировкой. В США стальные шпалы применяются в основном на путях промышленного транспорта.
Корытообразная форма поперечного сечения стальной шпалы повышает сопротивление проникновению ее в балласт, благодаря чему увеличивается интервал между процессами подбивки пути. Форма концов шпалы в виде лопаты увеличивает сопротивление пути поперечному сдвигу.
Стальные шпалы аналогично железобетонным изготавливают точно под определенную ширину колеи. Под стальные шпалы не нужны подкладки и другие элементы промежуточных скреплений, как это необходимо, например, при железобетонных шпалах.
Если стоимость стали сравнима со стоимостью древесины и бетона, а также не требуется электрической изоляции рельсов, то в ряде случаев стальные шпалы могут быть предпочтительнее деревянных и железобетонных.
Бригада путейцев укладывает экспериментальную шпалу, склеенную специальными смолами из отходов древесины
Стальные шпалы с резиновыми прокладками на под рельсовых площадках, на которые будут установлены рельсовые плети
Переводные брусья.
В 1916 г. в США впервые были приняты технические условия на переводные брусья, в соответствии с которыми минимальные размеры поперечного сечения установлены 7χ9 дюймов. Тогда допускались необрезные брусья с шириной поперечного сечения поверху 7 дюймов. Технические условия пересматривались в 1921 и 1926 гг. По техническим условиям 1926 г. установлены такие размеры поперечного сечения брусьев, дюймы:
5 и 6 — по толщине; 6, 7 и 8 — по ширине.
В соответствии с последними техническими условиями, принятыми в 1978 г. Американской инженерной железнодорожной ассоциацией, размеры поперечного сечения брусьев должны быть, дюймы:
5 и 7 — по толщине и 6, 7 — по ширине поверху. Брусья с размерами поперечного сечения меньше 6χ6 дюймов можно укладывать только на малодеятельных линиях.
Переводные брусья на стрелочных переводах работают в сложных условиях. Замена брусьев более трудоемка и обходится дороже, чем замена шпал. Для того чтобы увеличить срок службы брусьев и тем самым снизить расходы на их замену, многие железные дороги предпочитают укладывать более мощные брусья с размерами сечения, дюймы: более 7 — по толщине и 7, 8 и 9 — по ширине.
Переводные брусья изготавливают по определенным размерам и маркируют. Число брусьев в комплекте различное в зависимости от марки стрелочного перевода. В комплект всегда входят два так называемых головных бруса (флюгарочные), на которых располагается переводной механизм.
Ниже даны типовые размеры комплекта брусьев для стрелочного перевода марки 1/10. Число и длина брусьев в комплекте относительно места расположения переводного механизма, футы (') и дюймы ("):
Железобетонные шпалы. История развития.
Впервые о применении бетонных шпал в США упоминалось в 1893 г. Тогда в Джерментауне был уложен опытный участок из 200 бетонных шпал. За период с 1893 п 1930 г. было запроектировано и запатентовано боле 150 конструкций железобетонных шпал и более 60 опытных конструкций было изготовлено и уложено в пут для экспериментальной проверки на ряде дорог. Большинство опытных шпал оказались неудовлетворительными из-за недостатков конструкций шпал и промежуточных скреплений. Другие опытные конструкции был изъяты из пути после нескольких лет эксплуатации из за трудностей в сооружении и эксплуатации пути. Кроме того, железобетонные шпалы были дороже деревянных
С 1930 по 1957 г. в США, по существу, не проводились исследования железобетонных шпал из-за широкой внедрения пропитанных деревянных шпал. Прогрессивные методы пропитки позволили значительно увеличит срок их службы. В этот период европейские страны про водили исследования железобетонных и предварительно напряженных железобетонных шпал. К 1957 г. многие европейские страны разработали и укладывали вполне надежные конструкции шпал, отвечающих современным условиям эксплуатации.
В 1957 г. исследовательский центр Ассоциации американских железных дорог, учитывая в будущем дефицитность древесины, решил вернуться к вопросу разработки конструкций, изготовления и испытания предварительно напряженных железобетонных шпал. В результате лабораторных статистических и динамических испытаний опытных партий шпал исследовательский центр предложил 5 типов предварительно напряженных железо бетонных шпал: А, В, С, D и Е. Предполагалось, что тип Е будет укладываться на главных линиях с расстоянием между осями шпал 30 дюймов.
Были разработаны раздельные и нераздельные конструкции промежуточных рельсовых скреплений. Раз дельное скрепление состояло из металлической подкладки, болтов и жестких клемм, нераздельное — из болтов и пружинных клемм (металлической подкладки нет). В обоих типах скреплений предусмотрены прокладки для предотвращения износа подрельсовой площадки железобетонных шпал.
В 1960 г. первые опытные партии шпал типа Е в количестве 500 шт., а затем 600 шт. с раздельными скреплениями были уложены для эксплуатационных испытаний. Еще несколько опытных партий шпал типа Е с нераздельными скреплениями (500, 1056 шпал) и 800 шпал с раздельными скреплениями были уложены в 1961— 1962 гг. па скоростных линиях с высокой грузонапряженностью. В течение этого периода конструкция шпалы типа Е с нераздельным скреплением несколько раз улучшалась, в результате этого появились шпалы MR2. Тысячи шпал MR2 в дальнейшем были уложены на главных путях железных дорог США.
На основании исследований шпал MR2 были даны рекомендации по их усовершенствованию, касающиеся в основном необходимости углубления подрельсовой площадки и увеличения предварительного напряжения на 25%. Так появилась еще одна модификация шпалы — MR3. Объем их укладки пока невелик.
Нижняя часть шпалы имеет клиновидную форму для снижения изгибных напряжений. В качестве арматуры используются четыре гладкие струны диаметром по 7/16 дюйма.