Особенности устройства и работы бесстыкового пути
Главный элемент бесстыкового пути — рельсовые плети — это рельсы длиной до 25 м, сваренные между собой на рельсосварочных предприятиях (РСП) в длину до 800 м, а затем на месте, при укладке в путь, соединенные друг с другом контактной сваркой с помощью передвижной рельсосварочной машины (ПРСМ). Максимальная длина рельсовой плети не ограничена. Укладка коротких плетей, длиной менее 800 м, нежелательна, поскольку такие плети требуют значительно больших расходов на содержание. На пути с плетями длиной менее 400 м расходы на текущее содержание превышают затраты на содержание звеньевой конструкции. На коротких плетях особенно трудно содержать рельсовые скрепления из-за продольных температурных перемещений на концевых участках. Эти перемещения в период эксплуатации существенно изменяют напряженно-деформированное состояние бесстыкового пути.
Бесстыковой путь, как и звеньевой, не должен подвергаться угону. Для этого промежуточные скрепления должны обеспечивать постоянное прижатие рельса к шпале. Наибольшее распространение на сети отечественных железных дорог на бесстыковом пути с железобетонными шпалами получило скрепление типа КБ; относительно реже используются скрепления типа ЖБР и АРС. Возможна укладка бесстыкового пути на деревянных шпалах, в том числе на малодеятельных участках с применением костыльного скрепления. В последнем случае противоугоны на каждой шпале устанавливаются с двух сторон — «в замок» (ТУ-1991). В процессе эксплуатации натяжение болтов скрепления ослабевает. При недостаточном внимании к содержанию скрепления (смазке и подтягиванию болтов) происходит ослабление прижатия рельса к шпале и начинается угон, который приводит к очень быстрому разрушению всей конструкции верхнего строения пути из-за перекоса и кантования шпал, смятия резьбы, изолирующих и упругих деталей. На угоняемых участках, в их начале возникают дополнительные растягивающие, а в конце — дополнительные сжимающие продольные силы. Первые в сумме с температурными силами могут привести к разрыву рельсовой нити; вторые — к выбросу рельсошпальной решетки. В связи с этим предотвращение и профилактика угона должны быть приоритетной целью устройства и содержания бесстыкового пути, так как допустить угон несоизмеримо легче, чем затем его устранить.
Рельсовые плети, если они не сварены между собой, то соединяются при отсутствии изолирующих стыков двумя или тремя парами рельсов длиной 12,5 м. Например, в России соединение двумя парами применено на Калининградской, Приволжской, Северо-Кавказской и Юго-Восточной железных дорогах, тремя — на всех остальных. Изолирующий стык, обеспечивающий сопротивление разрыву не менее 1,5 МН, располагают в середине второй пары рельсов. Высокопрочный клееболтовой изолирующий стык, имеющий сопротивление разрыву не менее 2,5 МН (АпАТэк), допускается вваривать в середину плети (без уравнительных рельсов). Устройство уравнительных пролетов предполагает достаточно частую (сезонную и эпизодическую) необходимость перезакрепления рельсовых плетей (так называемая разрядка напряжений). Практика показала, что при закреплении плетей при достаточно высокой температуре рельсов (в оптимальном температурном интервале) ни периодическое, ни эпизодическое перезакрепление, как правило, не требуется.
На уравнительных пролетах в холодное время года зазоры в стыках максимально увеличиваются, уже к середине или к концу зимы (январь, февраль). Зазоры зависят от продольной растягивающей силы, длительности ее действия, качества закрепления плетей на концевых 200-метровых участках и от начальной величины в момент закрепления рельсов. При раскрытии зазора зимой до опасной величины — больше конструктивного (22 мм), чтобы не допустить разрыва стыка, уравнительный рельс необходимо заменять на удлиненный. Такая дополнительная работа создает потенциальную опасность выброса пути весной при повышении температуры рельсов, если вовремя не заменить этот удлиненный рельс на нормальный. Чтобы не производить такие работы, при закреплении рельсовых плетей в оптимальном температурном интервале зазоры следует устанавливать нулевыми или близкими к ним.
