Глава I
РЕЛЬСОВЫЙ ПУТЬ НА ГОРОДСКОЙ УЛИЦЕ И ПРОМЫШЛЕННОЙ ПЛОЩАДКЕ
ЭЛЕМЕНТЫ ПУТИ И УСЛОВИЯ ЕГО РАБОТЫ
Железнодорожный и трамвайный рельсовый путь состоит из земляного полотна и верхнего строения. В некоторых случаях в его состав входят специальные искусственные сооружения.
Назначение пути — направить движение колес подвижного состава, воспринять, упруго переработать и распределить на большую площадь нагрузку этих колес. Путь и все его элементы по своему состоянию, прочности и устойчивости должны обеспечивать бесперебойное, безопасное и плавное движение поездов* с установленными скоростями. Земляное полотно является основанием путевой конструкции; оно выравнивает неровности рельефа, отводит воду в стороны от пути, передает давление от балластного слоя на поверхность земли.
Искусственные сооружения — это мосты, водопропускные трубы, различные конструкции, предназначенные для отвода поверхностных вод с покрытия, балластного слоя, земляного полотна; понижения уровня грунтовых вод, отвода воды от стрелочных механизмов.
К основным элементам верхнего строения пути относятся рельсы, скрепления, специальные части (стрелки, крестовины, пересечения), температурные компенсаторы, шпалы, бесшпальные основания, балластный слой, а для трамвайного пути еще и дорожные покрытия.
Шпалы и бесшпальные основания являются опорами для рельсов, обеспечивают неизменность их положения, воспринимают давление от рельсов и передают его на балласт.
Балласт — это своеобразная подушка из песка или щебня, смягчающая удары колес о рельсы. Воспринимая нагрузку от шпал, балласт распределяет ее на возможно большую площадь земляного полотна, уменьшая величину этой нагрузки, приходящуюся на единицу площади. Рельсы служат для поддержания колес подвижного состава и направления их движения, непосредственно воспринимают от них давление и передают его на шпалы. Скрепления соединяют рельсы между собой и со шпалами. Специальные части обеспечивают соединения и пересечения путей.
Дорожные покрытия (сплошные асфальтовые, железобетонные или штучные) чаще всего определяются не конструкцией пути, а требованиями городского благоустройства и необходимостью пропуска автотранспорта. Тем не менее вид покрытия и его техническое состояние влияют на работу пути.
Таким образом, элементы, составляющие рельсовый путь, очень непохожи друг на друга. Это обыкновенная земля и сталь, из которой делаются рельсы, щебень балластного слоя и стрелочный механизм, деревянные или железобетонные шпалы, асфальтовое покрытие и т. д. Несмотря на это, путь представляет собой единую конструкцию. Все элементы этой конструкции тесно связаны друг с другом и изменения в состоянии или работе любого из них ведут к изменениям в состоянии или работе других элементов и всего пути в целом. Кроме того, это приводит к изменениям во взаимодействии пути и подвижного состава.
Сравнительно простая конструкция рельсового пути обычно работает весьма напряженно и находится в неблагоприятных условиях. Почти непрерывно на путь действуют динамические нагрузки от колес движущихся вагонов и локомотивов. При взаимодействии пути и подвижного состава возникают разнородные усилия. Даже в ненагруженном состоянии путь в целом и все его элементы подвергаются постоянному воздействию разнообразных сил и факторов.
*Под поездами понимаются не только железнодорожные составы, но и отдельно следующие локомотивы, дрезины, составы из двух и более трамвайных вагонов, одиночные трамвайные вагоны.
Все факторы, которые действуют на путь, можно разделить на естественные и эксплуатационные. Влияние естественных факторов не зависит непосредственно от размеров движения поездов и может проявляться даже в тех случаях, когда какое-то время движение отсутствует вообще. К таким естественным воздействиям относится, например, действие атмосферных и подпочвенных вод. Вода, насыщая балластный слой или земляное полотно, снижает их несущую способность (способность выдерживать нагрузку) и резко увеличивает упругие и остаточные деформации. На несущую способность балласта влияет также его засорение и загрязнение, которые, правда, ускоряются по мере увеличения объемов движения. Засорение и загрязнение балласта отрицательно влияют также на его дренирующую способность, т. е. на способность пропускать воду. Кроме этого, при промерзании балластного слоя иногда развиваются так называемые пучины. Сезонные изменения температуры вызывают в рельсах и скреплениях весьма значительные температурные напряжения. Наконец, в определенных условиях проявляется химическое влияние среды, в которой работает путь. Это ведет к ускоренному разрушению деревянных шпал, коррозии металла рельсов и скреплений. Кроме того, на характер взаимодействия колес с рельсами влияет состояние контактирующих металлических поверхностей (степень влажности, наличие пыли, обледенение и т. п.).
Эксплуатационные факторы возникают только при движении поездов в процессе взаимодействия пути и подвижного состава. Когда вагон, электровоз, тепловоз или паровоз (в дальнейшем мы будем все эти транспортные средства называть одним словом — экипаж) стоит на рельсах и не движется, на путь действует нагрузка, равная давлению колес экипажа на рельсы, и через него на все элементы конструкции пути. Статическая нагрузка от колеса на рельс — это вес экипажа, который приходится на это колесо.
При движении экипажа возникают дополнительные силы, которые делают нагрузку от колеса на рельс переменной величиной. Эти дополнительные силы вызываются вертикальными колебаниями экипажа на рессорах, колебаниями колес за счет упругости самого пути, наличием неровностей на пути или на самом колесе. Эти силы могут ;быть направлены как сверху вниз, так и снизу вверх. Таким образом, они могут как увеличивать, так и уменьшать величину статической нагрузки. На путь действуют и горизонтальные силы, связанные с боковым давлением колеса на рельс, возникновением в кривых участках пути центробежной силы, действием температурных изменений, сил тяги и торможения и некоторых других факторов. Все эти нагрузки прежде всего воспринимает рельс. Через рельс и систему скреплений они передаются шпалам, балласту и земляному полотну. Таким образом, в работу включается вся конструкция.
Особо проявляется влияние эксплуатационных факторов, связанных не с воздействием движущихся поездов, а с особенностями самого пути и его содержания. Сюда следует отнести дополнительные начальные напряжения, которые появляются в рельсах при изгибе их на рельсогибочном прессе перед укладкой в кривых участках; нагрузки, которые испытывают шпалы от воздействия безрельсового подвижного состава; напряжения и нагрузки, возникающие при производстве некоторых ремонтных работ (разгонка зазоров, рихтовка, перешивка пути). Все эти закономерности справедливы и для трамвайного, и для железнодорожного рельсового пути. Но им присущи и свои специфические особенности.