Профиль рельса представляет собой форму поперечного сечения железнодорожного рельса [1] , перпендикулярную его длине.
Ранние рельсы были сделаны из дерева, чугуна или кованого железа. Все современные рельсы изготовлены из горячекатаной стали с поперечным сечением (профилем) , близким к двутавровой балке , но асимметричным относительно горизонтальной оси (однако см. желобчатый рельс ниже). Головка профилирована, чтобы противостоять износу и обеспечивать хороший ход, а ножка профилирована в соответствии с системой крепления.
В отличие от некоторых других применений железа и стали, железнодорожные рельсы подвергаются очень высоким нагрузкам и изготавливаются из стали очень высокого качества. Потребовалось много десятилетий, чтобы улучшить качество материалов, включая переход от железа к стали. Незначительные дефекты стали, которые могут не создавать проблем в других областях применения, могут привести к поломке рельсов и опасным сходам с рельсов при использовании на железнодорожных путях.
По большому счету, чем тяжелее рельсы и остальная часть пути, тем тяжелее и быстрее поезда, которые могут перевозить эти пути.
Рельсы составляют значительную часть стоимости железнодорожной линии. Сталелитейные заводы одновременно производят лишь небольшое количество размеров рельсов, поэтому железная дорога должна выбрать ближайший подходящий размер. Изношенные тяжелые рельсы от магистрали часто утилизируются и перерабатываются для повторного использования на ответвлении , разъезде или дворе .
Вес рельса по длине является важным фактором, определяющим прочность рельса и, следовательно , нагрузку на ось и скорость.
Вес измеряется в фунтах на ярд ( имперские единицы используются в Канаде, Великобритании и США) или в килограммах на метр (метрические единицы используются в Австралии и континентальной Европе ). Поскольку килограмм составляет примерно 2,2 фунта, а метр - примерно 1,1 ярда, показатель фунта на ярд почти в два раза превышает показатель килограмма на метр. (В частности, 1 кг/м = 2,0159 фунта/ярд.)
Обычно в железнодорожной терминологии фунт является метонимом выражения « фунты на ярд », и, следовательно, рельс весом 132 фунта означает рельс весом 132 фунта на ярд.
Рельсы производятся в большом количестве различных типоразмеров. Некоторые распространенные европейские размеры рельсов включают:
|
|
В странах бывшего СССР распространены рельсы 65 кг/м (131 фунт/ярд) и 75 кг/м (151 фунт/ярд) рельсы (термоупрочненные). Термически упрочненные рельсы 75 кг/м (151 фунт/ярд) также использовались на железных дорогах большой грузоподъемности, таких как Байкало-Амурская магистраль , но зарекомендовали себя в эксплуатации как несовершенные и в основном от них отказались в пользу 65 кг/м (131 фунт /ярд). ярд) рельсы. [2]
Американское общество инженеров-строителей (или ASCE) определило профили рельсов в 1893 году с шагом 5 фунтов / ярд (2,5 кг / м) от 40 до 100 фунтов / ярд (от 19,8 до 49,6 кг / м). Высота рельса равна ширине подошвы для каждого веса таврового рельса ASCE; а для профилей указана фиксированная доля веса в голове, стенке и подошве 42%, 21% и 37% соответственно. Профиль ASCE 90 фунтов / ярд (44,6 кг / м) был адекватным; но более тяжелые веса были менее удовлетворительными. В 1909 году Американская железнодорожная ассоциация(или ARA) указаны стандартные профили для 10 фунтов / ярд (4,96 кг / м) с шагом от 60 до 100 фунтов / ярд (от 29,8 до 49,6 кг / м). Американская ассоциация инженеров железнодорожного транспорта (или AREA) определила стандартные профили для рельсов 100 фунтов/ярд (49,6 кг/м), 110 фунтов/ярд (54,6 кг/м) и 120 фунтов/ярд (59,5 кг/м) рельсов в 1919 году, для Рельсы 130 фунтов / ярд (64,5 кг / м) и 140 фунтов / ярд (69,4 кг / м) в 1920 году и рельсы 150 фунтов / ярд (74,4 кг / м) в 1924 году. Тенденция заключалась в увеличении высоты рельса / фута. -отношение ширины и укрепление сети. Недостатки более узкой стопы были устранены за счет использования