Ежегодно болты скрепления на концевых 200-метровых участках следует подтягивать в конце лета или в начале осени при нулевых или близких к ним значениях зазоров в уравнительном пролете. На остальной части рельсовых плетей периодически болты подтягивать можно в любое время года. На участках бесстыкового пути, состоящих из коротких рельсовых плетей, предложенная выше мера трудно выполнима.
На бесстыковом пути немаловажно поддерживать нормальные размеры и состояние балластной призмы. Балласт, как правило, — щебеночный (может быть гравийный или асбестовый), должен плотно прилегать к шпалам, прежде всего по их нижней постели, что осуществляется с помощью подбивки при выправке пути. Плотное прилегание балласта обеспечивает стабильное положение рельсо-шпальной решетки в профиле, плане и в продольном направлении не менее чем на 80 %. Остальные 20 % сопротивления перемещениям во всех трех плоскостях обеспечивает щебень, находящийся в шпальных ящиках, на плече балластной призмы и на ее откосе.
Существует ошибочное представление о том, что размер плеча балластной призмы непосредственно оказывает решающее влияние на сопротивление сдвигу шпал поперек оси пути. Плечо необходимо, прежде всего, для предотвращения интенсивного отрясе-ния концов шпал, которое затем ведет к просадкам путевой решетки и значит к неплотному прилеганию балласта к нижней постели шпал. По длине шпал балласт следует подбивать и уплотнять на всей длине от концов, за исключением 60 см на их середине. Излишне плотное прилегание балласта к середине шпал ведет к более интенсивному отрясению их концов, а затем и к поперечному излому.
Железобетонные шпалы в отличие от деревянных имеют максимальные прогибы на концах (деревянные — в подрельсовом сечении). Эта особенность увеличивает интенсивность накопления остаточных деформаций в балласте. На железобетонных шпалах динамические силы, передаваемые на балласт (особенно в стыках), также значительно выше, чем на деревянных. Это обстоятельство позволяет железобетонные шпалы применять только на бесстыковом пути. Исторически сложилось так, что на отечественных железных дорогах звеньевой путь применяют на деревянных шпалах, а бесстыковой на железобетонных. Звеньевой путь на железобетонных шпалах применять нельзя, так как на такой конструкции без очередного ремонта не удастся избежать аварийного состояния за период примерно в 2 раза меньший, чем на бесстыковом пути.
Состояние земляного полотна оказывает значительное влияние на работу верхнего строения пути. Представление о том, что при любых болезнях земляного полотна нужно отказываться от применения бесстыкового пути, является ошибочным. При возникновении на больных участках просадок интенсивность их нарастания при отсутствии стыков будет меньше. Даже в случае резких просадок или сдвигов на звеньевом пути возникли бы углы (в стыках) более опасные для движения поездов, чем на бесстыковом.
Для обеспечения устойчивости рельсошпальной решетки при высоких температурах на бесстыковом пути необходимо на участках с больным земляным полотном иметь увеличенную температуру закрепления рельсовых плетей (может быть — выше оптимальной). Такую меру борьбы с осадками или сдвигами следует сочетать с лечением больного места, что обычно должно быть предусмотрено проектом капитального ремонта.
На участках бесстыкового пути не должно быть ограничений по показателям плана и профиля. Однако на кривых с малым радиусом, как и на звеньевом пути, возникают проблемы, связанные с боковым износом наружного рельса и сдвигом рельсошпальной решетки поперек оси под действием продольных температурных сил в рельсах и боковых сил от подвижного состава. В связи с этим на кривых с малыми радиусами рекомендуется проведение технико-экономического обоснования применения бесстыкового пути, в котором следует учесть необходимость в период между капитальными ремонтами проведение замены изношенных рельсов по наружной нити. Для уменьшения интенсивности бокового износа наружной нити следует предусмотреть применение рельсов повышенной износостойкости (Р65К) и лубрикацию. Наиболее эффективна автоматическая лубрикация гребней колес устройствами, смонтированными на локомотивах.
