Являясь одним из простейших элементов строения пути, конструкция подкладки претерпела неоднократные изменения. В 1926 г. Комитет по пути (AREA) поставил задачу — унифицировать различные конструкции подкладки. В период второй мировой войны в условиях острого дефицита рабочей силы и металла были проведены работы по упрощению и унификации конструкции подкладок. Для этой цели был создать объединенный комитет, состоящий из специалистов Американского института чугуна и стали (AIST) и Ассоциации американских железных дорог (AAR). Впоследствии Ассоциация американских железных дорог была заменена Комитетом по пути Американской инженерной железнодорожной ассоциации (AREA). В 1946 г. было предложено 15 типов подкладок. которые имели подуклонку 1:40, плоские подрельсовые опорные площадки и нижнюю поверхность, прилегающую к шпале. В 1948 г. Комитет по пути (AREA) утвердил в качестве типовых 13 конструкций подкладок. В 1953 г. были разработаны две конструкции специальных подкладок для укладки их на кривых участках пути, а в 1969 г. были дополнительно пересмотрены еще две конструкции одноребордчатых подкладок (табл. 5).
Металлические подкладки прямоугольной формы.
Методы установки подкладок различны — от традиционной установки и забивки костыльным молотком до автоматического оборудования, где подкладка точно размещается и пришивается непосредственно в пути или в стороне от пути до установки шпалы в путь. Применяется также различное автоматическое и полуавтоматическое оборудование для прикрепления подкладок и рельса к шпале.
Таблица 5. Характеристики стандартных подкладок для различных типов рельсов
Примечание. Все подкладки двухребордчатые с наклонными плечами. Подуклонка подрельсовой части подкладок 1:40.
* Одноребордчатые подкладки.
** Подкладки имеют плоские «плечи».
Ширина подкладки определяется шириной поперечного сечения шпалы. Длина подкладки проектируется из условия обеспечения несущей способности древесины шпалы. Толщина подкладки в подрельсовой зоне должна быть по крайней мере в 2 раза больше, чем у ее концов, для предотвращения изгиба подкладки под поездной нагрузкой.
Эксцентриситет подкладок.
Размеры подкладок зависят в основном от ширины подошвы рельса, породы древесины шпал и колесных нагрузок. Горизонтальное расстояние от осевой линии подкладки до оси подошвы рельса называется эксцентриситетом подкладки.
Современная практика проектирования предусматривает наибольшую толщину подкладки около наружного конца подошвы рельса, где развиваются максимальные напряжения. Учитывая эксцентриситет действующей вертикальной нагрузки на рельс, подкладки обычно проектируют с большими размерами наружу подошвы рельса, чем внутрь, так чтобы большая часть площади подкладки была внешней по отношению к вертикальной оси рельса.
В течение более чем десятка лет после второй мировой войны учеными Американской инженерной железнодорожной ассоциации проводились широкие испытания подкладок с различными эксцентриситетами. Установлено, что подкладки с подуклонкой 1:40 и эксцентриситетом в 0,25 дюйма обеспечивают стандартную ширину колеи на прямых участках пути, а подкладки с эксцентриситетом в 3/4 дюйма приводят к сужению колеи от 1/16 дюйма до 1/8 дюйма.
В настоящее время широкое распространение получили подкладки с плоской подошвой, особенно при раздельном типе скрепления, хотя продолжают применяться и другие конструкции подкладок, например с перекрещивающимися диагональными ребрами, которые формируют ряд углублений с поперечными волнистыми неровностями или ребрами для увеличения сопротивления поперечному смещению.
Подкладки с плоской поверхностью основания не истирают волокон древесины. По краям подкладок делается фаска с радиусом от 1/16 до 1\8 дюйма для предотвращения врезания подкладки в древесину шпалы. Верхняя поверхность подкладки обычно состоит из трех частей: подрельсовой площадки для опирания рельсов с широкой подошвой и двух частей, толщина которых уменьшается к концам подкладки примерно в 2 раза по сравнению с толщиной подкладки в подрельсовом сечении.
Там, где используются шурупы, концы подкладок устраивают плоскими для более полного опирания нижней части головки шурупа на подкладку с толщиной концов около 0,75 максимальной толщины подкладки в под рельсовом сечении.
Подкладки обычно прокатываются с ребордой для бокового опирания внешнего конца подошвы рельса и обеспечения нормальной ширины колеи. Двухребордчатые подкладки укладывают под рельсы весом 100 фунтов/ярд и тяжелее. Высота реборды подкладки должна позволять опираться головке костыля на верхнюю часть подошвы рельса и обеспечивать надежное опирание боковой поверхности подошвы рельса.
Подкладки воспринимают удары рельсов при проходе поезда и передают их на шпалу через площадь опирания подкладки. В таких случаях подкладка действует как единый блок и наддергивание костылей уменьшается, так как удар приходится не на отдельно взятый костыль.