соединительных пластин .. Рекомендации AREA уменьшили относительный вес головки рельса до 36%, в то время как альтернативные профили уменьшили вес головки до 33% для более тяжелых рельсов. Внимание также было сосредоточено на улучшенных радиусах галтелей для снижения концентрации напряжений в месте соединения стенки с головкой. Компания AREA рекомендовала профиль ARA 90 фунтов/ярд (44,6 кг/м). [3] Старые более легкие рельсы ASCE продолжали использоваться и удовлетворяли ограниченный спрос на легкорельсовый транспорт в течение нескольких десятилетий. AREA объединилась с Американской ассоциацией железнодорожного машиностроения и технического обслуживания путей в 1997 году. К середине 20-го века большая часть производства рельсов была средней тяжести (от 112 до 119 фунтов / ярд или от 55,6 до 59,0 кг / м ) и тяжелых .(от 127 до 140 фунтов/ярд или от 63,0 до 69,4 кг/м). Размеры менее 100 фунтов / ярд (49,6 кг / м) рельсов обычно предназначены для более легких грузов, малоиспользуемых путей или легкорельсового транспорта . Путь с использованием рельсов от 100 до 120 фунтов / ярд (от 49,6 до 59,5 кг / м) предназначен для низкоскоростных грузовых ответвлений или скоростного транспорта (например, большая часть пути системы метро Нью-Йорка построена с использованием 100 фунтов / ярд (49,6 кг). /м) рельс). Путь главной линии обычно строится с рельсами 130 фунтов / ярд (64,5 кг / м) или тяжелее. Некоторые распространенные размеры рельсов в Северной Америке включают: [4]
|
|
Некоторые распространенные размеры крановых рельсов в Северной Америке включают:
|
|
|
Некоторые распространенные размеры австралийских рельсов включают:
|
|
Ранние рельсы использовались на запряженных лошадьми повозках , первоначально с деревянными рельсами, но с 1760-х годов использовались железные рельсы , которые состояли из тонких полос чугуна, прикрепленных к деревянным рельсам. [7] Эти рельсы были слишком хрупкими, чтобы нести тяжелые грузы, но поскольку первоначальная стоимость строительства была меньше, этот метод иногда использовался для быстрого строительства недорогой железнодорожной линии. Ремни иногда отделялись от деревянного основания и вонзались в пол вагонов наверху, создавая так называемую «змеиную голову». Однако долгосрочные расходы, связанные с частым обслуживанием, перевешивают любые сбережения. [8] [7]
Они были заменены чугунными рельсами с фланцами (то есть в форме буквы «L») и плоскими колесами вагонов. Одним из первых сторонников этого дизайна был Бенджамин Аутрам . Его партнер Уильям Джессоп в 1789 году предпочел использование « краевых рельсов », где колеса были с ребрами, и со временем стало понятно, что эта комбинация работает лучше.
Самыми ранними из них, которые широко использовались, были так называемые чугунные рельсы «рыбий живот» из-за их формы. Рельсы из чугуна были хрупкими и легко ломались. Их можно было делать только короткой длины, которая вскоре стала бы неровной. Патент Джона Биркиншоу 1820 г. [9] по мере совершенствования методов прокатки представил кованое железо большей длины, заменил чугун и внес значительный вклад в взрывной рост железных дорог в период 1825–1840 гг. Поперечное сечение сильно варьировалось от одной линии к другой, но было трех основных типов, как показано на диаграмме. Параллельное поперечное сечение, появившееся в последующие годы, получило название Bullhead .
Между тем, в мае 1831 года первый Т-образный рельс с фланцами (также называемый Т-образным профилем) прибыл в Америку из Великобритании и был проложен на Пенсильванской железной дороге компанией Camden and Amboy Railroad . Их также использовал Чарльз Виньоль в Великобритании.
Первые стальные рельсы были изготовлены в 1857 году Робертом Форестером Мушетом , проложившим их на станции Дерби в Англии. [10] Сталь — гораздо более прочный материал, который постепенно заменял железо для использования на железнодорожных рельсах и позволял прокатывать гораздо более длинные рельсы.
