Крестовина обыкновенного стрелочного перевода позволяет колесам, движущимся по одному пути, пересечь рельсы отклоняющегося пути, образует непрерывные желоба для колесных реборд и удерживает от схода колеса при пересечении желоба между путевым рельсом и контррельсом.
Крестовины делятся на два основных типа: жесткие без подвижных частей и с подвижными пружинными усовиками, которые, смещаясь наружу, образуют желоба для прохода колес.
Центр крестовины.
Теоретический центр крестовины — точка пересечения продолжения рабочих граней острия крестовины, а практическое острие находится в точке, где расстояние между этими линиями составляет 1/2 дюйма. Передним концом крестовины, если смотреть со стороны стрелочных остряков, называется ближайший, а задним — дальний. Расстояние между ними, измеренное по рабочему канту рельса, называется длиной крестовины. Расстояние между рабочими гранями и передней частью крестовины называется горлом крестовины. Угол между рабочими гранями или, если крестовина криволинейная, между касательными к ней в математическом центре крестовины называется углом крестовины. Номер крестовины равен 1/2 котангенса половинного угла крестовины, или отношению расстояния между рабочими гранями в любой точке к длине биссектрисы от этой точки до теоретического центра крестовины.
Обычно угол крестовины лежит в диапазоне между 9°31', что соответствует крестовине марки 1/6 и 2°52' — крестовине марки 1/20. Иногда на подъездных путях промышленных предприятий укладывают крестовины марки круче 1/6. Марки крестовин бывают любые от 1/4 до 1/16, кроме 1/13, а на ряде крупных железных дорог стандартными приняты крестовины марки 1/18 и 1/20. Нормы AREA марки крестовины не регламентируют. Выбор марки крестовины зависит от эксплуатационных условий и типов уложенных стрелочных переводов. Широкое распространение получили многочисленные удачные конструкции крестовин, предназначенные для определенных сфер применения.
Неподвижные крестовины укладывают на станционных и главных путях, за исключением мест, где стрелки не сильно загружены. Они имеют обычную конструкцию, нуждаются в контррельсах с каждой стороны. Обычные контррельсы можно заменить повышенными усовиками, которые направляют колесо через горло крестовины, удерживая наружную часть его обода. На высокоскоростных магистралях крестовины без контррельсов не применяются.
На магистральных железных дорогах широко применяют крестовины с подвижными элементами. Их достоинства: более плавное движение и больший срок службы без ремонтов по сравнению с крестовинами с неподвижными элементами, так как нет открытого горла по наиболее часто используемому направлению движения. Крестовина с пружинящим усовиком усовершенствована: улучшена конструкция подвижного усовика, поставлен амортизатор ударов на усовике, что позволяет ему более плавно возвращаться после прохода колеса. Крестовины с пружинящим усовиком обычно не укладывают на наружном рельсе в кривых или в стрелочных переводах, где оба пути сильно загружены Материалом для крестовины служат рельсы и: углеродистой или термически обработанной стали из углеродистой стали в сочетании с отливками из марганцовистой стали или цельные отливки из марганцовистой стали. Многие годы крестовины изготовляли исключительно из рельсов из углеродистой стали. Такие крестовины все еще используются в условиях не очень интенсивного движения.
Термически обработанные крестовины.
Крестовины из мартеновской стали можно термически обработать различными методами. Напри мер, собирают крестовину на временных болтах, затем термически обрабатывают в печи специальной конструкции, после чего закаливают в масляной ванне. Еще теплую крестовину извлекают из ванны и помещают в печь, которая имеет такую же температуру, как и сталь. Печь разогревают до полной температуры отпуска и медленно охлаждают печь и крестовину, чтобы исключить опасность возникновения термических напряжений. Извлекают крестовину и, если нужно, выпрямляют, удаляют окалину, разбирают и собирают вновь на термоупрочненных болтах.
Другие методы термической обработки предусматривают кислородно-ацетиленовый обжиг только верхней части головки рельса. По одному из методов собранную крестовину погружают в ванну с водой, уровень которой примерно на 1 /4 дюйма ниже верха рельса. Верхнюю поверхность рельса в области горла, включая остряк и усовики, быстро нагревают многофорсуночными горелками. Тепло рассеивается в воде. В результате по верху рельса образуется упрочненная поверхность. Твердость постепенно уменьшается по мере приближения к нижней части. Аналогично упрочняют крестовины пламенем перед сборкой, в ванне с масляной эмульсией или нагреванием в воздухе и последующей закалкой струей сжатого воздуха, а затем струей воды.
Сборные крестовины на болтах с неподвижными частями.