Две реборды обеспечивают нужное расположение подкладок по отношению к шпале и подошве рельса и тем самым предотвращают повышенный выход шпал. Двухребордчатые подкладки ограничивают горизонтальные перемещения концов рельсов, способствуя снижению угона рельсов, и обеспечивают стабильность ширины колеи, а тем самым — увеличение срока службы шпал из-за уменьшения числа перешивок. Несмотря на то, что двухребордчатые подкладки одобрены как эффективное средство, позволяющее уменьшить расходы на текущее содержание, распространение их по сравнению с другими типами подкладок ограничивается из-за необходимости применения только определенной ширины подошвы рельса. Другие типы подкладок позволяют применять рельсы с раз личной шириной подошвы рельса.
Подуклонка подкладок.
Подуклонкой называется уменьшение толщины подкладки в направлении от внешней к внутренней стороне подрельсовой площадки. Наклон рельса внутрь колеи — подуклонка позволяет с наибольшей точностью сцентрировать приложение нагрузки от колеса и тем самым способствовать более однородному износу головки рельса без устройства зарубок в шпале. При наклоне подкладок лучше распределяются нагрузки на шпалу, уменьшается перемещение подкладок, снижаются механический износ древесины и вибрация подкладок во время движения поезда. Хотя плоские подкладки все еще выпускаются, производство подкладок с подуклонкой преобладает. Плоские подкладки преимущественно используются на стрелочных переводах для обеспечения вертикального положения рельсов в этих местах. Подуклонка изменяется от 1:14 до 1:80 и обычно близка к 1:40, рекомендованной Американской инженерной железнодорожной ассоциацией. Однако последние эксперименты показали, что большая подуклонка может быть полезна в определенных случаях, особенно на участках пути, подверженных воздействию тяжеловесных поездов с вагонами в 100 т, на участках высокоскоростного движения и с большими осевыми нагрузками локомотивов.
Путейцы железной дороги Юнион Пасифик, например, считают, что подуклонка 1:30 препятствует уширению колеи и увеличивает центральность передачи давления от колеса на рельс, что уменьшает выход рельсов из-за выкрашивания головки. Некоторые железные дороги успешно используют шпальные подкладки с подуклонкой 1:14 на наружной рельсовой нити кривых, увеличивая тем самым срок службы рельсов.
Другие формы подкладок.
Иногда встречаются изогнутые и скошенные шпальные подкладки. Изогнутые шпальные подкладки незначительно выгнуты вверх в средней части подрельсовой зоны таким образом, чтобы подкладка при проходе поезда выравнивалась подобно пружине, смягчая воздействие поездной нагрузки. Скошенные подкладки имеют плоское основание и изогнутую поверхность в подрельсовой зоне, что, по мнению ряда специалистов, будет способствовать уменьшению их вибрации. Кроме того, подкладка со скошенной поверхностью является обычной подкладкой с плоско скошенной поверхностью опирания под рельсом, что обеспечивает более центральную передачу нагрузок от проходящих поездов на рельс и подкладку.
Отверстия в подкладках.
В подкладках пробиты 4 отверстия для прикрепления их к шпале и удержания нормальной ширины колеи по два с каждой стороны рельса; обычно используется по одному отверстию с каждой стороны рельса, а два других служат для:
- установки дополнительных костылей в кривых или в других местах, где горизонтальные силы, передаваемые на рельс, приводят к уширению колеи; это позволяет избежать применения подкладок со специальными отверстиями;
- расположения костылей в шахматном порядке внутри колеи и с внешней стороны рельса, что дает возможность избежать применения правосторонних и левосторонних подкладок согласно практике пришивки рельсов. В то же время размещение костылей с внешней стороны каждого рельса друг против друга уменьшает поворот шпалы.
При расположении отверстий на подкладке в шахматном порядке костыли на противоположных сторонах рельса забиваются в разные волокна деревянной шпалы, что уменьшает образование трещин в шпале. Основные костыли, прикрепляющие рельс и подкладку к шпале, и дополнительные костыли, прикрепляющие подкладку к шпале, имеют квадратное сечение.
Квадратные отверстия, пробиваемые в подкладке, сделаны на 1*/ΐ6 дюйма больше, чем размеры костылей. Дополнительные костыли и отверстия в подкладках, размещаемые ближе к концам подкладок, предназначены для удержания ширины колеи и уменьшения износа древесины шпал в зоне под подкладками. Обычно применяют 3—4 дополнительных костыля с отверстиями круглого или квадратного сечения в подкладках.
Срок службы подкладок.
Срок службы подкладок во многом зависит от состояния поверхности соприкосновения подкладок и шпалы. Это особенно важно при перешивке пути, а также при перекладке пути с более тяжелыми рельсами. Для подготовки площадок под подкладки применяются шпалозарубочные станки. Подкладки должны быть прочными и мощными для того, чтобы выдерживать высокие осевые нагрузки.
На долговечность подкладок большое влияние оказывает коррозия. Для защиты от коррозии предпринимались попытки обработки подкладок, рельсов, скреплений горячим маслом с высоким содержанием битума. Испытания дали удовлетворительные результаты. Созданы подкладки из полиэтилена, не подвергающиеся коррозии. Предполагается, что такие подкладки будут иметь значительный срок службы.