На верхней поверхности земляного полотна, называемой основной площадкой, укладывают балластную призму, на которую опираются рельсовые опоры. Ее назначение состоит в распределении давления от рельсовых опор на возможно большую площадь основной площадки земляного полотна, создании сопротивления горизонтальным поперечным и продольным перемещениям опор и уменьшении жесткости подрельсового основания.
Основными материалами, применяемыми для балластной призмы, являются щебеночные, асбестовые, гравийные и песчаные материалы. Иногда в качестве балластов применяют ракушку и шлаки. Материалами, обладающими лучшими упругими и прочностными свойствами, являются щебень и асбестовый балласт (отходы асбестового производства).
Конструкции балластной призмы для однопутных, двухпутных и многопутных линий и станционных путей различны. Несколько отличаются конструкции балластной призмы на прямых и кривых участках пути. На рис. 31, а и б показаны типовые конструкции балластного слоя вместе с рельсами и шпалами в прямых и кривых для двухпутного участка. В кривых возвышение наружного рельса над внутренним (см. 2.2.3) производится за счет увеличения толщины балласта призмы со стороны наружного рельса кривой.
Рис. 31. Поперечный профиль балластной призмы из щебня на песчаной подушке на прямом (а) и на кривом (б) двухпутном участке; А — уширение междупутья в кривой
Таблица 4
* В числителе — толщина слоя щебня при деревянных шпалах, в знаменателе — прн железобетонных.
Для создания при эксплуатации пути запаса по высоте балластного слоя на его осадку и повышения надежности защиты основной площадки земляного полотна от остаточных деформаций целесообразно иметь тем большую толщину балластного слоя, чем больше грузонапряженность участка, на котором этот слой укладывается. С повышением грузонапряженности целесообразно также увеличивать ширину балластной призмы за счет присыпки балласта за торцами шпал (увеличение плеча балластной призмы).
Из-за большей жесткости пути на железобетонных шпалах вертикальная нагрузка на них больше, чем на деревянных, так как при большей жесткости пути рельс распределяет нагрузку на меньшее число шпал (см. гл. 3). Поэтому для защиты земляного полотна от остаточных деформаций при железобетонных шпалах толщина балластного слоя должна быть большей, чем при деревянных шпалах. В СССР приняты основные размеры балластного слоя, приведенные в табл. 4.
Балластный слой из щебня, гравия, песка и шлаков должен хорошо пропускать воду атмосферных осадков, т. е. быть не загрязненным мелкими примесями и загрязнителями от провозимых грузов: угольной пылью, торфяной крошкой и т. п. Загрязнение «балластного слоя приводит в теплое время года к выплескам пути, а при замерзании увеличивает жесткость пути.
2.2.1.5. Стрелочные переводы
Одиночные стрелочные переводы состоят из стрелки, соединительной части и крестовин с контррельсами (рис. 32). Кроме них, существуют двойные и перекрестные переводы.
Конструкции стрелочных переводов представляют собой особую область техники верхнего строения пути, и их описание дается в специальной литературе [39, 40]. Ниже рассмотрены лишь те конструктивные особенности обыкновенных одиночных стрелочных переводов, которые определяют их взаимодействие с подвижным составом.
Стрелки состоят из двух рамных рельсов, двух остряков, двух комплектов корневых устройств, переводного механизма, упорных и опорных устройств. Рамные рельсы изготавливаются из обычных типовых рельсов (Р50, Р65, Р75), а остряки — из рельсов специального профиля. Остряки могут быть прямолинейными и криволинейными. Узел, в котором происходит поворот остряка, называют корнем остряка (см. рис. 32), а противоположный его конец — острием. Угол, образованный прямым направлением рамного рельса и касательной, проведенной к рабочей грани кривого остряка в точке его пересечения с этим рамным рельсом, называют начальным углом βΗ. Угол, образованный с рамным рельсом касательной к рабочему канту остряка в его корне, называют стрелочным углом и обозначают через β. Обычно значение βΗ находится в пределах 20—60'. В конструкциях стрелочных переводов, предназначенных для высокоскоростного движения поездов, встречается βΗ<20'. Значения стрелочных углов β обыкновенно находятся в пределах от 1 до 2°.
При движении колесных пар на боковой путь, в направлении от рамных рельсов к крестовине («против шерсти»), колесная пара ударяет гребнем в боковую рабочую грань тем сильнее, чем больше угол их встречи (угол удара βγ); при движении в обратном направлении («по шерсти») возможен удар гребня под некоторым углом в рамный рельс. Каждый проход колеса с рамного рельса на усовик (и обратно) сопровождается вертикальными перемещениями колеса, т. е. колесо как бы преодолевает вертикальную неровность.
Соединительная часть стрелочного перевода представляет собой прямолинейную и криволинейную часть пути (переводную кривую), соединяющую стрелку с крестовиной частью. Переводная кривая чаще всего устраивается в виде круговой кривой без возвышения наружного рельса.
Рис. 32. Основные элементы обыкновенного стрелочного перевода:
1 — остряки; 2 — рамный рельс; 3 — упорная нить переводной кривой; 4 — контррельсы;
5 — крестовина; 6 — переводные брусья; 7 — переводной механизм
Рис. 33. Сборная крестовина с литым (а) и подвижным (б) сердечником:
1 — изнашиваемая часть усовиков; 2 — усовой рельс; 3 — сердечник; 4 — литая часть усовиков; 5, 6 — длинный и короткий рельсы сердечника; 7 — упорные накладки; 8 — лафат; 9, 10 — тяги
Крестовины бывают жесткие (рис. 33, а) и с непрерывной поверхностью катания (рис. 33, б). Тангенс угла сердечника крестовины называют ее маркой; он же обозначает марку стрелочного перевода. Основными марками стрелочных переводов дорог СССР являются 1/9 и 1/11; кроме того, применяют переводы марок 1/6, 1/18 и 1/22. Известны и другие марки стрелочных переводов.
Крестовины обычного типа состоят из сердечников и усовиков. При перекатывании колеса с усовиков на сердечник (или в обратном направлении) из-за качения его по различным фактическим кругам катания, а также в результате износа колеса и крестовин колесо совершает вертикальные перемещения. Быстрые перемещения колеса приводят к возникновению вертикальных и горизонтальных сил инерции колесной пары и удару колес по сердечнику или усовику. Поэтому размеры износа крестовин строго ограничиваются.
При проходе колеса через вредное («мертвое») пространство крестовины, где реборда его не имеет боковой опоры, колесная пара направляется контррельсом. В этом движении колесо при входе в желоб между сердечником и усовиком ударяет по отведенным частям усовика и контррельса. Сила этого удара и размер поперечного смещения колесной пары зависят от угла набегания на усовик и горизонтальной жесткости усовика и колесной пары.
Большие и важные исследования динамических процессов на стрелочных переводах, а также методов проектирования и эксплуатации стрелочных переводов проводят в ЛИИЖТе профессора С. В. Амелин, Μ. ΓΊ. Смирнов, В. Ф. Яковлев.
Основные нормативные размеры устройства и допусков содержания различных стрелочных переводов (типов рельсов, марок крестовин) различны и потому приводятся для каждого такого типа стрелочного перевода индивидуально [27, 36].