Путевое хозяйство

Железнодорожный транспорт – результат длительного и сложного развития технических средств и устройств, их совершенствования, улучшения взаимодействия, постоянного обогащения достижениями бурно развивающейся науки и техники. Вобрав в себя лучшее, железнодорожный транспорт из простого рельсового пути превратился в сложное многоотраслевое хозяйство. Развитие железнодорожного транспорта определяется научно-техническим прогрессом, который постоянно увеличивает технические возможности подвижного состава, сооружений и устройств. Интенсивность развития разнообразных технических устройств на разных этапах эволюции имеет различную динамику. Многие технические устройства в начале возникновения дают эффект, а затем их часто перестают замечать и недостаточно оценивают их значение.

Совершенствование подвижного состава, сооружений и устройств идет параллельно, периодически что-то из них временно развивается опережающими темпами или какое-то новшество дает большой эффект. И тогда требуется дополнительное развитие других технических устройств. И, тем не менее, рассмотрим динамику развития основных хозяйств: путевого, локомотивного, электроснабжения, вагонного, сигнализации, связи и СЦБ.

До Октябрьской революции используемые рельсы были разнотипны по длине и весу. По длине они составляли от 4,57 до 14,94 м. В первый период насчитывалось 13 различных размеров рельсов. В 60-х годах XIX века производство рельсов в России составляло 10-20 тыс. т. Основная потребность в рельсах обеспечивалась зарубежными поставками. Применялись железные рельсы весом от 25 до 30 кг на погонный метр, позднее их вес вырос до 35 кг. Железные рельсы даже при малых размерах движения изнашивались достаточно быстро. Срок их службы не превышал 8-10 лет.

Вплоть до первой мировой войны на магистральных линиях укладывали 1400 шпал на версту. Пропитка шпал антисептиком началась в 1880 г., но большая часть шпал укладывалась без пропитки. Срок службы составлял 4-6 лет для непропитанных и 6-8 лет – для пропитанных шпал.

В 60-70-х годах XIX века максимальные подъемы в равнинной местности были установлены 12,5 ‰, а минимальные радиусы закруглений – 400 м. В гористой местности соответственно 15 ‰ и 150 м.

В 1873 г. на Николаевской, затем на Варшавской, Ярославско-Вологодской и других железных дорогах началась укладка стальных рельсов. Первоначально они имели меньший вес, чем железные - 29-32 кг на погонный метр.

В 1908 г. установили стандарт четырех типов рельсов: Iа, IIа, IIIа, IVа соответственно весом 43,6; 38,4; 33,5 и 30,9 кг на погонный метр (рис. 18). Но к началу первой мировой войны в пути преимущественно лежали рельсы весом 30 кг на погонный метр и легче.

Рис. 18. Основные типы рельсов и их размеры (1908 г.)

В 1920 г. по инициативе НКПС была разработана классификация железнодорожных линий в зависимости от объема их работы, нагрузок на ось и типов верхнего строения пути. К линиям первого типа были отнесены такие, на которых допускались паровозы с нагрузкой 23 т на ось; к линиям второго типа – паровозы Э^у с нагрузкой на ось в 20 т, к линиям третьего типа – все остальные.

С 1931 г. на линиях первого типа стали укладывать рельсы не слабее типа IIа, 1800-1900 шпал на 1 км и щебеночный или гравийный балласт. Линии второго типа должны были иметь рельсы IIIа, 1600 шпал на 1 км и гравийный или хороший песчаный балласт. Для линий третьего типа каких-либо ограничений по верхнему строению путей не устанавливалось.

В начале 30-х годов с поступлением мощных локомотивов серий ФД, СО и четырехосных вагонов, вводом автосцепки и системы автоматического торможения грузовых поездов значительно повышается вес поездов, возрастают осевые нагрузки локомотивов до 21 т и вагонов до 20,5 т. Повсеместно начинает проявляться угон железнодорожного пути как следствие возникновения продольных сил, достигавших 7- 10 т при длине одного звена 12,5 м. Конструкция и мощность железнодорожного пути стала отставать от растущих нагрузок.