AREA разработаны чертежи крестовин марок 1/4, 1/5, 1/6, 1/7, 1/8, 1/9, 1/10, 1/11 и 1/12 на болтах с неподвижными частями. Приняты сдвоенные подкладки (если не оговорен другой тип), устанавливаемые попарно на каждом брусе под крестовиной и еще на одном (или более) из брусьев под соединительными рельсами с обеих сторон от крестовины.
Сборная рельсовая крестовина состоит из таких элементов: двух остроганных рельсов, соединенных под соответствующим углом и образующих остряк; двух усовиков (выполняют роль ходовых рельсов на большей части своей длины и образуют желоба вдоль остряка); хвостовой подушки с необходимыми вкладышами, болтами и другими крепежными деталями для предохранения и поддержания жесткости крестовины.
При изготовлении остряка сборной рельсовой крестовины длинные и короткие остроганные рельсы изгибают в нужных местах под требуемым углом для удержания шейки первого рельса у конца острия крестовины, а второго — у места вреза. Подошву короткого рельса сострагивают так, чтобы она хорошо примыкала к подошве длинного рельса. Оба рельса, длинный и короткий, прострагивают со стороны головки рельса, чтобы рабочие грани были прямыми до конца сердечника. Практически нет смысла продолжать сердечник до вершины угла (теоретического центра), поэтому обычно конец сердечника обрывается там, где его ширина между рабочими гранями равна 1/2 дюйма. Это место называется практическим острием, или полудюймовой точкой. Нижняя точка сердечника выступает на 4 дюйма за практическое острие и очерчена по кривой радиуса 5 дюймов до низа желоба.
Оба усовика расходятся от переднего конца сердечника до точки, называемой горлом, где расстояние между ними равно 23/8 дюйма (±1/8 дюйма), в которой они изогнуты под углом крестовины, чтобы образовать желоб шириной 17/8 дюйма с учетом острия сердечника. Усовики вместе с сердечником направляют ободья колес через пространство за пределами остряка сердечника, а также служат направляющими для гребней. Их концы состроганы так, что образуется раструб, необходимый для направления колес в желоба без ударов и срезаны под углом 45 во избежание зацепления свисающими частями оборудования подвижного состава.
Хвостовая подушка защищает сердечник от воздействия так называемых ложных реборд изношенных колес при противошерстном движении. Она состоит из клиновидного металлического элемента (обычно изготавливается из рельсовой стали), повернутого головкой кверху, надлежащим образом закрепленного и опирающегося на подошву рельсов сердечника. Существуют различные конструкции хвостовых подушек, изготовленные из других подходящих материалов; такие подушки могут иметь истираемую поверхность, эквивалентную рельсовой стали. Хвостовая подушка точно сохраняет угол между двумя рельсами сердечника. На ее верхней поверхности сделана фаска или она скошена вниз к своему широкому концу для подъема реборд колес, чтобы предотвратить зацепление реборд изношенных колес с рельсами сердечника.
Вкладыши, называемые также заполнением, — это разделители, укладываемые между частями крестовины для удержания их в правильном взаимном положении, а иногда они выполняют роль предохранителей для защиты ног обслуживающего персонала.
К хвостовой подушке дополнительно предусмотрены заполнители желоба с одним или двумя вырезами, а кроме того, нужна подушка в передней части крестовины. Сквозные болты диаметром от 11/8 до 13/8 дюйма изготавливают из термоупрочненной стали и затягивают гайками с пружинными шайбами.
Для увеличения площади опирания на брусья и жесткости применяют опорные подушки и крестовинные подкладки. Это стальные пластины сечением 5/8χ8 дюймов, выступающие на 31/2 — 4 дюйма из-под подошвы рельса в каждую сторону от крестовины. В большинстве случаев их приклепывают к крестовине. Крестовинные подкладки могут состоять из длинных одиночных полос, перекрывающих несколько переводных брусьев, прикрепленных около центра крестовины при помощи нескольких небольших пластин. Для предупреждения смещений и удержания рельсов в неизменном положении к подкладкам с каждой стороны от крестовинных рельсов приваривают буртики.
Крестовины с подвижными усовиками.
Принципиальное различие между крестовинами с подвижным сердечником и с неподвижными элементами: один из неподвижных усовиков заменен пружинным усовиком, дополнительно поставлена пружина для возвращение этого усовика в исходное положение против остряков после прохода колес по желобу. В крестовине с пружинящим усовиком важную роль играют поддерживающие башмаки, часто в состав ее конструкции входит опорная подушка, дополненная парными рельсовыми подкладками. Для удержания пружинящего усовика в правильном положении относительно остальных элементов крестовины необходимы дополнительные принадлежности, такие, как стяжка со станинами и ограничитель стяжек. AREA разработаны чертежи крестовин с подвижными усовиками марок 1/9, 1/10, 1/11 и 1/12.
