Из чего сделаны железнодорожные пути? Информация о рельсовой стали, шпалах и балласте.

Железнодорожный путь состоит не из одного материала, а из четырех, работающих вместе: стальных рельсов, которые несут и направляют колеса, шпал, которые удерживают рельсы для распределения нагрузки, балласта или бетонной плиты, которая поддерживает всю конструкцию и отводит воду, и крепежных элементов, которые зажимают рельсы, чтобы скрепить их и противостоять всем боковым и продольным силам, прикладываемым поездом. В этом руководстве объясняется, из чего на самом деле сделан каждый компонент, какие марки стали и материалы используются и почему, а также как выбор материалов определяет режим технического обслуживания пути.

Из чего состоят железнодорожные пути: четыре компонента конструкции пути.

Любой обычный железнодорожный путь, от подъездного пути для минеральных материалов до магистральной линии со скоростью 350 км/ч, строится из одних и тех же четырех элементов. Разница между ними заключается в технических характеристиках каждого элемента, а не в принципе его работы.

• — Рельс — горячекатаная сталь, обычно углеродисто-марганцевая перлитная, сформированная в привычный двутавровый профиль с головкой, перемычкой и нижней частью. Головка воспринимает нагрузку от колеса; нижняя часть распределяет ее на шпалу.
• — Шпалы или шпалы — поперечные элементы, которые удерживают два рельса на нужной ширине колеи и передают нагрузку в балласт. В эксплуатации до сих пор используются деревянные, бетонные, стальные и композитные варианты.
• - Балласт или плита — опорный слой. На балластном пути используется щебень различной фракции; на бесбалластном пути используется бетонная или асфальтовая плита со стабилизированным основанием под ней.
• - Крепежные элементы — эластичные зажимы, опорные плиты, болты и изоляторы, которые прижимают основание рельса к шпале и предотвращают смещение всей конструкции под воздействием движения транспорта.

Над этими четырьмя элементами располагается сам профиль рельса: точное поперечное сечение головки рельса, по которому движутся колеса. Стоит сразу же разграничить вопросы материала и геометрии, поскольку решения по техническому обслуживанию принимаются с учетом обоих факторов, а шлифовка — это операция, которая определяет геометрическую сторону вопроса, в то время как материалы устанавливают пределы.

Из чего изготавливаются железнодорожные рельсы: марки стали и твердость головки.

Рельсовая сталь — это высокоуглеродистая, высокомарганцевая перлитная сталь, горячекатаная до заданного сечения, а затем, в марках, используемых на линиях с высокими эксплуатационными характеристиками, подвергающаяся термообработке для упрочнения рабочей поверхности при сохранении достаточной прочности сердцевины для поглощения ударов.

В большинстве случаев в Китае используются три класса, и именно различия между ними имеют решающее значение в практическом применении:

• - U71Mn — марка стали общего назначения, используемая в значительной части традиционных сетей. Обеспечивает оптимальный баланс прочности, твердости и свариваемости.
• - U75V — более высокоуглеродистая марка с большей твердостью, используемая там, где износ головки рельса оправдывает использование более твердого материала.
• - U78CrV — износостойкий сплав на основе хрома и ванадия, разработанный для тяжелых грузоперевозок, где осевые нагрузки в 25 тонн и более делают износ головки рельса и пластическую деформацию ограничивающим фактором срока службы рельса.

Помимо уклона, на поведение рельса в эксплуатации влияют еще два свойства:

• - Твердость головки рельса — сопротивление рабочей поверхности износу и пластической деформации. Более высокие осевые нагрузки приводят к необходимости использования более твердых рельсов с упрочненной головкой.
• - Чистота — уровень включений и внутренних дефектов, остающихся после обработки стали. Чистая сталь предотвращает появление внутренних дефектов в рельсе, которые невозможно устранить никакой шлифовкой поверхности.

Стандарты технического обслуживания рельсов в Китае основаны на документе TB/T 2344.1—2020, который охватывает рельсовые участки с вязностью от 43 кг/м до 75 кг/м. Само использование рельсов регулируется стандартом Q/CR 583. На линиях для тяжелых грузов и высокоскоростных линиях на практике наблюдается тенденция к более глубокой закалке головки и использованию более чистой стали, поскольку это напрямую приводит к увеличению интервалов между плановыми техническими обслуживаниями.

Вес и профиль рельсов: 50, 60 и 75 кг/м пути.

Прочность рельсов определяется массой на метр, и это единственное число многое говорит о предполагаемой нагрузке, которую должны выдерживать рельсы.

