Рельсовый стык является местом соединения двух примыкающих концов рельсов при наличии специального скрепления и удержания их в соответствии с нормами в отношении плана и профиля пути. Рельсовый стык состоит в основном из двух стыковых накладок, по одной с каждой стороны рельса, удерживающихся на месте с помощью болтов, как правило, с пружинными шайбами или рельсовыми стыковыми пружинами, чтобы препятствовать ослаблению натяжения болтов.
На протяжении ряда лет ни одна деталь пути не причиняла забот работникам по содержанию пути больше, чем рельсовый стык. Представляя самую слабую часть пути, он постоянно изучался, и в результате было создано множество конструкций, каждая из которых предусматривала ликвидацию присущих ему недостатков.
Среди других усовершенствований очень важным является усовершенствование болта.
Первое улучшение в этом направлении привело к применению закаленного болта, с некоторым увеличением предела упругости стали, из которой он был изготовлен. В результате усиленных лабораторных исследований и полевых опытов было предложено витковые или пружинные шайбы и рельсовые стыковые пружины изготовлять из легированной стали с высокой величиной реактивного давления для того, чтобы не допускать снижения натяжения болтов.
Накладки
Стыковые накладки могут быть разбиты на два основных класса: 1) накладки с короткой полкой или без нее (двухголовые) и 2) с длинной полкой, или уголковые.
Каждый из этих видов может быть подразделен на два типа заклинивающиеся и шарнирные. Стыки с накладками зажимающими подошву рельса, такие, как непрерывные системы Ниафи (Niafie) и др., больше не находят применения как стандартные.
Раньше обычные рельсовые стыки с накладками заклинивающегося типа были приняты как стандартные. Опирание рельсовых концов в этом случае сопровождается заклиниванием накладки.
Вертикальная часть накладки предусматривает место для размещения болтов, а верхняя и нижняя поверхности наклонены так, чтобы плотно примыкать к нижней поверхности головки рельса и к верхней поверхности подошвы.
С принятием шарнирного стыка было введено новое усовершенствование стыка. Оно выразилось в применении пирамидальной поверхности контакта накладки с верхней поверхностью подошвы рельса и сферического контакта с верхней выкружкой шейки рельса. Это позволяет применить более тяжелую головку стыковой накладки и таким образом усилить ее, а также увеличить площадь опирания накладки на рельс и, поскольку никакого контакта с нижней поверхностью головки не имеется, подгонка накладки может быть сделана очень быстро.
Без отнесения к классу или типу стыковые накладки разделяются на четырехдырные и шестидырные и бывают длиной соответственно 610 или 914 мм, хотя имеются и другие размеры, незначительно отличающиеся от этих величин.
До введения стыков с накладками без полок широко применялись уголковые накладки. Они имели шпунты (пазы) для того, чтобы поместить костыль, прикрепляющий рельс в стыке. Практика применения такой накладки привела к повышенному износу шпал и изломам накладок. Стыки с двухголовыми накладками позволяют забивать костыли без шпунтов в них. Однако применение накладок без выступающих частей (двухголовых) требует при забивке костыля для прикрепления рельса поворота его головки в полевую сторону. Рельсы в стыках с уголковыми накладками могут быть пришиты костылями, опирающимися головкой непосредственно в выступающую часть накладки, что не требует вырезов в накладке и специальных стыковых подкладок.
При выборе класса и типа стыка следует учитывать работу, которую он должен выполнять. То же самое следует сделать и в том случае, когда неясно, какую длину накладки следует применить. Рельсовый комитет AREA проводил опыты вместе с научными работниками AAR в течение 10 лет и пришел к выводу, что накладки длиной 914 мм будут иметь срок службы значительно больший, чем накладки длиной 610 мм п^и той же площади поперечного сечения, и что более длинная накладка лучше будет держать путь по уровню в стыках и, таким образом, будет способствовать удлинению срока службы рельсов.
Имеют место три способа опирания стыков: стык на шпале, стык на весу и с неопределенным местом опирания.
Стык на шпале, как правило, применяется с более длинными накладками; он размещается на трех шпалах: одна в центре и две по концам накладок. Успех этого способа опирания зависит от содержания средней шпалы, а также шпал, находящихся в непосредственной близости от нее.
Стык на весу принято применять с более короткими накладками. Обычно он опирается на две шпалы, по одной с каждой стороны. Чтобы получить удовлетворительные результаты при применении этого стыка, обе шпалы должны работать в одинаковых условиях.
Стык с неопределенным местом опирания работает в благоприятных условиях с накладками 914 мм, потому что эта длина гарантирует, что каждый конец рельса будет опираться, по крайней мере, на одну шпалу, и перемещение шпал на протяжении рельсового звена или в месте стыка не потребуется для того, чтобы создать удовлетворяющее требованиям опирание.
Конструкция. Применение какой-либо конструкции накладки зависит от колесной нагрузки, скорости, тоннажа, профиля рельса, размера и размещения отверстий в рельсах, просвета между верхом накладки и ребордами колес, возможности завертывания гаек, способов прикрепления, запаса на неизбежный износ составных частей.