Использование крестовин с подвижными элементами ограничено почти исключительно стрелочными переводами и съездами на главных путях, где движение преобладает по прямому пути. Чтобы можно было удержать пружинящий усовик открытым при проходе поезда и легко запереть его после прохода последнего колеса, исключив передачу ударов на крестовину, устанавливают высококачественные поглотители ударов.
Пружинящий рельс резко отгибают так, чтобы создать достаточный раструб, позволяющий колесам открывать пружинящий усовик при пошерстном движении через крестовину. Для пропуска ободьев колес, следующих по прямому пути, в головке рельса должна быть выбрана треугольная выемка. Ее глубина в острие равна 1/2 дюйма и сходит на нет в точке, где обод полностью перекрывает оба рельса; треугольная выемка предупреждает удары ложных ободьев и отжатие пружинящего усовика при пошерстном движении.
Крестовина с подвижным усовиком:
1 — крестовинная подкладка; 2 — пружинный усовик; 3 — предохранительные вкладыши; 4 — усиливающая полоса; 5 — приваренный упор; 6 — теоретическое острие; 7 — практическое острие; 8 — направляющая скоба; 9 — стакан пружины; 10 — предохранитель для защиты ног; 11 — корневая подушка; 12 — длинный рамный рельс; 13 — парные подкладки с крюками; 14 — корневая подушка; 15—острие сердечника; 16 — горло; 17 — соединительная подкладка; 18 — неподвижный усовик; 19, 20—прямая и изогнутая стыковые накладки; 21 — шток;
22, 23 — внутренняя и наружная спиральные пружины; 24 — подушка направляющего выступа; 25 — направляющий выступ; 26 — зажимная скоба 27 — основной вкладыш; lк — длина крестовины; lх — длин передней и хвостовой частей; lтп, lrх— теоретическая длин передней и хвостовой частей
Пружина для крестовины.
Пружина может быть двойной, рекомендуемого AREA типа (размещается перед острием сердечника и действует на пружинный болт, проходящий через оба усовика) или одиночной (связана с пружинящим усовиком над вторым брусом за острием сердечника и опирается на прикрепленный здесь башмак). Обычно применяется двойная пружина: большего диаметра называется наружной спиралью, а меньшего — внутренней. Давление от двойной пружины передается на металлический цилиндр — направляющую втулку, а сами пружины помещаются в металлических стаканах.
Крестовины из марганцовистой стали.
Марганцовистую сталь в качестве материала для изготовления крестовин применяют примерно с 1900 г. Повышенные износостойкость и ударопрочность этой стали позволили использовать ее для изготовления крестовин, укладываемых на участках с интенсивным движением. Срок их службы обычно в 2—3 раза больше, чем у крестовин из простой углеродистой стали. В процессе этого превращения поверхностный металл «течет», но когда такая "текучесть" прекращается, поверхность сохраняет свою форму и может противостоять более сильным воздействиям.
Механическое упрочнение может произойти под подвижной нагрузкой, после приложения которой оплывший металл должен быть состроган для восстановления первоначального очертания отливки. В результате сердечник и усовики понизятся, поскольку металл уплотнится. Для сохранения плавной поверхности необходимо наплавить изношенную часть.
Крестовину можно подвергнуть механическому упрочнению перед укладкой в путь при помощи молота, пресса или методами упрочнения взрывом. Стоимость упрочнения может быть возмещена отказом от первоначальной шлифовки и наплавки после начала эксплуатации крестовины.
Цельнолитую крестовину из марганцовистой стали целесообразно укладывать на сортировочных станциях в крутых кривых, при высоких осевых нагрузках и большом числе переключений стрелочных переводов. Монолитная марганцовистая отливка работает как единое целое, без крепежных деталей, требующих ухода, а срок ее службы больше. Монолитные крестовины из марганцовистой стали неэкономичны для стрелочных переводов марки меньше 1/12, где их обычно заменяют сборнорельсовыми крестовинами из марганцовистой стали. Они экономичны для стрелочных переводов всех марок и предпочтительны для укладки на главных путях.
Сборные рельсовые крестовины из марганцовистой стали.
Такие крестовины целесообразно укладывать в пологих стрелочных переводах (длинные тонкие остряки эффективно изготавливать из марганцовистой стали), в стрелочных переводах на магистральных линиях со значительным объемом перевозок, часто отклоняемым по стрелочному переводу на боковой путь, на участках с высокими скоростями движения на станционных путях. Этот тип крестовин характеризуется невысокой трудоемкостью в эксплуатации. Для правильного взаимного положения рельсов и отливок нужно точно соединить оба конца крестовины, а для опирания на переводные брусья и удержания сердечника в точном положении использовать массивные рельсовые подкладки, часто с ребордами или клеммными крюками.
