Рельсы

Рельсы — это элементы верхнего строения железнодорожного пути, представляющие собой стальные балки специального профиля, предназначенные для направления движения колёс подвижного состава и передачи нагрузки от них на нижнее строение пути (шпалы, балласт). Рельсы являются неотъемлемой частью железнодорожного транспорта, а также используются в конструкциях крановых путей, метрополитена, трамвайных линий и на промышленных предприятиях.

История

Прототипы и первые рельсы

Первые направляющие для колёсных повозок появились в античности — в Древнем Риме и Греции использовались каменные желоба для перевозки грузов по определённым маршрутам. Однако современный рельс ведёт свою историю от деревянных лежней, применявшихся на рудниках в Европе в XVI веке. В 1767 году на металлургическом заводе в Коулбрукдейле (Англия) были впервые отлиты чугунные рельсы, которые заменили деревянные. В 1789 году Уильям Джессоп разработал профиль рельса с плоской головкой и широкой подошвой, что позволило укладывать их на каменные опоры.

Развитие в XIX веке

В 1820 году Джон Биркиншоу запатентовал кованый железный рельс, который был прочнее чугунного. В 1831 году Роберт Стивенсон предложил двутавровый профиль, ставший основой для современных рельсов. С развитием железных дорог в середине XIX века возникла необходимость в стандартизации. В 1864 году в России был принят первый единый профиль рельсов (тип «А»), а в 1880 году началось массовое производство стальных рельсов вместо железных. К концу XIX века в Российской империи действовали несколько рельсопрокатных заводов, крупнейшим из которых был Путиловский завод в Санкт-Петербурге.

XX век и современность

В XX веке рельсы совершенствовались в направлении увеличения длины, повышения твёрдости и износостойкости. В 1930-е годы в СССР были введены стандарты на рельсы типов Р-38, Р-43, Р-50, Р-65 и Р-75 (цифра обозначает массу одного погонного метра в килограммах). В 1960-е годы началось производство термоупрочнённых рельсов, а в 1970-е — бесстыкового пути (длинные плети рельсов, сваренные в непрерывную нить). В XXI веке в России и мире активно внедряются рельсы повышенной износостойкости (например, из стали марки Э76ХФ) и рельсы с дифференцированной закалкой.

Классификация рельсов

Рельсы классифицируются по нескольким признакам.

По назначению

• Магистральные — для железных дорог общего пользования (Р-50, Р-65, Р-75).
• Подкрановые — для крановых путей (КР-70, КР-80, КР-100, КР-120, КР-140).
• Трамвайные — для трамвайных линий (Т-58, Т-62, Т-65).
• Рудничные — для подземных и наземных путей горнодобывающих предприятий (Р-24, Р-33, Р-38).
• Метрополитена — специальные профили, адаптированные к условиям подземных линий.

По типу профиля

• Железнодорожные — имеют головку, шейку и подошву (двутавровый профиль).
• Желобчатые — с пазом для реборды колеса (используются в трамвайных путях, укладываемых в мостовую).
• Остроконечные — для стрелочных переводов.

По способу производства

• Горячекатаные — изготавливаются прокаткой из заготовок (блюмов) при высокой температуре.
• Термоупрочнённые — проходят дополнительную термическую обработку (закалка, отпуск) для повышения твёрдости.
• Дифференцированно-закалённые — закалка головки и шейки производится отдельно для достижения разных свойств.

По материалу

• Стальные — из углеродистой или легированной стали (основной тип).
• Чугунные — исторически использовались на ранних железных дорогах, сейчас — только на некоторых промышленных путях.
• Композитные — экспериментальные образцы из полимерных материалов с металлическим армированием.

Устройство и характеристики

Конструкция рельса

Стандартный железнодорожный рельс состоит из трёх частей:

• Головка — верхняя, контактирующая с колёсами. Имеет выпуклую форму для равномерного распределения нагрузки.
• Шейка — средняя, соединяющая головку и подошву. Обеспечивает упругость и воспринимает изгибающие усилия.
• Подошва — нижняя, широкая часть, опирающаяся на шпалы. Обеспечивает устойчивость рельса.