В 1937-1938 г.г. начали применять закалку рельсовых концов, а с 1960-х годов закалку рельсов по всей длине – объемную и поверхностную с нагревом токами высокой частоты.

В 1938 г. было разработано два новых профиля рельсов: Р43 (внедряемых с 1940 г.) и Р50 (опытная партия которых изготовлена, уложена в 1941 г.). Рельсы с установленным весом 43,6 кг на погонный метр, имевшие тип Ia, с 1940 г. стали именоваться типом Р43, а рельсы IIa соответственно рельсами типа Р38.

В 1940 г. грузонапряженность на сети железных дорог по отношению к 1913 г. возросла в 4 раза, осевая нагрузка локомотивов – на 30 %, вагонов - на 70 %. Средний погонный вес рельсов на главных путях, составлявший в 1913 г. 32,9 кг, к 1939 г. увеличился только до 35,8 кг, т. е. всего на 8,8 %.

После окончания войны в 1945 г. необходимо было ликвидировать последствия разрушения 65 тыс. км путей и заново создать современные конструкции пути.

Уже в 1945 г. был прокатан новый профиль рельса Р65, предназначенный для грузонапряженных линий. В дополнение к ранее разработанным типам Р43 и Р50 подготовлены проекты технических условий на изготовление рельсов более тяжелых типов. На межведомственном совещании в мае 1945 г. по железнодорожным рельсам была намечена программа перехода на серийный выпуск рельсов Р50 и Рб5, начиная с 1946 г., и полной замены cтapoгo профиля Ia новым Р43. Новый профиль Р43 при одном и том же весе в 2,4 раза повышал стойкость рельсов против изломов и дефектности.

В 1947 г. прокатана и уложена опытная партия рельсов Р50, а с 1949 г. начато их серийное производство и укладка. В связи с повышением грузонапряженности с 1951 г. отказались от укладки рельсов Р38 (IIa), а затем в 1959 г. — от Р43 (Ia). Неуклонно возрастала средняя погонная масса 1 м рельсов, лежащих в главном пути. С 1953 г. началась укладка рельсов Р65, перестали укладывать рельсы длиной 12,5 м и перешли на 25-метровые рельсы.

Рельсы Р50 и Р65 стандартного производства, изготовлявшиеся отечественными заводами, по качеству и эксплуатационной стойкости не уступали рельсам США и значительно превосходили рельсы западноевропейских стран. К началу 1957 г. в тяжелых условиях эксплуатации стали проявляться признаки недостаточной контактно-усталостной прочности рельсов. Исследованиями было установлено несоответствие эксплуатационной стойкости незакаленных рельсов стандартного производства современным, все более осложняющимся условиям их эксплуатации. В период 1957-1964 гг. было разработано, изготовлено и испытано более 50 вариантов опытных партий легированных и термически обработанных рельсов. Наилучшим оказался способ объемной закалки рельсов в масле, который увеличил срок их службы в 1,5 - 2 раза и был принят за основу технологического процесса для отделений термической обработки рельсов на металлургических комбинатах.

В связи с весьма разнообразными эксплуатационными условиями различных направлений отечественных железных дорог, особенно по грузонапряженности, появилась необходимость в разработке различных типов верхнего строения пути и выборе рациональных сфер их применения для организации более совершенной системы ведения путевого хозяйства. Наиболее целесообразным типом верхнего строения пути для заданных эксплуатационных условий считался тот, при котором безопасность движения поездов обеспечивалась при наименьших расходах на замену верхнего строения и содержание пути, а также на тягу поездов в той части, в которой они зависят от пути.

Исходя из необходимости обеспечения обращения вагонов в пределах всей сети железных дорог, самый легкий тип верхнего строения разрабатывался с учетом пропуска максимальных осевых вагонных нагрузок без ограничения скоростей движения по несущей способности пути.

