Направляющие рельсы

Направляющие рельсы — это элементы путевой инфраструктуры, предназначенные для задания и поддержания траектории движения колёсных транспортных средств, преимущественно рельсового транспорта (железные дороги, трамвайные линии, метрополитен), а также некоторых видов подъёмно-транспортного оборудования (краны, лифты, монорельсы). Основная функция направляющих рельсов — восприятие вертикальных и боковых нагрузок от колёс, обеспечение устойчивости и безопасности движения, а также передача этих нагрузок на нижележащие элементы пути (шпалы, балласт, плиты перекрытия).

История развития

Прообразом современных направляющих рельсов можно считать деревянные колейные дороги, применявшиеся в горном деле Европы с XVI века. В XVIII веке в Великобритании для конных железных дорог начали использовать чугунные рельсы (так называемые «угольные дороги»). Первые металлические рельсы, отлитые из чугуна, имели Г-образное сечение и укладывались на каменные опоры. В 1820 году Джон Биркиншоу (Великобритания) запатентовал прокатный рельс с плоской подошвой, что позволило значительно увеличить его прочность и долговечность. В России первые рельсы были отлиты на Урале в 1788 году, а массовое производство началось в середине XIX века на Александровском заводе в Санкт-Петербурге. С развитием паровозной тяги и ростом скоростей движения совершенствовалась и форма рельсов: к концу XIX века стандартом стал двутавровый профиль с широкой подошвой и утолщённой головкой, который используется и в современном железнодорожном транспорте.

Классификация и виды

Направляющие рельсы классифицируются по нескольким признакам:

По назначению

Железнодорожные рельсы — основной тип для магистральных и промышленных путей. Различаются по типоразмерам (Р50, Р65, Р75 — цифра обозначает массу одного погонного метра в килограммах).
Трамвайные рельсы — имеют желобчатую форму (например, Тв60, Тв65) для обеспечения проезда автомобилей и пешеходов. Желоб предназначен для реборды колёс трамвая.
Рельсы метрополитена — обычно аналогичны железнодорожным, но могут иметь усиленное сечение для работы в тоннелях с ограниченным габаритом.
Крановые рельсы — укладываются на подкрановых балках мостовых и башенных кранов. Отличаются повышенной износостойкостью и точностью профиля (например, КР70, КР100).
Рельсы для лифтов — направляющие для кабины и противовеса. Имеют Т-образное сечение, изготавливаются из холоднотянутой стали.
Монорельсовые рельсы — несущая балка для подвесного транспорта. Могут быть как стальными, так и железобетонными.

По форме поперечного сечения

Двутавровые (железнодорожные, крановые) — головка, шейка, подошва.
Желобчатые (трамвайные) — с пазом для реборды колеса.
Т-образные (лифтовые, некоторые типы кранов).
Коробчатые (для высокоскоростных магистралей, например, в системе «Маглев»).

По материалу

Стальные — подавляющее большинство рельсов. Изготавливаются из рельсовой стали (марки М76, М74, К76) с повышенным содержанием углерода и марганца.
Чугунные — исторический тип, в настоящее время практически не применяются.
Композитные — из полимерных материалов, армированных стекловолокном. Используются в условиях агрессивной среды (химические производства, морские порты) или для снижения веса.

Устройство и характеристики

Современный рельс представляет собой стальной профиль, состоящий из трёх основных частей:

Головка — верхняя часть, контактирующая с колёсами. Имеет выпуклую форму для равномерного распределения нагрузки. На головке формируется зона износа.
Шейка — средняя часть, соединяющая головку и подошву. Обеспечивает гибкость рельса и воспринимает вертикальные и боковые усилия.
Подошва — нижняя часть, опирающаяся на шпалы. Широкая подошва увеличивает площадь опоры и устойчивость.

Ключевые характеристики:

Масса погонного метра — основной параметр, определяющий грузоподъёмность и допустимую нагрузку на ось. Для магистральных железных дорог России стандарт — Р65 (65 кг/м).
Твёрдость — измеряется по шкале Бринелля (HB). Для обычных рельсов — 250–300 HB, для термоупрочнённых — до 400 HB.
Предел текучести — не менее 400–500 МПа.
Длина — стандартные длины рельсов: 12,5 м, 25 м, 50 м, а также бесстыковые плети длиной до 800 м (для скоростных магистралей).

Производство

Рельсы изготавливаются методом горячей прокатки на рельсобалочных станах. Исходным материалом служит стальная заготовка (блюм) квадратного сечения. Процесс включает:

Нагрев заготовки до 1200–1250 °C.
Прокатка через систему валков, формирующих профиль.
Охлаждение на реечном холодильнике.
Термическая обработка (закалка и отпуск) для повышения твёрдости головки.
Правка на роликоправильных машинах.
Ультразвуковой контроль и измерение геометрии.

В России крупнейшим производителем рельсов является «Евраз — Нижнетагильский металлургический комбинат» (НТМК), выпускающий рельсы для РЖД и экспорта. Также рельсы производят в Челябинске (ЧМК) и Новокузнецке (НКМК).

Применение

Основная область применения — железнодорожный транспорт. Направляющие рельсы образуют рельсовую колею, по которой движутся поезда. В России ширина колеи составляет 1520 мм (для магистральных дорог). Рельсы укладываются на шпалы (деревянные, железобетонные или стальные) и крепятся с помощью рельсовых скреплений (костыли, шурупы, клеммы). В местах соединения рельсов используются стыковые накладки и болты, а для бесстыкового пути — сварные швы.

Кроме железных дорог, направляющие рельсы применяются:

В трамвайных путях (желобчатые рельсы, утопленные в дорожное покрытие).
В метрополитене (обычно на щебёночном или бетонном основании).
На промышленных предприятиях (подкрановые пути, внутризаводские рельсовые дороги).
В горнодобывающей промышленности (шахтные рельсы для вагонеток).
В строительстве (рельсы для башенных кранов, подъёмников).
В лифтах и эскалаторах (направляющие для кабин).

Интересные факты

Самый длинный прямой участок железнодорожного пути в мире — Трансавстралийская железная дорога (478 км) — проложен по рельсам стандартного профиля.
В России действует ГОСТ Р 51685-2013, регламентирующий технические условия на рельсы железнодорожные.
Рельсы, бывшие в употреблении, часто перерабатываются в строительную арматуру или используются для создания ограждений.
В 2023 году в России начато производство рельсов из стали с повышенным содержанием хрома для увеличения срока службы на участках с интенсивным движением.

Критика и проблемы

Основные проблемы, связанные с направляющими рельсами:

Износ — истирание головки рельса в зоне контакта с колёсами, особенно на кривых участках и при высоких нагрузках. Требует регулярной шлифовки и замены.
Усталостные трещины — возникают из-за циклических нагрузок, могут приводить к излому рельса.
Коррозия — особенно актуальна в тоннелях метро и на морских побережьях.
Шум и вибрация — при движении поездов рельсы генерируют шум, который может быть снижен за счёт применения демпферов и резиновых прокладок.
Стоимость — производство и укладка рельсов требуют значительных капитальных затрат.

Источники

ГОСТ Р 51685-2013 «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия».
Шахунянц Г. М. «Железнодорожный путь» — учебник для вузов, 1987.
Рыжков А. В. «Рельсовые стали: производство и эксплуатация» — монография, 2015.
Официальные данные ОАО «РЖД» о типовых конструкциях верхнего строения пути.
Справочник «Путевое хозяйство железных дорог» под ред. В. О. Певзнера, 2018.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →