Познакомившись с земляным полотном - фундаментом пути и искусственными сооружениями, пора разобраться с тем, как работает верхнее строение пути: рельсы, шпалы, скрепления, балласт. Сойдем с обочины на нулевом месте, устроимся неподалеку и понаблюдаем.
  Из тоннеля вынырнул тяжелый грузовой состав, ведомый двумя электровозами. Стук колес все ближе и ближе - и вот уже мимо нас мелькают вагоны. Кажется, нет им конца.
  Смотри внимательно! Видишь, как под колесами рельс прогибается, проседает вместе со шпалой, которая немного утапливается в щебень, а потом снова выпрямляется и принимает первоначальное положение? Вот оно главное качество верхнего строения пути, его основное назначение - упруго воспринимать давление колес поезда, передавать его на фундамент - основную площадку земляного полотна - и направлять движение колес. Как колеса направляются рельсами и почему они не соскакивают с них, мы уже узнали раньше. Выясним теперь, как действует и для чего нужен каждый элемент верхнего строения (рис. 5).

Рис. 5. Схема передачи вертикального давления на элементы пути

  Первым элементом, принимающим на себя давление колеса, является рельс. На него действуют многие силы. Это, прежде всего, часть массы локомотива или вагона, приходящейся на одно колесо. К нему добавляются давление, возникающее от колебания вагона на рессорах, сила, появляющаяся при перекатывании колеса по неровности на пути, и давление, причиной которого служит неровность, имеющаяся на самом колесе. В итоге колесо давит на рельс с силой от 100 до 250 килоньютонов (от 10 до 25 тонн).
  Кроме вертикальных сил, на рельс действуют и горизонтальные, направленные поперек и вдоль пути. Когда локомотив идет по рельсам, то в прямом участке пути он, как я уже говорил, виляет, т.е. качается из стороны в сторону. В кривых на рельсы действует поперечная центробежная сила, о которой ты уже знаешь. Проходящий состав стремится увлечь за собой рельсы, угнать их. Возникает сила угона, действующая вдоль пути. Наконец, при изменении температуры металл рельсов нагревается или охлаждается, в них возникают внутренние температурные усилия.

Рис. 6. Поперечное сечение рельса

  Вот сколько разнообразных нагрузок воздействует на рельс при проходе по нему поезда! Чтобы противостоять им, рельс должен быть прочным и износоустойчивым.
  Если разрезать рельс поперек, получим его профиль (рис. 6). Сразу четко выявятся головка и подошва рельса. Размеры профиля определяют тип рельса. Самый легкий стандартный рельс типа Р50 и самый тяжелый - Р75. Есть еще тип Р65. Цифры здесь показывают, какова примерная масса метрового куска рельса в килограммах.
  Нормальная длина стандартного рельса 25 метров. Чтобы получить непрерывную поверхность катания, рельсы стыкуют между собой.
  Вот, посмотри, между шпалами соединяются два рельса. Это стык (рис. 7). Он должен быть таким же прочным, как и сам рельс. Конструкция его проста. На концах каждого рельса просверлено два или три отверстия в шейке, концы соседних рельсов с обеих сторон сжаты накладками с такими же отверстиями, в которых проходят туго затянутые стыковые болты.