• - 50 кг/м — устаревший и малогабаритный рельсовый путь. Он используется на линиях с низкой интенсивностью движения, но больше не подходит для оживленных маршрутов.
• - 60 кг/м — рабочий стандарт для основных линий. В новых линиях планируется использовать непрерывно сваренные рельсы 60 кг/м, за исключением подъездных путей, а более легкие рельсы на боковых линиях могут быть заменены бывшими в употреблении рельсами 60 кг/м вместо новых рельсов 50 кг/м.
• - 75 кг/м — для тяжелых грузов и высокоскоростных перевозок, где дополнительная глубина сечения и жесткость необходимы для контроля изгибающих напряжений и износа.

Существует причина, связанная с техническим обслуживанием, по которой отказались от профиля 50 кг/м, и которую легко упустить из виду. Протектор колес в эксплуатации соответствует профилю рельса 60N. Если использовать эти колеса на более легком рельсе другой формы, пятно контакта окажется не в том месте, что приведет к аномальному износу поверхности рельса и образованию жирового налета на стороне, обращенной к ширине колеи. Другими словами, профиль рельса, который больше не соответствует профилю колес, порождает собственные дефекты — и исправление этого превращается в восстановление профиля, а не в замену рельса.

Из чего изготавливаются железнодорожные шпалы: из дерева, бетона, стали и композитных материалов.

Шпатель — это компонент, который чаще всего воспринимается как должное, и именно выбор материала для нее оказывает наибольшее влияние на устойчивость рельсов под нагрузкой.

• - Древесина — исторически универсальный материал, до сих пор используемый в местах с низкой проходимостью и в специализированных зонах. Легко поддается обработке и обладает электроизоляционными свойствами, но подвержена гниению, растрескиванию и имеет ограниченный срок службы при больших нагрузках.
• — Бетон — основной тип шпал в современном железнодорожном строительстве. Предварительно напряженные железобетонные шпалы гораздо лучше, чем деревянные, сохраняют геометрию колеи и пути при многократных нагрузках, поэтому на главных линиях и приемных путях используются самые тяжелые из доступных типов. Бетонные шпалы соответствуют стандарту GB/T 37330, бетонные шпалы для стрелок — стандарту TB/T 3080, а эластичные бетонные шпалы — стандарту TB/T 2629.
• - Сталь — используется там, где анкерное крепление должно быть тонким, прочным и ударостойким, а также в местах, где использование бетона нецелесообразно.
• - Композитные — изготовленные из инженерных полимеров стяжки являются специализированным вариантом для мест, где электрическая изоляция, химическая стойкость или малый вес важнее первоначальной стоимости.

Расстояние между шпалами и их тип также определяются классом линии. На китайских железных дорогах на главных линиях и путях приема-отправления используются более тяжелые типы шпал — III-типа и N-типа, тогда как для второстепенных линий требуются более легкие типы, а на крутых поворотах с малым радиусом и на участках путевых цепей, где необходимы изолированные шпалы, требуются специальные типы.

Балласт: слой щебня и его практическая функция.

Балласт — это щебень определённого размера — обычно гранит, базальт или известняк, иногда шлак — который укладывается и уплотняется под шпалами. Это не просто щебень: форма частиц, гранулометрический состав и прочность должны соответствовать техническим требованиям, установленным в Китае стандартом TB/T 2140.

Оно выполняет четыре задачи одновременно:

• - Распределение нагрузки — распределение концентрированной нагрузки под каждой шпалой по более широкой площади пласта.
• - Дренаж — пустоты между камнями действуют как каналы, отводящие воду от шпал и основания, что предотвращает размягчение основания железнодорожных путей.
• - Коррекция геометрии — поскольку балласт можно утрамбовывать, рельсы можно поднимать, выравнивать и устанавливать без перестройки конструкции.
• - Вибро- и шумоподавление — зернистый слой поглощает часть динамической энергии, которую проходящий поезд передает на рельсы.

Балласт также изнашивается, и это является следствием технического обслуживания. Мелкие частицы от истирания шпал, просыпанный груз и пыль заполняют пустоты, дренаж замедляется, и балласт перестает удерживать геометрию, в которую он был утрамбован. Очистка, просеивание и пополнение становятся частью рутинной работы, и слой постепенно изнашивается. Компромисс между балластными и бесбалластными путями, а также причины, по которым на высокоскоростных линиях обычно используются плитные пути, более подробно рассматриваются в нашей статье о том, почему на обычных путях под балластом находится щебень, а на высокоскоростных линиях — нет .

Крепежные элементы и соединения: что скрепляет рельсы?

Крепежные элементы — это небольшие стальные детали, которые объединяют четыре отдельных материала в единую конструкцию. Они прижимают основание рельса к шпале, поддерживают правильную ширину колеи под боковой нагрузкой и обеспечивают электрическую изоляцию, от которой зависят рельсовые цепи.

В Китае основными системами крепления являются эластичные зажимы — зажимы типа I по стандарту TB/T 1495, типа II по стандарту TB/T 3065 и типа III по стандарту TB/T 3570, причем более тяжелые типы используются там, где боковые нагрузки максимальны. В качестве элементов конструкции используются опорные плиты, прокладки, изоляторы, болтовые соединения и устройства, предотвращающие ослабление болтов.