Основные параметры

• Масса 1 погонного метра — от 24 кг (рудничные) до 75 кг (магистральные).
• Длина — стандартные рельсы имеют длину 12,5 м, 25 м, 50 м; бесстыковые плети — до 800 м и более.
• Твёрдость — измеряется по шкале Бринелля (HB) или Роквелла (HRC). Для магистральных рельсов — 260–320 HB, для термоупрочнённых — до 400 HB.
• Предел прочности — 800–1000 МПа для обычных рельсов, до 1300 МПа для высокопрочных.

Стыки и крепления

Рельсы соединяются между собой с помощью накладок (стыковых пластин) и болтов. Для компенсации температурных расширений в стыках оставляют зазоры. В бесстыковом пути рельсы свариваются в длинные плети, а температурные напряжения регулируются специальными конструкциями (например, уравнительными приборами). Крепление к шпалам осуществляется через подкладки и костыли (деревянные шпалы) или через болтовые соединения (железобетонные шпалы).

Производство

Технологический процесс

Производство рельсов включает несколько этапов:

1. Выплавка стали — в кислородных конвертерах или электропечах. Для рельсов используется спокойная сталь с низким содержанием серы и фосфора.
2. Разливка — в слитки или на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
3. Прокатка — на рельсобалочных станах. Заготовка нагревается до 1200–1250 °C и проходит через систему валков, формирующих профиль.
4. Термическая обработка — закалка головки (в масле или водой) и отпуск для снятия внутренних напряжений.
5. Правка — на роликоправильных машинах для устранения искривлений.
6. Контроль качества — ультразвуковая дефектоскопия, магнитный контроль, измерение геометрических параметров.

Основные производители в России

• Евраз ЗСМК (Новокузнецк) — крупнейший производитель рельсов в России, выпускает продукцию для РЖД и на экспорт.
• Челябинский металлургический комбинат (ЧМК) — производит рельсы типов Р-65 и Р-75.
• Нижнетагильский металлургический комбинат (НТМК) — специализируется на термоупрочнённых рельсах.

Применение

Железнодорожный транспорт

Основное применение рельсов — строительство и эксплуатация железных дорог. В России протяжённость сети железных дорог общего пользования составляет около 86 тысяч километров (2023 год). Рельсы типа Р-65 являются основными на магистральных линиях, Р-75 — на участках с высокой грузонапряжённостью.

Метрополитен и трамвай

В метрополитенах используются рельсы типов Р-50 и Р-65, укладываемые на железобетонные шпалы. Трамвайные линии оборудуются желобчатыми рельсами, которые позволяют укладывать путь вровень с дорожным покрытием.

Промышленность

На промышленных предприятиях рельсы применяются для крановых путей (мостовые и козловые краны), а также на подъездных путях заводов, шахт и карьеров. Рудничные рельсы имеют меньшую массу и используются в условиях ограниченного пространства.

Строительство

Рельсы иногда используются в строительстве как элементы временных дорог, а также в качестве арматуры или несущих балок при возведении мостов и эстакад.

Интересные факты

• Самый длинный рельс в мире — 120 метров — был произведён в 2014 году на заводе «Евраз ЗСМК» для Байкало-Амурской магистрали.
• В России рельсы маркируются клеймом, которое содержит информацию о заводе-изготовителе, годе выпуска и типе стали.
• Рельсы могут служить до 30–40 лет на линиях с умеренной нагрузкой, но на высокоскоростных магистралях их заменяют каждые 10–15 лет.
• В 2020 году в России началось производство рельсов из стали марки Э76ХФ, которая позволяет увеличить межремонтные сроки в 1,5–2 раза.

Критика и проблемы

Основные проблемы, связанные с рельсами, включают:

• Износ — истирание головки рельса, особенно на кривых участках пути. Приводит к необходимости шлифовки и замены.
• Дефекты — трещины, выкрашивание, контактно-усталостные повреждения. Выявляются при дефектоскопии.
• Температурные деформации — при перепадах температур рельсы могут расширяться или сжиматься, что в бесстыковом пути создаёт риск выброса пути (схода с опор).
• Шум и вибрация — особенно в городской среде (трамвайные линии). Для снижения шума применяются резиновые прокладки и виброизолирующие крепления.

Источники

• ГОСТ Р 51685-2013 «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия»
• Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (утв. Минтрансом РФ)
• История железнодорожного транспорта России / под ред. В. И. Якунина. — М., 2005.
• Технический регламент Таможенного союза «О безопасности железнодорожного подвижного состава» (ТР ТС 001/2011)
• Данные ОАО «РЖД» и производителей рельсов (Евраз, ЧМК, НТМК)