Рис. 7. Стыковые скрепления рельсов

  Состыкованные между собой рельсы не соприкасаются. Между ними есть зазор. Он нужен для того, чтобы каждый рельс мог удлиняться или укорачиваться при повышении или лонижении температуры.
  Итак, колесо давит на рельс. А дальше? Дальше ты видишь металлическую подкладку, лежащую между рельсом и шпалой. Она относится к так называемым промежуточным рельсовым скреплениям, т.е. к устройствам, которые прикрепляют рельсы к шпалам. Подкладка воспринимает давление от рельса и передает его шпале.
  Перед нами путь с деревянными шпалами. Заметь, что рельсы и подкладки к шпалам прикреплены или, как говорят путейцы, пришиты заостренными с одной стороны металлическими стержнями квадратного сечения с овальными головками. Это костыли. К железобетонным шпалам подкладки крепят отдельно - болтами, а уже к ним болтами же привинчивают рельсы. Правда, бывает, что рельсы на железобетонные шпалы кладут без подкладок. Тогда их болтами прикрепляют к шпалам, подкладывая под подошву лишь упругую прокладку. Кстати, такие прокладки применяют и в первом случае. Их вставляют между рельсом и подкладкой, а также между подкладкой и шпалой. Узел скрепления становится более упругим, а путь - менее жестким, удары колес сказываются слабее.
  У шпалы два основных назначения. Первое - воспринимать усилия от рельсов и передавать их балласту, второе - сохранять необходимую ширину колеи, Пока у нас наиболее распространены деревянные шпалы - такие, как лежат перед нами. Вообще-то они очень хорошо удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям: упруги, несложны в изготовлении, к ним удобно прикреплять рельсы. Но они сравнительно недолго служат и требуют больших затрат строевого леса. Из срубленного дерева диаметром 26-28 сантиметров на изготовление шпал идет лишь нижняя часть, так как у верхней мал диаметр. Поэтому для укладки шпал на 1 километре пути нужно вырубить 2 гектара леса в возрасте 80-100 лет.
  В 1959 г. на дорогах СССР началась массовая укладка железобетонных шпал. Такие шпалы служат в пути втрое дольше деревянных, потому что не гниют и гораздо прочнее их. Железобетонные шпалы лучше сопротивляются сдвигу в балласте, а поэтому путь приобретает большую устойчивость.
  Но это не значит, что у железобетонных шпал нет недостатков. Главный из них - большая жесткость. Чтобы ее понизить, между подкладкой и шпалой укладывают упругие нашпальные прокладки.
  Рельсы к железобетонным шпалам прикрепляют иначе, чем к деревянным. Еще при изготовлении шпал в них предусматривают пустоты, куда потом вставляют закладные болты - головкой внутрь шпалы, стержнем наружу (рис. 8). К этим болтам гайками привинчивают подкладки, а уже к подкладкам при помощи клемм другими болтами прижимают подошву рельса. Это так называемое раздельное прикрепление рельса к шпале в отличие от нераздельного - костыльного, где костыли сразу же держат и рельс, и подкладку.

Рис. 8. Прикрепление рельсов к железобетонным шпалам скреплением КБ с закладным болтом

  Когда смотришь сверху на путь, на подошве рельсов видны висящие скобы. Зачем они?
  Да вот зачем. Есть на пути такое явление - угон. (Помнишь, мы уже говорили о силе угона?) Угон представляет собой большую опасность, так как из-за него нормальные размеры зазоров в рельсовых стыках нарушаются, шпалы сдвигаются со своих уже уплотненных мест - проседают под поездом, в результате появляется много других неисправностей.
  Для предотвращения продольного сдвига рельсов и служат эти скобы, называемые противоугонами. Противоугоны крепко сжимают подошву рельсов и своей нижней частью упираются в подкладку, заставляя сопротивляться силам угона шпалу и балласт, рельс теряет способность передвигаться вслед за поездом.
  Противоугоны ставят на участках с костыльным скреплением. Клеммно-болтовое раздельное промежуточное скрепление при хорошем содержании само обладает противоугонными свойствами. Крепко затянутые клеммные болты не дают рельсу сместиться по подкладкам.
  Наконец, нам осталось разобраться с последним элементом верхнего строения пути - балластом.
  Балласт - важнейшая часть пути, служащая основанием для рельсо-шпальной решетки. И посмотри, сколько у него разных назначений:
  - принимать на себя нагрузку, передаваемую от поезда через рельсы и шпалы, и распределять ее на поверхность земляного полотна;
  - не позволять шпалам сдвигаться вдоль и поперек пути;
  - смягчать удары, возникающие при проходе поезда из-за неровностей на рельсах или колесах;
  - обеспечивать возможность выправки пути.
  Балласт должен быть прочным и обладать хорошими дренирующими свойствами, т.е. быстро пропускать через себя воду.
  Какой же материал лучше всех удовлетворяет этим требованиям?
  Опыт показал, что щебень. Его изготовляют на специальных заводах путем дробления камня. Размеры зерен щебня определены стандартом. Кроме того, в качестве балласта применяют отходы производства асбеста (асбестовый балласт), гравий, ракушку, крупнозернистый песок. На всех главных линиях укладывают только щебень или асбестовый балласт. Протяжение пути со щебеночным балластом на наших дорогах быстрыми темпами растет.
  Балласт не беспорядочно насыпают на земляное полотно, а укладывают в виде призмы строго установленных для каждого случая размеров. И между щебнем и земляным полотном устраивают промежуточную песчаную подушку. Ее делают для того, чтобы зерна щебня не утапливались в мягкий грунт земляного полотна, и, наоборот, чтобы мелкие частицы этого грунта не проникали в щебень и не засоряли его. А засоренный щебень - уже плохой балласт, так как он лишится одного из основных свойств. Кроме того, песчаная подушка препятствует разжижению и усыханию грунта.
  Теперь ты знаешь самое главное об устройстве и работе под поездом обычного железнодорожного пути. Видишь, какая это сложная и ответственная конструкция! Но есть еще и особые конструкции пути. Некоторые из них уже сейчас превращаются из особых в обычные, другим это уготовано в близком или далеком будущем. Путь будет постоянно совершенствоваться.