Результаты многолетних наблюдений за расходами на текущее содержание пути показали, что более 80 % объема работ зависит от веса рельсов. Повышение веса рельсов на 1 кг/м давало снижение расходов на содержание пути 2 - 3%. Столь высокое уменьшение расходов объяснялось чрезвычайно большим одиночным выходом легких типов рельсов, на замену которых затрачивалось много труда. При соответствии веса рельсов эксплуатационным условиям увеличение веса рельсов на 1 кг/м приводит к экономии затрат труда на содержание пути на 1,5 - 2%. Эта экономия положена в основу разработки общесетевых норм затрат труда на содержание пути.

Разработанные методы определения сроков службы рельсов, щебня, балласта, а также анализ расходов на текущее содержание позволили комплексно решить задачу о зонах применения различных типов верхнего строения пути. Это получило практическую реализацию в Положении о проведении планово-предупредительного ремонта верхнего строения пути, земляного полотна и искусственных сооружений железных дорог СССР, утвержденном Государственным комитетом по делам строительства в 1964 г. В Положении были установлены основные типы верхнего строения пути, зоны их применения, а также условия повторного использования старогодных рельсов.

Массовая укладка рельсов Р50 и особенно Р65 позволила поставить вопрос о создании нового, бесстыкового типа пути. Затраты труда на содержание стыков в исправности достигают 40 % затрат на содержание остального протяжения пути. Из-за наличия стыков значительно сокращаются сроки службы рельсов, шпал и балласта и увеличиваются расходы на ремонт пути. Стыковые неровности воздействуют также и на подвижной состав, вызывая повышенный выход элементов, ходовых частей из-за их излома и износа. Неблагоприятно влияют стыки и на сопротивление движению поездов. При использовании рельсов в электрических цепях стыки ухудшают токопроводность цепей и часто нарушают нормальную работу автоблокировки.

Первые опытные участки бесстыкового пути температурно-напряженного типа были уложены в 1956 г. на Московско-Курско-Донбасской железной дороге. Основной особенностью температурно-напряженного бесстыкового пути являются значительные продольные силы в рельсовых плетях, возникающие при изменении их температуры. Это создает ряд проблем по обеспечению устойчивости рельсошпальной решетки, прочности рельсов, а также стыковых болтов на концах плетей при сжатии летом и растяжении температурными силами зимой.

Появление отечественных скреплений раздельного типа обеспечило возможность использования различных конструкций железобетонных оснований. В 1956 -1960 гг. создается конструкция железобетонных шпал типа С-56, рассчитанных на работу в пути в течение 40-45 лет вместо 13-14 лет при деревянных шпалах. Массовая укладка в середине 1960-х годов бесстыкового пути стала проводиться исключительно на железобетонных шпалах. С 1961 г. начато широкое внедрение бесстыкового пути на железных дорогах СССР. К началу 1968 г. уложено около 8000 км пути этого типа. Бесстыковой путь потребовал изменить конструкцию промежуточных скреплений - отказаться от костыля, перейти на клеммное прикрепление.

В 1960 - 1962 гг. началась практическая реализация конструкций железнодорожного пути на блочном железобетонном основании, который должен был обеспечить высокую стабильность рельсовой колеи, свести к минимуму расходы на текущее содержание и ремонты. Оказалось, что основание из плит существенно меняет температурно-влажностный режим грунта и характер пучения при промерзании.

Повышение скоростей движения поездов, наметившееся в период массового перевода магистралей на электрическую и тепловозную тягу (1957-й и последующие годы), потребовало коренной модернизации стрелочных переводов и создания новых конструкций с более пологими марками - 1/18 и 1/22, допускающих движение на боковой путь со скоростями до 80 - 120 км/ч. К 1964 г. были созданы новые типы стрелочных переводов к рельсам Р50 и Р65, обеспечивающие скорость по прямому пути до 160 - 180 км/ч.

