Тепловое расширение на железной дороге
ООО "ВСП33" 197183, г. Санкт-Петербург, ул. Савушкина, 112
+7(800) 930-02-27, 8-915-751-29-78, Viber: 8-915-751-29-78, WhatsApp: 8-915-751-29-78
vsp@vsp33.ru ooovsp33@gmail.com; https://vsp33.ru/
Железнодорожные пути в течение некоторого времени были основной причиной ограничения скорости в поездах. Фактически с тех пор, как паровозы были введены в регулярную эксплуатацию в первой половине прошлого века. Последующие быстрые улучшения локомотивов привели к постепенному увеличению скорости поездов и увеличению нагрузок на колеса, что, в свою очередь, постоянно увеличивало потребность в рельсах более высокого качества. Многие железные дороги в Соединенных Штатах в настоящее время имеют подвижной состав, способный двигаться со скоростью 90 миль в час, но лишь немногие пути подходят для непрерывного использования с такой скоростью. Положение в Англии, Советском Союзе, Японии, Франции, Германии и других странах в основном такое же.
Традиционные железнодорожные рельсы подвергаются горячей прокатке по размеру на сталелитейном заводе, а затем режутся на стандартную длину для отправки. При укладке пути сегменты соединяются встык с помощью «стыковых рельсовых скреплений» — коротких сегментов стальных пластин, которые перекрывают стыки и прикручиваются к концам рельсов (на фото).
В каждом стыке между концами рельса следует оставить небольшой зазор (10-15 мм), чтобы обеспечить продольное тепловое расширение рельса в жаркую погоду. Воздушные соединения не подходят для высокоскоростных линий, сейчас используются бесшовные рельсы. После того как рельсы покидают завод, их доставляют на площадку поездом в предварительно сваренных длинных отрезках, укладывают на железобетонные шпалы и окончательно сваривают на более длинные отрезки (длиной в несколько километров) на месте.
Железнодорожные пути подвергаются воздействию широкого диапазона температур: от самых холодных зимой до самых жарких летом. В континентальной части России, где температура легко варьируется от -40 до +40°C , термическая деформация составляет до полутра метра на отрезку в 10 км. Очевидно, нужно что-то делать, чтобы рельсы не расширялись и не сжимались.
На километр пути приходится примерно 2000 шпал, что означает 4000 скреплений АРС. Совместное трение всех этих скреплений предотвращает скольжение рельса по шпале. Сами шпалы очень тяжелые и устанавливаются в плотный балласт, состоящий из самоблокирующихся каменных блоков, например гравия. Это означает, что шпалы также не перемещаются по земле, поэтому меньше движений в моменте расширения или сжатия. Термическая деформация компенсируется равной и противоположной упругой деформацией, в результате чего возникает фиксированное напряжение.
Однако есть трудность. В очень жаркие дни сжимающая сила рельса может вызвать блокировку: путь смещается в бок, создавая крутые повороты, которые могут сбить поезд с рельсов.
Современные секции рельсов имеют большой второй момент площади, что помогает предотвратить коробление. Однако рельс очень длинный, поэтому, если рельсу не препятствовать смещению в бок, он очень легко прогнется. На практике тяжелые шпалы и прочный балласт обычно не позволяют рельсам двигаться как в бок, так и в продольном направлении, и риск коробления невелик. Однако на практике этот риск еще больше снижается за счет того, что рельс большую часть времени находится в напряжении. После укладки рельса, но до его сварки и крепления к шпалам, его предварительно натягивают с помощью мощных гидравлических домкратов. Конечно, после длительного периода теплой погоды, когда рельсовый состав успел прогреться, такое предварительное натяжение может и не понадобиться. Рабочая температура, при которой рельс не расширяется и не сжимается, называется «температурой нулевого напряжения», и ее обычно выбирают таким образом, чтобы свести к минимуму риск коробления при максимальной расчетной температуре, гарантируя при этом, что рельс не протянется.