6. Колея без стыков

  Стук вагонных колес на рельсовых стыках своей ритмичностью давно уже привлекал многих поэтов и композиторов. В ритме стука колес писали стихи и слагали песни, особенно на железнодорожную тематику. И вот этот стук на дорогах начинает исчезать.
  "Выехал с булыжника на асфальт", - говорят иногда машинисты, попадая со стыкового пути на бесстыковой, или, как его называют, "бархатный". Это путь нашего настоящего и будущего, его укладка увеличивается из года в год.
  Бесстыковой путь отличается тем, что в нем вместо рельсовых звеньев служат сварные рельсовые плети длиной 800-950 метров, а иногда и больше.
  Наверное, в школе на уроках физики у вас ставили такой опыт: нагревали железный стержень, крепко зажатый с двух концов, а он, не имея возможности удлиниться, изгибался. Как же ведет себя бесстыковой путь при повышении температуры в жаркий летний день или в зимнюю стужу, когда спирт в термометре опускается далеко за нулевую отметку? Ведь рельсовые плети тоже металлические, да к тому же намного длиннее школьного стержня. И на них нет зазоров, которые заполняются при нагревании рельсов и открываются при их охлаждении.
  Несмотря па все это, бесстыковой путь остается в неизменном, стабильном положении. Почему?
  Дело в том, что длинные рельсовые плети при их охлаждении или нагреве относительно температуры укладки все-таки изменяют свою длину. Но укорачивается или удлиняется не вся плеть, а только ее сравнительно короткие концевые участки. Середина же остается неподвижной и вот из-за чего. Продольные температурные силы, возникающие в плети при изменении температуры, не могут справиться с силами трения. Скрепления столь крепко прижимают плети к шпалам, что не дают рельсу сдвинуться по подкладкам.
  Но в рельсах при нагревании появляются большие продольные силы сжатия, а при охлаждении - силы растяжения. И здесь возникает вот какая довольно серьезная опасность.