Работа стыковой накладки под вертикальной нагрузкой соответствует работе простой балки, опертой на две опоры и нагруженной приблизительно в середине. При совершенном закреплении рельсов в стыках нагрузка распределяется по всей длине накладки. Максимальный положительный момент будет под колесом в центре. Точка приложения нагрузки и положения опор зависит от различных условий и в том числе от пригонки рельсов и накладок и сравнительной жесткости их. К конструкции современного стыка должны предъявляться требования, обеспечивающие достаточную прочность его, при которой отдельные рельсовые звенья превращаются в сплошную нить. В стыке прогиб должен быть таким, как и в целом рельсе.
Рельсовый стык согласно условиям AREA должен удовлетворять следующим основным требованиям:
- в стыке не должно быть отступлений по шаблону и уровню;
- прогиб в стыке не должен практически отличаться от прогиба целого рельса;
- стык не должен допускать вертикальных и горизонтальных перемещений концов рельсов один относительно другого, но должен предусматривать возможность продольных перемещений рельсов, связанных с удлинением и сокращением рельса при изменении температуры;
- стык должен быть как можно проще и иметь как можно меньше деталей, чтобы отвечать максимально своему назначению.
Ограничения в промежутках, создаваемых вертикальной плоскостью соприкасания накладки и шейки рельса и между накладкой и ребордами колес в горизонтальной плоскости, делают физически невозможным создать конструкцию стыка такой же прочности, как и рельс. Однако те конструкции, которые повсюду применяются, достаточно прочны, чтобы противостоять осевым нагрузкам, которые на них воздействуют, без большого количества дефектов.
Преобладающее количество дефектов в стыках современной конструкции почти всегда проявляется в виде трещин, начинающихся в верхней части накладки вблизи стыкового зазора. Напряжения в верхней части этого сечения изменяются от сжимающих до растягивающих и в 1,5 раза больше напряжений в нижних волокнах того же сечения.
На нижней поверхности соприкасания с рельсом напряжения изменяются от растягивающих до сжимающих и составляют половину величины напряжения в верхней части. Предполагается, что высокие контактные напряжения в месте опирания концов рельсов на верхнюю поверхность накладки, которые в сочетании с напряжениями изгиба, очевидно, создадут достаточно высокое напряжение на разрыв, могут привести к появлению трещин.
Поскольку середина верхней части накладки считается наиболее уязвимой для трещин, были поставлены опыты на машине под катящейся нагрузкой для выявления возможности уменьшить напряжения в этих местах. Было найдено, что вышлифовывание поверхности в средней части накладки увеличивает сопротивление появлению трещин без заметного укорочения срока службы накладки. В результате некоторые дороги применили новые накладки с вышлифованной поверхностью в середине, изготовленные на сталепрокатных заводах. AREA рекомендует делать такую площадку от 32 до 38 мм длиной и от 0,8 до 1,6 мм глубиной и распространить ее по ширине накладки до места, где накладка при сильном износе может захватить верхнюю выкружку и шейку рельса.
Конструкция AREA.
Надежная конструкция стыковой накладки была предметом изучения Рельсового комитета AREA в течение многих лет, после чего различные конструкции были приняты и опубликованы как стандартные. Поскольку профиль существующего рельса частично был улучшен и введены более тяжелые рельсы, AREA изъяла из употребления некоторые из устаревших стыковых накладок и добавила новые. В настоящее время только восемь стыковых накладок включены в Руководство AREA. Две основные конструкции накладок, применяющиеся с рельсами типов 44,6 RA-A и 49,6 кг/пог. м RE, являются уголковыми накладками заклинивающегося типа.
Другие шесть конструкций все без вырезов и полок — двухголовые накладки шарнирного типа для рельсов типа 57,0 кг/пог. м RE, 65,5 кг/пег. м и 66,0 кг/пог. м RE и заклинивающегося для рельсов 65,5 кг/пог. л RE, 66 кг/пог. м RE и 69,4 кг/пог. м RE.
Все шесть конструкций, исключая одну для рельса 69,4 кг/пог. лг RE. Накладка к рельсам 69,4 кг/пег. м RE была принята.
Стандартизация.
Общие соображения о практичности стыковых накладок на протяжении ряда лет привели к созданию двух направлений.
Первое направление утверждает, что форма поперечного сечения может быть уменьшена до жесткой нормы, что многие непоследовательные различия в разных вариантах, которые не влияют на срок службы накладки, могут быть объединены и что принципиальные особенности конструкции теперь хорошо обоснованы. Оно также поддерживает мнение о том, что различные имеющиеся конструкции накладок являются только разновидностями основного типа. Этот единственный основной тип мог быть пересмотрен для применения с различными профилями рельса, и он должен в равной мере удовлетворять все дороги.
