Рельс

Рельс — это металлическая балка специального профиля, предназначенная для направления движения колёс подвижного состава рельсового транспорта, восприятия нагрузки от колёс и передачи её на нижнее строение пути (шпалы, балласт, земляное полотно). Рельсы являются основным элементом верхнего строения железнодорожного пути, а также используются в конструкциях трамвайных, метрополитеновских, подкрановых и рудничных путей.

История

Первые прототипы

Прообразом рельсов можно считать деревянные направляющие, применявшиеся на рудничных вагонетках в Европе с XVI века. Для снижения износа дерево стали оббивать металлическими полосами. В 1767 году в Англии на заводе в Колбрукдейле были впервые отлиты чугунные рельсы, однако они были хрупкими и недолговечными.

Чугунные и железные рельсы

В 1789 году английский инженер Уильям Джессоп предложил конструкцию рельса с закраиной (ребордой), что позволило колёсам с гладким ободом удерживаться на пути. В 1803 году в Лондоне был проложен первый чугунный рельсовый путь для конной железной дороги. С развитием паровой тяги в начале XIX века потребовались более прочные материалы. В 1820 году Джон Биркиншоу запатентовал способ прокатки железных рельсов, что позволило наладить их массовое производство.

Стальные рельсы

Переломным моментом стало внедрение бессемеровского и мартеновского способов производства стали во второй половине XIX века. Первый стальной рельс был изготовлен в 1857 году на заводе в Шеффилде (Англия). Сталь оказалась значительно прочнее и долговечнее чугуна и железа. В России первые стальные рельсы начали выпускать на Нижнетагильском и Путиловском заводах в 1870-х годах. К началу XX века стальные рельсы полностью вытеснили железные.

Классификация рельсов

Рельсы классифицируются по нескольким основным признакам.

По назначению

• Железнодорожные — для магистральных линий общего пользования, подъездных путей, станций.
• Трамвайные — имеют жёлоб для прохода реборды колеса, что позволяет утапливать рельс в дорожное покрытие.
• Метрополитеновские — по конструкции близки к железнодорожным, но имеют меньшую массу и специфические требования по шумопоглощению.
• Подкрановые — для крановых путей, имеют широкую подошву и усиленную шейку для восприятия больших точечных нагрузок.
• Рудничные — для внутришахтного транспорта, отличаются меньшей высотой и массой.

По типу профиля

В России и странах СНГ принята буквенно-цифровая маркировка, где буква обозначает назначение, а цифра — массу одного погонного метра в килограммах. Основные типы:

В Европе и США распространены стандарты UIC (Международный союз железных дорог) и AREMA (Американская ассоциация железнодорожного транспорта).

Устройство и конструкция

Форма поперечного сечения

Современный рельс имеет двутавровое сечение, которое состоит из трёх основных частей:

• Головка — верхняя утолщённая часть, контактирующая с колёсами. Имеет выпуклую поверхность катания и боковые грани для направления реборды колеса.
• Шейка — вертикальная средняя часть, соединяющая головку и подошву. В ней выполняются отверстия для болтов стыковых накладок.
• Подошва — нижняя расширенная часть, обеспечивающая устойчивость рельса на шпалах и передачу нагрузки на путь.

Материал

Рельсы изготавливаются из рельсовой стали — высокоуглеродистой легированной стали с содержанием углерода 0,6–0,8 %, марганца (до 1,5 %), кремния (до 0,5 %), а также микролегирующих добавок (ванадий, титан, хром). Для повышения износостойкости головку рельса подвергают объёмной или поверхностной закалке.

Длина

Стандартная длина железнодорожных рельсов в России составляет 12,5 м и 25 м. Для бесстыкового пути (бархатного пути) применяются рельсовые плети длиной до 800 м, свариваемые на рельсосварочных предприятиях. В мире распространены длины 12, 18, 24, 36 м.