Американская ассоциация инженеров железнодорожного транспорта (AREA) и Американское общество испытаний материалов(ASTM) указано содержание углерода, марганца, кремния и фосфора для стальных рельсов. Прочность на растяжение увеличивается с содержанием углерода, а пластичность снижается. AREA и ASTM указали содержание углерода от 0,55 до 0,77% в рельсах весом от 70 до 90 фунтов на ярд (от 34,7 до 44,6 кг/м), от 0,67 до 0,80% в рельсах весом от 90 до 120 фунтов/ярд (от 44,6 до 59,5 кг). /м) и от 0,69 до 0,82% для более тяжелых рельсов. Марганец повышает прочность и устойчивость к истиранию. AREA и ASTM указали от 0,6 до 0,9 процента марганца в рельсах весом от 70 до 90 фунтов и от 0,7 до 1 процента в более тяжелых рельсах. Кремний предпочтительно окисляется кислородом и добавляется для уменьшения образования ослабляющих оксидов металлов в процессах прокатки и литья рельсов. [11]AREA и ASTM указали содержание кремния от 0,1 до 0,23 процента. Фосфор и сера являются примесями, вызывающими хрупкость рельсов с пониженной ударной вязкостью. Согласно AREA и ASTM максимальная концентрация фосфора составляет 0,04 процента. [12]
Использование сварных, а не сочлененных гусениц началось примерно в 1940-х годах и получило широкое распространение к 1960-м годам.
Самые ранние рельсы были просто деревянными брусками. Для защиты от износа поверх деревянного рельса был уложен тонкий железный ремешок. Это сэкономило деньги, так как дерево было дешевле металла. У системы был недостаток, заключавшийся в том, что время от времени прохождение колес поезда приводило к отрыву ремня от древесины. Впервые об этой проблеме сообщил Ричард Тревитик в 1802 году. Использование ременных рельсов в Соединенных Штатах (например, на железной дороге Олбани и Скенектади около 1837 г.) привело к тому, что пассажирам угрожали «змеиные головы», когда ремни скручивались и проникли в вагоны. [7]
Пластинчатый рельс был ранним типом рельса и имел L-образное поперечное сечение, в котором фланец удерживал колесо без фланца на пути. Рельсы с фланцами пережили небольшое возрождение в 1950-х годах в качестве направляющих стержней в парижском метро (метро с резиновыми шинами или французское Métro sur pneus ), а в последнее время - в автобусе с гидом . В Кембриджширском автобусном маршруте рельс представляет собой бетонную балку толщиной 350 мм (14 дюймов) с выступом 180 мм (7,1 дюйма), образующим фланец. Автобусы передвигаются на обычных опорных катках с установленными сбоку направляющими колесами, которые прижимаются к фланцам. Автобусы управляются нормально, когда они находятся вне автобусной полосы, аналогично фургонам 18-го века, которые можно было маневрировать вокруг карьеров, прежде чем выехать на трассу для более дальнего следования.
Мостовой рельс представляет собой рельс с перевернутым U-образным профилем. Его простая форма проста в изготовлении, и он широко использовался до того, как более сложные профили стали достаточно дешевыми, чтобы их можно было производить оптом. Это особенно использовалось на Великой Западной железной дороге 7 футов 1 ⁄ 4 в ( 2140 мм ) колеи дороги , спроектированной Isambard Kingdom Brunel .
Рельс Барлоу был изобретен Уильямом Генри Барлоу в 1849 году. Он был разработан для укладки прямо на балласт , но отсутствие шпал (шпал) означало, что его было трудно удерживать в колеи .
Рельсы с плоским дном являются доминирующим профилем рельсов во всем мире.
Фланцевый Т -образный профиль (также называемый Т-образным профилем) — это название рельса с плоским дном, используемого в Северной Америке . Деревянные рельсы с железными ремнями использовались на всех американских железных дорогах до 1831 года. Полковник Роберт Л. Стивенс , президент железной дороги Камден и Амбой , пришел к выводу, что цельнометаллические рельсы лучше подходят для строительства железной дороги. В Америке не было сталелитейных заводов, способных прокатывать большие длины, поэтому он отплыл в Соединенное Королевство, которое было единственным местом, где можно было прокатать его Т-образный рельс с фланцами (также называемый Т-образным профилем). Железные дороги в Великобритании использовали катаные рельсы других поперечных сечений, произведенные железными мастерами .