Последователи второго направления стоят против жестких размеров конструкций накладок, но признают, что значительное увеличение конструкций нежелательно. Однако, по их мнению, основные принципы конструкции теперь лучше поняты (выражены), чем прежде, но последнее слово в этой области еще не сказано, и жесткая стандартизация будет замедлять и, возможно, остановит дальнейшее развитие. Они обращают внимание на тот факт, что изготовители сделали многое в области развития конструкции стыков, и это прогрессивное движение со стороны изготовителей было бы задержано и, возможно, устранено совсем введением жесткой стандартизации, и важный фактор, который вел к улучшению конструкции, был бы закрыт.
И в настоящее время некоторые накладки частных конструкций испытываются Рельсовым комитетом AREA попутно с накладками конструкции AREA, и хотя опыты не закончены, накладки частных конструкций показывают превосходные результаты.
Переходные накладки и рельсы, изменяющиеся по высоте.
Когда необходимо соединить рельсы с разной высотой и разных профилей, прибегают к помощи стыков специальной конструкции для того, чтобы выравнить рельсы по высоте и по боковой грани с внутренней стороны. Эти специальные стыки названы переходными и представлены в виде различных конструкций накладок, начиная от обычного профиля стыковой накладки и до поперечного сечения, представляющего единое целое с подкладкой, изготовленных из прокатной или литой стали. Для соединения рельсов разных весов применяются также изменяющиеся по высоте рельсы. Их обычно делают из более тяжелого рельса длиной от 2,4 до 5,5 м со скосом всех поверхностей, за исключением стороны рельса, обращенной внутрь колеи, чтобы подогнать его по размерам к профилю меньшего рельса и, таким образом, допуская использование стандартных накладок для обоих профилей рельсов.
Изолирующие стыки.
Изолирующие стыки служат для того, чтобы задерживать идущий от рельса к рельсу электрический ток с помощью изоляторов, разделяющих рельсовые концы и другие металлические детали стыка. Чтобы сохранить прочность стыка и в то же время изолировать части стыка один от другого так, как это требуется, изолятор должен быть приспособлен к формам стыковых деталей, быть по возможности тонким и хорошо сопротивляться истиранию.
Изолятор представляет фибровый материал толщиной 3,2 и 4,8 мм; изготовленный из хлопкового волокна, обработанный химически. Ему может быть придана любая форма для возможности применять между подошвой рельса и подкладкой, стыковой накладкой и шейкой рельса, в качестве изолирующих прокладок между торцами рельсов, для изоляции гаек и болтов. Фибровое волокно обладает высокой прочностью, податливостью и высокими изолирующими качествами, так что при применении оно обеспечивает надежную работу путевой цепи, поскольку хорошо сопротивляется впитыванию воды и противостоит ударам, которые могут иметь место при проходе поезда. Работа стыков с такими прокладками не нарушалась в течение четырех лет, и прокладки после этого срока остались еще пригодными для дальнейшей службы.
Особая тщательность должна быть соблюдена при сборке изолирующих стыков для удлинения срока их службы. Концы рельсов, которые примыкают к фибре, должны быть ровными и обрезанными под прямым углом так, чтобы можно было поместить между ними изолирующую прокладку.
Другими мерами, применяемыми для безотказной работы изолирующего стыка, является удаление пыли и ржавчины со всех элементов стыка, применение чистой смазки для покрытия поверхности рельсовых концов; обеспечение правильного стыкового зазора между концами рельсов для изолирующей прокладки, которая должна быть на одном уровне с рельсами, правильной сборки стыка и затяжки болтов ручным гаечным ключом.
Стыки на разводных мостах.
На концах подвижных пролетов предусматриваются стыки, которые надежно соединяют концы рельсов, когда мост закрыт, и обеспечивают быстрое разъединение концов, когда мост должен быть открыт. Рельсы в этих случаях могут быть обрезаны под прямым углом или скошены по возможности на большом протяжении, чтобы дать возможность стыку максимально удлиняться.
Вследствие неустойчивости примыкающих насыпей к мостам многие железные дороги не делают стыков в пределах 1,8 м от обратной стенки устоя моста; в случае необходимости применяются укороченные рельсы. Некоторые дороги не применяют противоугонов на металлических мостах, где шпалы уложены прямо на металлические балки; для удлинения и сокращения рельсов на концах мостов обычно предусматриваются температурные компенсаторы. Они представляют стрелочные остряки с пружинами или другими приспособлениями, чтобы возвращать их на место. Более тщательно разработанные конструкции имеют специальную плиту (лафет) для перемещения остряков.
Стыковые накладки для крепления остряка в корне.
Применение стандартной прямой накладки для крепления остряка в корне затрудняло бы его отвод. Поэтому применяется специальное крепление, состоящее из корневого вкладыша из литой стали, изогнутой накладки, специальной накладки с приспособлением, не допускающим проворачивания болта при его закреплении, и корневых болтов. Изогнутая накладка находится с внутренней стороны колеи и отогнута под углом отвода остряка, когда он находится в отведенном положении. Один из болтов корневого вкладыша сделан с утолщением, которое соответствует отверстию корневого болта ближайшего к острию остряка и допускает перемещение остряка в поперечном направлении, но не в продольном.