Так вышло что цельный прокатный рельс условно разделяют на 3 части. У нас эти части называют еще со времен паровозов - головкой, шейкой и подошвой.
1 Головка рельса
Головка у рельса находится на самом верху и выглядит она как маленькая шапочка.
Головка немного скруглена и блестит, прям как гладко выбритая голова на солнце. Может быть поэтому эту часть назвали головкой?
Именно головка рельса принимает нагрузку от колесной пары и перераспределяет ее по всему рельсу.
Также в головке возникают большие контактные напряжения. Посмотрите на пару колесо-рельс, представленную ниже.
Контактные напряжения, собственно образуются в маленькой области контакта колеса и головки. Образуются в маленькой площади, именуемой пятном контакта. Причем контакта соприкосновения может быть сразу 2. Тогда такой контакт называется двухточечным. Ниже представлена схема. На средней схеме в красный кружочек должна быть заключена еще одна точка. Посмотрите на гребень колеса.
Также во время эксплуатации головка рельса истирается (изнашивается). Ниже представлен вертикальный и горизонтальный износ головки.
А когда одна грань головки уже довольно сильно износилась, то рельсы могут поменять местами как на приведенной ниже схеме.
В университете, кстати, мы вычисляли прочность рельса как раз из условия, что его головка износилась на 6 мм.
Отметка головки рельса является, наверное, самой распространенной информацией на железной дороге. Когда делают изыскательские работы, когда снимают железнодорожный путь, то обязательно снимают отметку головки рельса.
Чтобы запроектировать переезд, нужно знать отметку головки рельса. Чтобы запроектировать сливо-наливную эстакаду, нужно тоже знать отметку головки рельса. При проектировании капитального ремонта железной дороги всегда составляется продольный профиль по головке рельса.
2 Шейка рельса
Шейка у рельса такая тоненькая, но такая крепкая. Даже когда все трясется под проходящим поездом, она уверено стоит и не изгибается.
Долгое время в жизни я считал, что именно благодаря шейке рельс хорошо сопротивляется изгибу. Но я ошибался, даже несмотря на то, что хорошо умел решать задачи по сопромату. Я считал, что избавление от лишнего материала с боков, якобы, увеличивает сопротивление изгибу. Но нет.
Когда колесо давит на рельс, то он прогибается (изгибается). А под воздействием изгиба, самая верхняя часть головки сжимается больше всех, а самая нижняя часть подошвы наоборот, растягивается больше всех. И расчетная модель построена таким образом, что эти усилия связаны линейным законом. Смотри ниже на линейную зависимость, так называемую эпюру внутренних усилий.
То есть шейка частично сжимается и частично растягивается. При этом внутренние усилия уменьшаются по мере приближения к центру рельса.
Когда говорят о том, что, якобы, наш автомат «Калаш» пробивает рельсу, то имеется ввиду конечно пробитие шейки. Я посмотрел на форумах, чтобы убедиться в этом. Люди пишут, что пробивает далеко не всегда 😏. Такая вот рельсовая сталь.
Именно, кстати, в шейку вставляют болты, для создания рельсового стыкового скрепления. Просверливание отверстия, конечно, влечет за собой ослабление рельса. Но как мы убедились по линейной эпюре, это ослабление минимизировано.
3 Подошва рельса
Подошва это самая нижняя часть рельса. Благодаря большой площади опирания, рельс устойчиво стоит.
Подошва довольно толстая и массивная часть. Ее не просверливают, да и это нежелательно, ведь как мы видели по линейной эпюре, в подошве возникают максимальные растягивающие усилия.
Невредимая подошва зажимается в рельсовых скреплениях.
Кстати, чтобы смягчить воздействие трения металл-металл, под подошву подкладывается резиновая прокладка, которая, в том числе придает пути амортизирующее свойство. Ниже на прокладку указывает красная стрелочка.
