В нашем стремлении к комфорту и экономии, мы, люди, создали бесстыковой железнодорожный путь, который также называют бархатным путём для движения наших любимых поездов ❤️🚉
Это изобретение позволило нам путешествовать более комфортно. 🌝 Знайте, если вы в поездке не слышите частого стука колес, а лишь слышите постоянное шипящее «шшш...шшш...», то вы точно едете по бархатному пути.
Частичный отказ от зазоров в стыках помог нам уменьшить расход дизельного топлива для тепловозов и уменьшить расход электроэнергии для электровозов. Кроме того, мы экономим аж целых 9 тонн металла на каждом километре пути. А всё потому, что сварной стык для нас стал более привлекательным, нежели обычный звеньевой стык, устраиваемый как правило каждые 25 метров.
Но за такие преимущества нужно платить. Многие и не догадываются, что летом, когда мы радуемся теплым дням, наши рельсы подвержены огромному давлению. Их сжимает с усилием, которое может достигать, не поверите, 100 тонн ❗ И всё из-за этого сварного стыка.
🌡️🚂 Про температуру и рельсы 🛤️
Я помню, когда мы проходили тему бесстыкового пути, преподаватель задал нам вопрос: «Что происходит с железной дорогой, когда температура воздуха повышается? Рельсы будут растягиваться или сжиматься?»
Особо не думая, мы сказали очевидный факт. Рельсы расширяются. Ведь при нагреве известно, что металл расширяется. А поскольку рельс линейное тело, то оно будет удлиняться. Наш ответ: рельсы при повышении температуры растягиваются.
А вот и нет. 🔥 При повышении температуры рельс действительно удлиняется. Но взгляните на приведенную ниже иллюстрацию, демонстрирующую удлинение рельса. Согласны ли вы с ней?
Если мы открепим рельс, то с повышением температуры он будет удлиняться в обе стороны. Но если мы схватим его прям за подошву и зажмем на каждой шпале в скреплении, то ему будет тяжеловато удлиняться, ведь он зажат в такие «тиски».
Рельс встречает сопротивление в каждом скреплении. Представьте, что красным стрелочкам противостоят другие - зеленые стрелочки. Так мы получаем сжатие рельса. Более грамотно это явление называется температурными сжимающими напряжениями.
В теории сжатие может происходить до тех пор, пока рельс от сжатия не сломается, или скрепления не выйдут из строя. Но это возможно только в идеальном мире. В нашем же мире, происходит это:
- рельсы «зигзагом» - скажет, вероятно, основная часть людей в мире
- произошел выброс пути - говорят на железной дороге
- произошла потеря устойчивости рельсошпальной решетки - пишут в учебниках
Что такое потеря устойчивости?
Я советую, все таки понять что такое устойчивость. Ведь потеря устойчивости это самое правильное определение явления, при котором под воздействием температуры искривляется рельсошпальная решетка.
Устойчивость можно хорошо понять, если вы посмотрите на приведенную ниже схему, на которой изображено сжатие стойки.
Когда сжатая стойка устойчива
Сжатая стойка устойчива тогда, когда она возвращается в свое первоначальное прямолинейное стоячее положение. При этом мы можем оттянуть стойку вбок и она изогнется. Но когда мы её отпустим, она вернется в состояние равновесия. Это упругие деформации.
Когда сжатая стойка не устойчива
Если стойка будет еще больше сжата, то тогда, когда мы оттянем её вбок, она больше не сможет вернуться в состояние равновесия. Такая стойка не устойчива. Потеряв устойчивость, сила F, которая сжимает стойку, может погнуть её, а это уже пластические деформации.
Потеря устойчивости рельсошпальной решетки
Как и в случае с примером стойки, рельсошпальная решетка теряет устойчивость при сжатии. Это конечно не стойка, а балка на упругом основании. Но принцип такой же:
- Температура растет, рельсы сжимаются. Но рельсошпальная решетка устойчива.
- Температура продолжает расти, рельсы сжимаются сильнее. И вот в один момент происходит потеря устойчивости.
- Когда устойчивость потеряна, достаточно малейшего воздействия направленного влево или вправо и путь изогнется, его выбрасывает в какую либо-сторону.
Малейшее воздействие произойдет и без участие поезда. Сама рельсошпальная решетка никогда не подвергается идеально симметричным нагрузкам. Не все же шпалы идеально ровно лежат. Где-то микропросадки есть, где-то что еще.
Представьте, как рельсовая плеть напряжена от температурного воздействия. Она заряжена потенциальной энергией. Достаточно её тронуть и вся эта энергия пойдет на выброс пути.
Прогнозируется ли выброс пути?
Конечно же выброс пути прогнозируем. За ним ещё с прошлого века ведут наблюдения. И продолжают до сих пор.
Выброс пути проявляется в виде многоволнового искривления
рельсошпальной решетки в плане на длине от 20
до 40 м со стрелой основной волны 250-600 мм
и длиной волны в прямых участках пути 6-15 м
и в кривых - 9-20 м
Это я привел выкопировку из целой инструкции РЖД по устройству бесстыкового пути!
А что зимой? ❄️
Зимой, наоборот, появляется угроза разрыва плетей, ведь растягивающая сила может достигать 170 тонн!
Но естественно это все рассчитывается перед закреплением рельсовой плети. В той же инструкции для наших дорог оптимальная температура закрепления находится в интервале (25°C - 35°C) и от (30°C - 40°C).
Температура закрепления это вообще самая «кайфовая» температура для рельсовых плетей. Ведь это самое спокойное для них состояние.
Также стоит отметить, что полностью от звеньевых стыков мы не избавились. Ведь рельсовые плети длинной 800 метров отделяются друг от друга как раз таким стыком. Ведь рельсовые скрепления не до конца останавливают температурное удлинение и укорочение. Зазор нужен для этих «дышащих» концов. Также между длинными плетями, при определенных условиях укладывают так называемые уравнительные рельсы длиной 12.5 метров. Иногда 2, иногда 3, и иногда даже 4 штуки.
Знали ли мы про выброс раньше?
Да, про выброс знали ещё до бесстыкового пути. Между прочим, выброс может произойти и на звеньевом пути. Но для этого нужно, чтобы поезд «угнал» путь. Чтобы образовался нулевой (слепой) стык между звеньями. Про угон пути можете прочитать в этой статье.