Бесстыковой путь должен укладываться на мостах и в тоннелях. На мостах в зависимости от длины и конструкции пролетных строений и мостового полотна рельсы по-разному крепятся на шпалах, мостовых брусьях или плитах. В проектах учитывается необходимость предотвращения нежелательных совместных действий температурных продольных сил и перемещений в рельсовых плетях и пролетных строениях. При использовании скреплений КД-65 или КБ-65 применяют подрезанные клеммы, которые не препятствуют продольным перемещениям рельсов. Концы рельсовых плетей выводят за пределы моста на расстояния от 50 до 100 м.
В тоннелях проблемой обычно является необходимость предупреждения коррозии рельсов и скреплений, а на выходе и входе в тоннель — снижение повышенной динамики воздействия подвижного состава из-за резкого изменения упругости подрельсового основания. Подробные требования к конструкции и содержанию бесстыкового пути на мостах и в тоннелях даны в ТУ-2000.
Рельсовые плети для бесстыкового пути внеклассных линий и линий 1-го и 2-го классов должны свариваться электроконтактным способом из новых термоупрочненных рельсов Р65 1-й группы 1-го класса длиной 25 м без болтовых отверстий. Сварка плетей из новых рельсов длиной менее 25 м допускается с разрешения ЦП ОАО «РЖД». Для наружных рельсовых плетей кривых радиусом менее 500 м, где наблюдается интенсивный боковой износ головки рельса, должны применяться плети, сваренные преимущественно из рельсов повышенной износостойкости Р65К. При принятии мер по снижению интенсивности бокового износа головки рельса разрешается применять плети, сваренные из обычных термоупрочненных рельсов. Для линий 3-го класса плети могут быть сварены из старогодных рельсов Р65, прошедших комплексный ремонт в РСП. На мостах длиной более 25 м и в тоннелях применение старогодных рельсов в бесстыковом пути не допускается.
Длина вновь укладываемых сварных плетей в пути устанавливается проектом в зависимости от местных условий (расположения стрелочных переводов, мостов, тоннелей, кривых радиусом менее 350 м и т.д.) и должна быть, как правило, равной длине блок-участка, но не менее 400 м. На участках с тональными рельсовыми цепями, не требующими изолирующих стыков, или без тональных рельсовых цепей, имеющих рельсовые вставки, сваренные с высокопрочными изолирующими стыками с сопротивлением разрыву не менее 2,5 МН, допускается укладка плетей длиной до перегона.
С момента закрепления плетей при укладке в путь должен быть организован постоянный контроль за усилением затяжки гаек клеммных и закладных болтов и за продольными подвижками (угоном) плетей. На наличие угона указывают следы клемм на подошве рельсов, смещения подкладок по шпалам, взбугривание или неплотное прилегание балласта к боковым граням шпал и их перекос.
Контроль за угоном плетей осуществляется по смещениям контрольных сечений рельсовых плетей относительно «маячных» шпал. Эти сечения отмечают поперечными полосами шириной 10 мм, наносимыми светлой несмываемой краской на верх подошвы и шейку рельса внутри колеи в створе с боковой гранью подкладки скреплений КБ или с боковой гранью клеммы смещенной и прижатой к шпале без передачи давления на подошву рельса (ЖБР). По краске острым предметом наносится риска, по которой и производятся измерения продольных подвижек пути. В качестве «маячной» выбирается шпала, расположенная против пикетного столбика, около рельса окрашенная яркой краской. Чтобы шпала не смещалась, она должна быть всегда хорошо подбита, закладные болты на ней затянуты, типовые клеммы (на КБ) сняты или заменены клеммами с уменьшенной высотой ножек, а резиновые прокладки заменены на прокладки с низким коэффициентом трения (полиэтиленовые или др.).