В мае 1831 года первые 500 рельсов, каждый длиной 15 футов (4,6 м) и весом 36 фунтов на ярд (17,9 кг / м), достигли Филадельфии и были размещены на пути, что ознаменовало первое использование Т-образного рельса с фланцами. Впоследствии Т-образный рельс с фланцами стал использоваться на всех железных дорогах США.
Полковник Стивенс также изобрел шип с крючком для крепления рельса к шпале (или шпале ). В настоящее время вместо крючкового шипа широко используется винтовой шип.
Рельс Виньоля - это популярное название рельса с плоским дном, в честь инженера Чарльза Виньоля , который представил его в Великобритании . Шарль Виньоль заметил, что изнашивались перила из кованого железа и чугунные стулья на каменных блоках, что было наиболее распространенной системой в то время. В 1836 году он рекомендовал рельсы с плоским дном Лондонской и Кройдонской железной дороге , для которых он был инженером-консультантом. Его оригинальный рельс имел меньшее поперечное сечение, чем рельс Стивенса, с более широким основанием, чем современный рельс, и крепился винтами через основание. Другими линиями, которые приняли его, были Халл и Селби , Ньюкасл и Норт-Шилдс , а такжеКомпания Manchester, Bolton and Bury Canal Navigation and Railway Company. [13]
Когда появилась возможность законсервировать деревянные шпалы сулемой (процесс, называемый кианизированием ) и креозотом , они давали гораздо более тихий ход, чем каменные блоки, и можно было скреплять рельсы напрямую с помощью зажимов или рельсовых шипов . Их использование распространилось по всему миру и приобрело имя Виньоля.
Стык, в котором концы двух рельсов соединяются друг с другом, является самой слабой частью рельсовой линии. Самые ранние железные рельсы соединялись простой накладкой или металлическим стержнем, прикрепленным болтами к стенке рельса. Были разработаны более прочные методы соединения двух рельсов. Когда в стык рельса помещается достаточное количество металла, стык становится почти таким же прочным, как остальная длина рельса. Шум, создаваемый поездами, проезжающими по стыкам рельсов, описываемый как «щелчок железнодорожного пути», можно устранить, сварив секции рельсов вместе. Непрерывно сварной рельс имеет равномерный верхний профиль даже на стыках.
В конце 1830-х годов в Британии железнодорожные линии имели самые разные схемы. Одной из первых линий, где использовались двуглавые рельсы, была Лондонско-Бирмингемская железная дорога , которая предлагала приз за лучший дизайн. Этот рельс поддерживался стульями , а головка и основание рельса имели одинаковый профиль. Предполагаемое преимущество заключалось в том, что при износе головки рельс можно было перевернуть и использовать повторно. На практике эта форма переработки оказалась не очень успешной, поскольку стул вызывал вмятины на нижней поверхности, а двухголовая рейка превратилась в тупиковую рейку, в которой голова была более прочной, чем ножка.
Рельс Bullhead был стандартом для британской железнодорожной системы с середины 19 до середины 20 века. Например, в 1954 году тупиковая рейка использовалась для 449 миль (723 км) новой колеи, а плоскодонная — для 923 миль (1485 км). [14] Один из первых британских стандартов , BS 9, относился к тупиковым рельсам — он был первоначально опубликован в 1905 г. и пересмотрен в 1924 г. Рельсы, изготовленные по стандарту 1905 г., назывались «OBS» (оригинал), к стандарту 1924 г. как «RBS» (пересмотренный). [15]
Рельс с утолщенной головкой аналогичен двухголовому рельсу, за исключением того, что профиль головки рельса отличается от профиля основания. Рельс с выпуклой головкой произошел от рельса с двойной головкой, но, поскольку он не имел симметричного профиля, его никогда нельзя было перевернуть и использовать ступню в качестве головки. Следовательно, поскольку у рельса больше не было изначально предполагаемого преимущества повторного использования, это был очень дорогой метод прокладки пути. Для поддержки поручня требовались тяжелые чугунные стулья , которые крепились к стульям деревянными (позже стальными) клиньями или «ключами», которые требовали регулярного внимания.