В конце 1960-х годов был разработан новый ГОСТ, согласно которому вместо пяти типов деревянных шпал для укладки в главные пути было оставлено только два, а длина шпалы увеличена до 275 - 280 см. Наряду с внедрением комплексного метода в шпалоремонтных мастерских (ШРМ) это позволило увеличить средний срок службы шпал на отечественных дорогах с 12 - 13 лет в 1940 г. до 15 - 16 лет в 1970-х годах. После комплексного оздоровления шпала продолжает работать в пути не менее 4- 6 лет.

Возрастание скоростей движения, а отсюда и сил, действующих на путь (и прежде всего их горизонтальных составляющих, достигающих при скоростях 100 - 120 км/ч 8-10 т и более), потребовало резкого усиления размеров балластной призмы. Оказалось, что одного лишь увеличения мощности рельсов недостаточно. На участках бесстыкового пути частично повышает стабильность верхнего строения рост жесткости рельсошпальной решетки как рамы за счет замены костылей на клеммные прикрепители. Вместо 18 - 25 см толщины щебня под шпалами, что являлось типичным до 1956 г., на сильно грузонапряженных линиях при железобетонных шпалах в 1960-х годах установлена толщина щебня балластной призмы в 40 см (не считая нижележащей песчаной подушки), а плечо за концами шпал увеличено с 15 до 45 см.

В начале 1970-х годов существенно изменилась характеристика укладываемых в путь рельсов. В 1974 г. доля рельсов Р65 и Р75 в тоннаже поставок железнодорожному транспорту составляла 79,2 %, причем 43 % всех укладываемых рельсов приходилось на объемнозакаленные рельсы.

К 1976 г. завершились эксперименты с рельсами Р75, и в следующем году на них был утвержден стандарт ГОСТ 16210 - 77. Наряду с переходом на термическую обработку рельсов и дальнейшим совершенствованием обработки рельсов, что продлевало срок их службы в 1,5 - 2 раза, начали осуществлять профильную шлифовку рельсов в пути. После окончания первого срока службы (определяемого выходом по контактно-усталостным дефектам) рельсы типов Р50, Р65 и Р75 в большинстве случаев имели износ в пределах до 34 мм при допускаемом максимальном 9 мм. Шлифовка ликвидирует волнообразный износ и путем перемещения напряжения к середине головки рельса в еще мало работавшие на знакопеременную нагрузку слои металла включает эти слои в pa6ory, что позволило возвращать рельсы на второй срок службы после окончания первого этапа работы в пути.

К 1970 г. рельс Р50 морально устарел. Он не обеспечивал нормальную работу бесстыкового пути без периодической разрядки температурных напряжений. Отказаться в то время от проката рельсов Р50 (как в свое время был прекращен прокат рельсов Р43 (Ia), Р38 (IIa)) было экономически нецелесообразно. Отказались от укладки в путь рельсов Р50 в 1980 г. С 1980 г. рельсы Р50 использовали только для изготовления стрелочных переводов. В дальнейшем типовые стрелочные переводы марок 1/9 и 1/11, которые допускали ограничение скорости движения поездов, особенно на боковой путь, постепенно стали заменять на более мощные. В 1980-х годах значительно расширяется полигон термически упрочненных рельсов. Однако до начала 1980-х годов рельсы Р75 укладывались без закаливания. В 1990 г. средний вес рельса на отечественной сети железных дорог составлял уже 62,2 кг на погонный метр, а в пути было уложено 116,0 тыс. термически упрочненных рельсов.

Важной задачей для путейцев является создание новой конструкции пути для линий с очень высокой грузонапряженностью (более 150 - 170 млн. ткм брутто на 1 км в год). Необходимо резко уменьшить накопление остаточных деформаций и связанные с этим расстройства пути.

Возрастание скоростей движения предъявляет новые требования и к балластным материалам. Для обеспечения стабильности пути необходимо повышение работоспособности щебня при значительных динамических воздействиях, в том числе и при вибрациях. Необходим также поиск эффективных методов гидроизоляции и повышения несущей способности основной площадки земляного полотна.