Два момента, касающиеся застежек, обычно усваиваются на собственном горьком опыте:

• - Коррозия является основной причиной отказов. По мере увеличения циклов технического обслуживания долговечность крепежных элементов стала признанной проблемой, особенно во влажных или коррозионных средах, где обычные компоненты ржавеют и теряют свою зажимную силу. Стандартным решением являются стальные компоненты и зажимы с заданной коррозионной стойкостью, а также гайки с защитным покрытием в туннелях и на линиях погрузки сыпучих грузов.
• - Болтовые соединения требуют надежных мер защиты от ослабления. Для критически важных мест предусмотрены гайки, контргайки и шплинты, а в изолированных соединениях следует использовать изоляционные зажимы с покрытием, а не обычные.

Если система крепления выполнена неправильно, симптом проявляется не в месте крепления. Он проявляется в виде изменения ширины колеи, наклона рельсов, ударов в стыках — и, в конечном итоге, в виде дефектов головки рельса, которые обнаруживаются из-за движущейся конструкции пути, когда она должна была оставаться неподвижной.

Из чего сделаны железнодорожные пути на разных типах железных дорог: грузовых, высокоскоростных и транзитных.

Четыре основных компонента остаются неизменными, но технические характеристики резко меняются в зависимости от объема перевозок по линии. Именно поэтому одно и то же выражение — железнодорожный путь — описывает совершенно разные сооружения.

• - Тяжелые перевозки — глубокие, тяжелые рельсы класса 75 кг/м на кривых участках и в местах с высокой грузоподъемностью, износостойкие легированные марки, самые тяжелые типы шпал, крепления с высоким усилием зажима и глубокий балласт. Все рассчитано на осевую нагрузку и на возникающую в результате нее пластическую деформацию.
• - Высокоскоростные пассажирские пути — непрерывно сваренные рельсы плотностью 60 кг/м с тщательно контролируемым профилем, очень точными креплениями, а на большинстве новых участков — бесбалластный железобетонный путь вместо балласта. Приоритетом является геометрическая точность и долговременная стабильность, а не предельная несущая способность.
• - Обычный смешанный транспорт — рельсы с плотностью 60 кг/м в стандартном варианте, железобетонные шпалы, обычный балласт и программа технического обслуживания, которая должна обеспечивать как комфорт пассажиров, так и грузооборот на одном и том же участке.
• — Метро и легкорельсовый транспорт — схожие принципы, но в гораздо меньших габаритах, с крутыми поворотами , ограниченными габаритами и сильным акцентом на контроль шума и вибрации.

Как материалы, используемые для железнодорожных путей, определяют режим технического обслуживания.

Это тот аспект, который имеет коммерческое значение. Материалы, из которых изготовлена колея, определяют, какие дефекты она будет производить, как быстро они будут развиваться и что с ними можно сделать.

Дефекты головки рельса — волнистость, трещины в виде рыбьей чешуи, отслоение, жировые отложения по краям, боковой износ, смятие — составляют подавляющее большинство дефектов рельсов, обнаруживаемых в эксплуатации. Какой из них преобладает, зависит от материала и режима эксплуатации: на высокоскоростных линиях, как правило, наблюдается усталостное растрескивание от контакта, на линиях для тяжелых грузов — смятие и жировые отложения по краям, а в городском транспорте на кривых радиусом менее 1000 м — боковой износ и волнистость.

Три существенных фактора определяют порядок проведения технического обслуживания:

• — Шлифовка рельса возможна лишь до определённой степени. Шлифовка удаляет металл из основного рельса, и допустимый допуск ограничен — в китайской практике приёмки он составляет около 0,5 мм основного металла. Как только дефекты становятся глубже допустимого припуска, решение о шлифовке принимается в пользу замены.
• - Подгонка профиля — это параметр технического обслуживания, а не конструктивная деталь. Профиль рельса, который больше не соответствует колесному парку, концентрирует контакт там, где его быть не должно, что и приводит к образованию жировых отложений на кромках и аномальному износу головки. Измерение этого износа и последующее решение о шлифовке или замене рельсов изложены в нашем руководстве по измерению износа рельсов и определению момента шлифовки или замены .
• — Некоторые дефекты вообще невозможно зашлифовать. Поперечные дефекты, глубокие трещины и потеря сечения сверх допустимых пределов означают замену. Семейства дефектов и пределы их устранения перечислены в нашей статье о типах дефектов рельсов и решениях по их ремонту .