AREA разработаны чертежи для сборнорельсовых крестовин из марганцовистой стали марок 1/4, 1/5, 1/6, 1/7, 1/8, 1/9, 1/10, 1/11, 1/12, 1/14, 1/15, 1/16, 1/18 и 1/20. Литой сердечник крестовины из марганцовистой стали вмонтирован между рельсами из углеродистой стали и соединяется с ним на болтах. Вся отливка называется марганцовистым корпусом (станиной), две боковые части слева и справа — марганцовистыми усовиками, а центральная часть — сердечником. Другие части называются так же, как соответствующие части в обыкновенных сборных неподвижных крестовинах.
В конструкциях сборнорельсовых крестовин AREA из марганцовистой стали станина значительно выступает за горло крестовины и за ее хвост, заполняя пространство между хвостовыми рельсами и объединяя их с крестовиной, одновременно выполняет роль вкладыша. Усовики в месте против сердечника имеют полное сечение.
Практическое острие сердечника всех типов марганцовистых крестовин, за исключением пересекающихся под углом 25° и более, устраивается там, где расстояние между рабочими гранями составляет 5/9 дюйма вместо обычных 1 /2 дюйма. Для удобства теоретическое острие сердечника шириной 1 /2 дюйма отмечается на крестовине риской. У крестовины из марганцовистой стали при углах 25° и более ширина практического острия крестовины 1 /2 дюйма. Глубина и ширина желобов равна 17/8 дюйма; нижние края желоба закруглены радиусом 2//32 дюйма.
Монолитные крестовины из марганцовистой стали.
Этот тип разработан специально для интенсивно загруженных путей на горках и станциях. Конструкции крестовин без возвышения рельсов предназначены для участков с неограниченными скоростями движения, а цельнолитые крестовины из марганцовистой стали с ребордами на усовиках — самонаправляющие для участков с ограниченными скоростями. Конструкция крестовин сравнительно простая: одна отливка с накладками и болтами для закрепления соединительных рельсов. В таких крестовинах поставлены сдвоенные подкладки с крюками.
Монолитные крестовины из марганцовистой стали марки положе 1/12 считаются неэкономичными для повсеместного использования, поэтому в стандартах AREA предусмотрены только крестовины марок от 1/4 до 1/12 включительно, разработанные для средних и мощных рельсов. Из- за более высокой стоимости марганцовистой стали крестовины делают минимальной допустимой длины.
Монолитная крестовина из марганцовистой стали представляет собой завершенную конструкцию с дополнительным выступом в задней части, который включает в себя, кроме того, хвостовую подушку, и передний выступ. Оба выступа — вкладыши между примыкающими рельсами. Для крестовин марок от 1/7 до 1/12 AREA рекомендует использовать при рельсах массой 112 фунтов и более стыковые накладки длиной 36 дюймов, а при других рельсах — длиной 24 дюйма.
Самонаправляющие крестовины.
Экономичность и безопасность самонаправляющих крестовин или крестовин с ребордами, укладываемых на станционных путях, где скорости движения невысокие, общеизвестна. Для крестовины этого типа не нужны контррельсы — исключается из общих затрат стоимость этих элементов и принадлежностей к ним, а также постоянные дополнительные текущие расходы. Это особенно важно при уборке снега и льда.
Самоохраняющая крестовина типа ТАМПЕASE из марганцовистой стали. Боковины углублены в корпус крестовины между брусьями для облегчения подбивки
Отсутствие контррельсов исключает заботы и расходы по очистке этих элементов и поддержанию их в состоянии, обеспечивающем безопасность движения поездов.
Такая крестовина направляет реборды колеса при проходе острия при помощи повышенных гребней усовиков, которые, легко касаясь наружных поверхностей колес, без ударов отклоняют их в нужном направлении. Гребни бывают трех типов: отлитые вместе с крестовиной; с повышенными гребнями, составляющими одно целое с крестовиной: специальные, удерживаемые на месте регулируемыми элементами.
AREA одобрены стандартные чертежи для цельнолитых самонанравляющихся крестовин из марганцовистой стали марок от 1/4 до 1/10 включительно. Их конструкция в основном такая же, как цельнолитых крестовин из марганцовистой стали, но дополнена общими отливками гребней, приподнятых на 1,25 дюйма над поверхностью катания. Гребни постепенно доходят до расстояния от рабочей грани, равного ширине стандартного колесного бандажа, где до теоретического острия крестовины располагаются почти параллельно рабочим граням. От этой точки они отклоняются по кривой переменного радиуса до окончания повышенной части гребня, где обеспечивается минимальное расстояние 6 дюймов между гребнем и соответствующей рабочей гранью.