Производство

Технологический процесс

Производство рельсов включает несколько этапов:

1. Выплавка стали в кислородных конвертерах или электропечах.
2. Внепечная обработка (вакуумирование, рафинирование) для удаления газов и неметаллических включений.
3. Разливка на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) в блюмы или слябы.
4. Прокатка на рельсобалочных станах, где заготовка проходит через систему калибров, формирующих профиль.
5. Термическая обработка — закалка головки токами высокой частоты или в масле, отпуск.
6. Правка на роликоправильных машинах.
7. Контроль качества — ультразвуковая дефектоскопия, магнитный контроль, измерение геометрии.

Крупнейшие производители

• Россия: «Евраз» (Нижнетагильский металлургический комбинат, Новокузнецкий металлургический комбинат), «Мечел» (Челябинский металлургический комбинат).
• Украина: «Азовсталь» (Мариуполь).
• Китай: Baowu Group, Ansteel.
• Индия: Jindal Steel & Power.
• Япония: Nippon Steel.
• Европа: Voestalpine (Австрия), ArcelorMittal (Люксембург).

Эксплуатация и дефекты

Износ

В процессе эксплуатации рельсы подвергаются износу головки (волнообразный, боковой, вертикальный), контактно-усталостным повреждениям (выкрашивание, отслаивание) и пластическим деформациям. Нормативный срок службы рельсов на магистральных линиях составляет 10–15 лет, после чего они подлежат замене или ремонту (наплавка, шлифовка).

Дефекты

Основные виды дефектов рельсов:

• Трещины — продольные, поперечные, косые (возникают из-за внутренних напряжений, усталости металла, дефектов сварки).
• Отколы — выкрашивание головки, подошвы, шейки.
• Пластические деформации — смятие головки, изгиб, накат металла на боковую грань.
• Коррозия — особенно в тоннелях, на морских побережьях, в местах с химическими выбросами.

Для контроля состояния рельсов применяются дефектоскопные тележки, вагоны-дефектоскопы, а также ручной ультразвуковой контроль.

Бесстыковой путь

Современная тенденция в железнодорожном строительстве — переход на бесстыковой (бархатный) путь, где рельсы свариваются в длинные плети (до 800 м и более). Это позволяет:

• Устранить стыки — основной источник износа колёс и рельсов.
• Снизить сопротивление движению.
• Уменьшить шум и вибрацию.
• Повысить скорость движения поездов.

В России бесстыковой путь составляет более 70 % протяжённости магистральных линий.

Рельсы в России

Россия обладает одной из крупнейших в мире сетей железных дорог (более 85 тыс. км), что определяет высокий спрос на рельсы. Производство рельсов в России исторически сосредоточено на Урале и в Сибири. В 2023 году объём выпуска рельсов в России составил около 1,5 млн тонн. Основные потребители — ОАО «Российские железные дороги» (РЖД), метрополитены, промышленные предприятия.

В 2010-х годах в России была внедрена система сертификации рельсов по стандарту ГОСТ Р 51685-2013, гармонизированному с международными требованиями. В 2020 году начат выпуск рельсов повышенной износостойкости (категории ДТ350, ДТ370) для высокоскоростных магистралей.

Интересные факты

• Самый длинный рельс в мире (без сварки) был произведён в 2016 году в Китае — его длина составила 500 м.
• В 2022 году в России введён в эксплуатацию рельсобалочный стан «5000» на Выксунском металлургическом заводе, способный прокатывать рельсы длиной до 100 м.
• Рельсы, снятые с пути после выработки ресурса, часто используются в качестве металлолома, для изготовления ограждений, строительных конструкций, а также в качестве материала для художественной ковки.

Источники

1. ГОСТ Р 51685-2013 «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия».
2. Шахунянц Г. М. «Железнодорожный путь». — М.: Транспорт, 1987.
3. Крейнис З. Л. «Рельсовые пути метрополитена». — М.: Транспорт, 1990.
4. Материалы ОАО «Российские железные дороги» (РЖД) — официальный сайт, раздел «Инфраструктура».
5. Данные Международного союза железных дорог (UIC) — «Railway Statistics».
6. Отчёты «Евраз» о производстве рельсовой продукции за 2020–2023 гг.