Таким образом, практическая последовательность действий для любого рельсового пути одинакова: измерение профиля и состояния поверхности, определение, находится ли дефект в пределах допустимого припуска на шлифовку, шлифовка для восстановления целевого профиля и проверка результата на соответствие измеримым критериям приемки — плоскостность в пределах 0,3 мм под метровой линейкой, шероховатость в пределах 10 мкм, отсутствие сплошной синей полосы и продольный уклон в месте перехода. Сама операция и то, как шлифовальный проход удаляет металл, описаны в нашем руководстве по шлифовке рельсов .

Подбор материалов под конкретные задачи: роль RailwayCare

Компания RailwayCare (Wuhan Huatie Ruijie Rail Transit Technology Co., Ltd.) занимается техническим обслуживанием железнодорожных путей: шлифовкой рельсов и восстановлением профиля, инспекцией рельсов, резкой и сваркой, а также поставкой расходных материалов и оборудования для выполнения этих операций. Шлифовальные круги Molaton производятся со скоростью 500 000 штук в год и поставляются для рельсошлифовальных поездов, шлифовальных машин для стрелок и ручных станков, что означает, что круг подбирается под станок и тип рельса, а не по каталогу.

Если вы запрашиваете техническое обслуживание для конкретного участка пути — коридора для тяжеловесных грузов, высокоскоростной линии, участка метро или грузового депо — пришлите нам информацию о профиле рельсов, весе рельсов, расположении шпал и балласта, а также о характере обнаруженных дефектов. Мы предложим вам соответствующее решение по шлифовке и осмотру. Более широкий перечень оборудования указан в разделе «Решения для технического обслуживания железных дорог» , а инструментарий — в разделе «Инструменты для технического обслуживания железных дорог» .

Ниже перечислены вопросы, которые чаще всего возникают у людей, когда они впервые знакомятся с материалами, из которых строится гоночная трасса.

Какие три основные части составляют железнодорожный путь?

Рельсы, шпалы и балласт — с крепежными элементами в качестве четвертого элемента, который превращает их в единую конструкцию. Рельсы направляют и несут колеса, шпалы удерживают рельсы на заданной ширине колеи и распределяют нагрузку, а балласт поддерживает и отводит воду из всей конструкции. На безбалластном пути балласт заменяется бетонной или асфальтовой плитой.

Чем рельсовая сталь отличается от обычной конструкционной стали?

Потому что она должна выполнять другую работу. Рельсовая сталь — это высокоуглеродистая, высокомарганцевая перлитная сталь, предназначенная для сопротивления износу и пластической деформации при очень высоком контактном давлении, при этом достаточно прочная, чтобы выдерживать удары, и свариваемая в полевых условиях. Конструкционная сталь оптимизирована для прочности и жесткости в статических условиях, что не соответствует этим требованиям.

Какой тип рельсов используется для перевозки тяжелых грузов?

В местах с наибольшими осевыми нагрузками используется износостойкий легированный сплав, такой как U78CrV, в сочетании с закаленными в головке рельсами. Цель состоит в том, чтобы противостоять как износу, так и пластической деформации, которые являются двумя механизмами, ограничивающими срок службы рельсов при больших нагрузках.

Используются ли в современных железных дорогах до сих пор деревянные шпалы?

Да, но выборочно. В современном строительстве магистральных железобетонных шпал преобладают предварительно напряженные железобетонные шпалы, поскольку они гораздо лучше сохраняют ширину колеи и геометрию при многократных нагрузках. Деревянные шпалы по-прежнему используются на линиях с низким трафиком и в специализированных местах, где их обрабатываемость или электротехнические свойства являются преимуществом.

Из чего делают балласт?

Под шпалами укладывается и уплотняется щебень определенного сорта — обычно гранит, базальт или известняк, а иногда и шлак. Форма частиц, гранулометрический состав и прочность — все это регламентируется, и щебень должен хорошо пропускать воду, распределять нагрузку и быть уплотняемым, что отличает его от любого другого щебня.

Почему материал рельсов имеет значение при шлифовке рельсов?

Поскольку материал определяет дефекты и пределы. Марка рельса и твердость головки определяют скорость износа и деформацию головки, а допустимый припуск на удаление основного металла определяет, можно ли устранить дефект шлифованием или необходимо заменить рельс. Измерение износа и решение о шлифовании или замене являются первым шагом в каждом цикле технического обслуживания.

Обратитесь в RailwayCare

Компания RailwayCare поставляет шлифовальные круги для рельсов, оборудование для осмотра и измерения рельсов, системы резки и сварки рельсов, шлифовальные станки, а также оказывает поддержку операторам путей в планировании технического обслуживания и обучении персонала. Если вам нужна независимая оценка режима технического обслуживания конкретной конструкции пути, пришлите нам тип рельсов, режим движения и характер обнаруженных дефектов, и наши инженеры ответят вам с соответствующим предложением.

WhatsApp: +86 15072332788

Электронная почта: simon.wang@railwaycare.com