Рельсы с выпуклой головкой теперь почти полностью заменены рельсами с плоским дном на британских железных дорогах, хотя они сохранились в национальной железнодорожной системе на некоторых подъездных путях или ответвлениях. Его также можно найти на исторических железных дорогах как из-за желания сохранить исторический вид, так и из-за спасения и повторного использования старых компонентов пути с основных линий. В лондонском метро продолжали использовать рельсы с закругленными концами после того, как они были прекращены в других местах Великобритании, но в последние несколько лет были предприняты согласованные усилия по преобразованию его путей в рельсы с плоским дном. [16] Тем не менее, процесс замены пути в туннелях является медленным процессом из-за невозможности использования тяжелой техники и оборудования.
Если рельс уложен на дорожном покрытии (покрытии) или на покрытом травой покрытии, необходимо предусмотреть приспособление для фланца. Это обеспечивается прорезью, называемой фланцем. Рельс тогда известен как желобчатый рельс , желобчатый рельс или балочный рельс . Фланец имеет головку рельса с одной стороны и ограждение с другой. Ограждение не несет веса, но может действовать как контррельс.
Рифленый рельс был изобретен в 1852 году Альфонсом Лубатом , французским изобретателем, который усовершенствовал трамвайное и железнодорожное оборудование и помог построить трамвайные линии в Нью-Йорке и Париже. [17] Изобретение желобчатого рельса позволило прокладывать трамвайные пути, не причиняя неудобств другим участникам дорожного движения, за исключением ничего не подозревающих велосипедистов, колеса которых могли застрять в канавке. Канавки могут быть заполнены гравием и грязью (особенно при нечастом использовании или после периода простоя), и время от времени их необходимо очищать, что делается трамваем-скруббером. Неспособность очистить канавки может привести к ухабистой езде для пассажиров, повреждению колеса или рельса и, возможно, к сходу с рельсов.
Традиционная форма желобчатого рельса представляет собой защитную секцию балки, показанную слева. Этот рельс представляет собой модифицированную форму рельса с фланцами и требует специального крепления для переноса веса и стабилизации ширины колеи. Если вес приходится на подповерхностное покрытие проезжей части, необходимы стальные стяжки через равные промежутки времени для поддержания ширины колеи. Их установка означает, что вся поверхность должна быть раскопана и восстановлена.
Блочный рельс представляет собой более низкий профиль балочного ограждения с удаленной стенкой. В профиль он больше похож на цельную форму мостового рельса с добавленным фланцем и ограждением. Простое удаление стенки и соединение головной секции непосредственно с нижней секцией приведет к ослаблению рельса, поэтому в комбинированной секции требуется дополнительная толщина. [18]
Современным блочным рельсом с дальнейшим уменьшением массы является рельс LR55 [19] , который представляет собой полиуретановый раствор, залитый в сборную бетонную балку. Его можно установить в канавках траншей, вырезанных в существующем асфальтовом полотне для легкорельсового транспорта (трамваи). [20]
Рельсы должны быть как можно длиннее, так как стыки между отрезками рельсов являются источником слабости. По мере совершенствования производственных процессов длина рельсов увеличивалась. Длинные рельсы гибкие, и нет проблем с поворотами. [ править ] 130-метровый (430 футов) рельс, который станет самой длинной в мире цельной железнодорожной линией, был прокатан на URM, Бхилайский сталелитейный завод (ПАРУС) 29 ноября 2016 г. [21]
Сварка рельсов в более длинные отрезки была впервые введена примерно в 1893 году. Сварку можно выполнять в центральном депо или в полевых условиях.
Давно известно, что конические колеса и рельсы с одинаковым наклоном следуют кривым лучше, чем цилиндрические колеса и вертикальные рельсы. Некоторые железные дороги, такие как Квинслендские железные дороги , долгое время имели цилиндрические колеса, пока гораздо более интенсивное движение не потребовало замены. [24] Цилиндрические гусеницы колес должны «буксовать» на поворотах пути, что увеличивает как лобовое сопротивление, так и износ рельсов и колес. На очень прямолинейной трассе гусеница цилиндрического колеса катится более свободно и не «рыскает». Ширина колеи немного сужена, а галтели фланцев препятствуют трению фланцев о рельсы. Практика в Соединенных Штатах - это конус 1 из 20, когда он новый. По мере износа протектор приближается к неравномерно цилиндрическому протектору, и в это время колесо выравнивается на токарном станке или заменяется.
Рельсы изготавливаются из высококачественной стали, а не в огромных количествах по сравнению с другими видами стали, поэтому количество производителей в любой стране, как правило, ограничено.