Ведутся работы по созданию еще более совершенной конструкции пути, которая должна обеспечивать и высокоскоростное движение поездов, и высокую стабильность пути, что особенно важно на линиях с грузонапряженностью 150 млн. ткм брутто на 1 км и более в год.

Существующий дисбаланс между сроками службы рельсов и шпал решается увеличением темпов прироста протяженности бесстыкового пути. Как известно, при средней грузонапряженности в 20 млн. ткм брутто/км и нормативной наработке поездной нагрузки в 600 - 700 млн. т брутто срок службы объемнозакаленных рельсов составляет 30 - 35 лет. В то же время срок службы деревянных шпал хвойных пород древесины даже с учетом новых технологий пропитки не превышает в среднем 15 лет. Для Российских железных дорог, на которых около 62,9 % развернутой длины главных путей уложено на деревянных шпалах, проблема их своевременной замены имеет большое значение. В настоящее время интенсивно ведутся работы по увеличению длины плетей как эксплуатируемых, так и вновь укладываемых с доведением их до длины блок-участков и перегонов.

Особенностью работы отечественных железных дорог было запаздывание увеличения мощности пути относительно роста объема перевозок. В 80-х годах грузонапряженность железных дорог СССР превосходила этот показатель в развитых странах Западной Европы в 6-8 раз и Северной Америки в 3-4 раза. При этом для производства путевых работ предоставлялись «окна» продолжительностью 3-5 ч, исходя из условий создания минимальных помех для движения поездов. В результате более высокая трудоемкость работ по ремонту и содержанию пути, менее качественное их выполнение не обеспечивали длительную стабильность пути и приводили к сокращению межремонтных сроков и ограничению скорости движения поездов.

В соответствии с Правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации максимально допускаемая скорость движения для грузовых поездов установлена 90 км/ч. После 1990 года началось резкое снижение количества участков, обеспечивающих такую скорость, и в начале 2000-х годов участков, допускающих скорость 90 км/ч, уже практически не было.

Кроме этого, например, в графике движения поездов на 2009/2010 год было предусмотрено 2583 предупреждения об ограничении скорости движения на участках общей протяженностью 3584,4 км.

Современное верхнее строение пути в России классифицируется в зависимости от допускаемых скоростей движения и грузонапряженности линии (табл. 12).

Таблица 12

Классы железнодорожных путей, принятые в России

Грузонапряжен- ность, млн. ткм брутто на км в год	Категории пути / допускаемые скорости движения поездов, км/ч
121-140 >80	101-120 >70	81-100 >60	61-80 >50	41-60 >40	40 и менее	Станционные, подъездные и прочие пути
Главные пути
Более 50 25-50 10-25 5-10 5 и менее

Современные рельсы (рис. 19 и табл. 13) имеют высокие показатели безотказности и долговечности. Так, если в 1950 г. на 100 км пути в год «выходило из строя» 598 рельсов, то в начале 2000-х годов – около 80.

Рис. 19. Форма современного рельса и его основные характеристики

Таблица 13

Основные размеры поперечного сечения современных рельсов, мм

Размер поперечного сечения Высота рельс, Н Высота шейки, h Ширина головки, b Ширина подошвы, В Толщина шейки, е Высота пера, m

Р50 10,5

Р65 11,2

Р65К 11,2

Р75 13,5

На протяжении всей истории железнодорожного транспорта прослеживается тенденция увеличения длины рельсов. Это привело к стремлению не только сократить число стыков за счет увеличения длины рельсов, но и совсем ликвидировать рельсовый стык. Средняя длина рельсовых плетей составляет около 600 м. Современный бесстыковой путь, в основном, представляет собой чередование 550-800-метровых рельсов с участками звеньевого пути (уравнительными пролетами), в которые входят стандартные рельсы.