Рис. 9. Выброс пути

  Если сжимающие силы окажутся очень большими, то обе рельсовые плети все-таки смогут искривиться, и путь (рельсы вместе со шпалами) сдвинется в сторону обочины (рис. 9). А этого никак нельзя допустить, потому что поезд, проходящий в момент сдвижки (выброса) по пути или наехавший на искривленный путь, потерпит крушение. Значит, беспредельно нагревать рельсовые плети нельзя. На сколько же градусов может безопасно подняться температура по сравнению с температурой укладки? Это устанавливают специальным расчетом.
  При этом учитывают мощность рельса (его тип), вид шпал (деревянные или железобетонные) и характеристику участка - прямой он или кривой. (На кривом участке выброс более вероятен, так как путь уже изогнут. Остается его лишь немного подтолкнуть.) Так вот, если годовой размах (амплитуда) изменения температуры рельса (от наименьшей до наибольшей) превышает допустимую величину, то рельс надо освободить от возникающих при этом температурных сил. Как их ликвидировать? Для этого весной и осенью каждую плеть раскрепляют и встряхивают специальными приборами, давая ей возможность свободно укоротиться или удлиниться. Потом ее снова прикрепляют к шпалам. Такая работа называется "разрядкой температурных напряжений в плети".
  Между двумя соседними плетями укладывают по 2-4 уравнительных рельса. Когда плети удлиняются, эти рельсы заменяют более короткими, а когда укорачиваются - более длинными.
  В последнее время интенсивно внедряется бесстыковой путь без сезонной разрядки температурных напряжений. Он экономит много трудовых затрат. Возможность укладки такого пути определяют расчетом, учитывающим колебания температуры, воздействие на путь локомотивов, прочность рельсов, скорость движения поездов и другие условия. Напряжения, возникающие в рельсах, в таких случаях не превышают максимально допустимых, поэтому раскреплять и встряхивать плети не надо. Удлинение или укорочение их концевых участков компенсируют укладкой уравнительных рельсов разной длины.
  Расходы на содержание бесстыкового пути по сравнению со стыковым на 25-30% меньше; рельсы, шпалы, балласт в нем служат дольше. Поезду идти по пути без стыков легче, чем со стыками, поэтому сопротивление движению уменьшается, а значит, электровозы меньше затрачивают электроэнергии, а тепловозы - дизельного топлива, меньше изнашиваются локомотивы и вагоны. Прямая экономия ресурсов!

7. Пути соединяются, пути пересекаются

  Вернемся на железнодорожную станцию. Что мы еще увидим? Вот с перегона прибыл грузовой поезд. Он не подошел к перрону, а по одному из боковых путей прошел куда-то далеко, за стоящие рядами вагоны.
  На перегон отправился другой состав. К перрону тихо подкатила электричка.
  Станция живет, работает. Поезда приходят и уходят, локомотивы с вагонами переходят с одного пути на другой. А как они переходят? Для этого служат стрелочные переводы (рис. 10). Они так названы потому, что переводят поезд с пути на путь. Их иногда называют просто стрелками, хотя стрелка - это лишь часть стрелочного перевода.

Рис. 10. Стрелочный перевод пути

  Стрелочные переводы относятся к соединениям путей.
  Вот, кстати, один перевод недалеко от нас. Видишь, к станционному пути примыкает ветка? Чем она к этому пути присоединяется? Стрелочным переводом, причем обыкновенным. Подчеркиваю, что обыкновенным, потому что есть переводы разных видов.
  Посмотри на этот перевод (рис. 11). Вот по станционному пути движется состав, которому надо пройти на ветку. Он доходит до стрелочного перевода и попадает на первую его часть - стрелку. В пределах стрелки уже нет обычных рельсов, а есть рамные рельсы и остряки. Рамные рельсы стыкуются с рельсами станционного пути, по которому идет состав, являются как бы их продолжением. Рамные рельсы изготовляют из обычных путевых рельсов, особым образом их обрабатывая.

Рис. 11. Схема обыкновенного стрелочного перевода

  Давай встанем у передних стыков рамных рельсов и посмотрим на них. Рельс, идущий по прямому станционному пути, прямой, а уложенный в направлении ветки, изогнутый! Эта ветка примыкает к пути справа от нас. К левому рамному рельсу прижался специальный заостренный рельс, называемый поэтому остряком. Другой такой же остряк отошел от правого рамного рельса на некоторое расстояние. Выходит, как только первые колеса электровоза дойдут до этого места, левое колесо покатится по остряку вправо, а правое колесо - по правому рамному рельсу. Вслед за первой колесной парой направо повернет и весь поезд.
  Остряки строгают из рельсов специального профиля и в тупой (корневой) части соединяют их с рамными рельсами так, чтобы острие (заостренная часть) могло передвигаться вправо и влево - то прижиматься к рамному рельсу, то отходить от него. При этом для прямого направления остряки делают прямолинейными, а для ответвляющегося пути - криволинейными. Остряки связаны между собой тягами и переводятся одновременно.
  Итак, колеса электровоза пошли по правому рамному рельсу и левому остряку и, наконец, миновали первую часть стрелочного перевода - стрелку, которая окончилась там, где окончились остряки и рамные рельсы. Колеса вступили теперь на вторую часть перевода - соединительные пути.
  Это отрезки пути, которые соединяют стрелку с крестовинной частью. Ничего особенного они собой не представляют, только лежат не на шпалах, а на брусьях. Один путь идет прямо, а другой отклоняется. Но вот они кончаются, и начинается крестовинная часть.
  В этой части собственно и происходит пересечение путей. Отклоненные остряками колеса по соединительному пути попадают на крестовину - специальное желобчатое устройство. Оно обеспечивает проход ребордчатых колес по определенному желобу на ответвляемый путь.
  Напротив крестовины к противолежащему рельсу приболчен контррельс - металлическая полоса специального проката с отогнутыми концами. Он тоже образует желоб, по которому идет колесная реборда. Таким образом, одно колесо колесной пары идет по крестовике, а другое - через желоб, образованный контррельсом. Контррельс не дает колесной паре сместиться и направляет ее движение так, чтобы реборда второго колеса попала в нужный желоб крестовины.
  Желоба в крестовине образованы ее сердечником и усовиками. Колесо в нашем случае сначала идет по усовнку, а потом перекатывается через "вредное" пространство на сердечник. Во "вредном" пространстве колесо не направляется рельсовой нитью. Попасть в правильный желоб помогает ему в это время контррельс, удерживающий второе колесо.
  Пройдя крестовннную часть, колеса электровоза попадают уже на обычный путь, и поезд идет туда, куда его направил стрелочный перевод.
  Вот, пожалуй, и все основное об обыкновенном стрелочном переводе. Обыкновенным он назван потому, что один путь у пего всегда прямой, а другой ответвляется вправо или влево. Таких переводов на железных дорогах подавляющее большинство. Если же прямого пути нет, а обе линии поворачивают в разные стороны (или в одну и ту же сторону), то перевод называется симметричным (несимметричным) разносторонним (односторонним).
  Различают переводы по типам рельсов и маркам крестовин. Чем положе ответвление пути, тем меньше марка и больше допускаемая скорость на боковой путь. На наших дорогах существуют переводы марок 1/6, 1/9, 1/11, 1/18 и 1/22, из них больше всего стрелок марок 1/9 и 1/11.
  Можно еще добавить, что "вредное" пространство есть не на каждой крестовине. Теперь все шире и тире у нас применяют крестовины с подвижным сердечником (рис. 12). Он переводится в нужное положение, как остряк стрелки, и закрывает "вредное" пространство. Колесо при этом катится, как по обычной рельсовой нити. Это гораздо безопаснее, крестовина меньше изнашивается, отпадает необходимость в контррельсе.

Рис. 12. Крестовина с подвижным сердечником

  Все металлические части стрелочных переводов, как и рельсы на обычном пути, прикреплены к переводным брусьям. Это своего рода шпалы, только длиннее, потому что они связывают воедино и стрелку, и соединительные пути, и крестовинную часть.
  Вот ты и познакомился с основными конструкциями пути и путейских сооружений.

  См. также:
→1.2 Значение путевого хозяйства.
...
→2.1 Содержание пути - ответственное дело.
→2.2 Содержание пути - ответственное дело.
→3. Обновление пути - строго по плану.
→4. Сложное и важное путевое хозяйство.
→5. Путейская техника за рубежом.

  Источник: Л.Ф.Троицкий, Горжусь профессией путейца. - М.: Транспорт, 1985. (Кем быть?)