История развития железнодорожного пути



Материал из Энциклопедия нашего транспорта
Перейти к навигации Перейти к поиску

Первоначально колейные дороги появились на разработках камня, в рудниках и угольных шахтах. Первые упоминания о них относятся к середине XVI века. Так называемые рельсы представляли собой деревянные брусья — лежни. По такому колейному пути лошадь могла везти груз в 4 раза больший, чем по обыкновенной грунтовой дороге. Однако деревянные лежни быстро изнашивались, повозки сходили с пути. Чтобы уменьшить износ деревянных лежней, их стали укреплять железными или чугунными полосами. Для предотвращения сходов повозок с пути на лежнях стали делать закраины.

Чугунные рельсы появились в XVIII веке. Одна из первых чугунных дорог длиной около 160 м была построена на Александровском заводе в Петрозаводске (Онежский завод) в 1788 году под руководством А. С. Ярцева. Ширина колеи была около 0,8 м, рельс — уголковым. Движение по этому пути было в 12 раз легче, чем по обыкновенным грунтовым дорогам.

В процессе эксплуатации железных дорог поверхность рельсов засорялась и оказывала большое сопротивление качению. Эта причина, видимо, привела к появлению выпуклых рельсов с эллиптической формой поверхности катания, введённых горным инженером П. К. Фроловым. Колёса имели жёлоб, соответствующий форме головки рельса. Этот рельс явился прообразом современного железнодорожного рельса. С появлением паровозов резко повысились нагрузки от колёс, а скорости (уже у первых локомотивов) достигали 50 км/ч и более. Учитывая высокие динамические нагрузки от колёс подвижного состава и необходимость работы на изгиб, все варианты рельсов в той или иной степени по профилю приближались к форме двутавровой балки.

Распространение получили две конструкции рельсов — двухголовый и широкоподошвенный. При создании двухголового рельса его авторы полагали, что после износа одной головки рельс можно будет перевернуть и использовать другую его сторону. Однако эта идея не оправдалась, так как износ верхней головки от воздействия колёс подвижного состава сопровождался износом его нижней части. Первые рельсы изготавливались в основном из чугуна. Было установлено, что стальные рельсы изнашиваются меньше и равномернее, чем чугунные. В настоящее время во всех странах применяют только стальные рельсы, металл которых (кроме углерода) содержит кремний, марганец и другие добавки, повышающие его качество. Широкое распространение получили термически упрочннёные рельсы, твёрдость материала которых повышена с 290—300 до 360—380 единиц по Бринеллю, что в 2-3 раза повышает их износоустойчивость.

П. К. Фроловым на Змеиногорском руднике Колывано-Воскресенских заводов на Алтае была построена первая в мире железная дорога со всеми её основными элементами: дорога имела насыпи, выемки, виадук, мост через реку Корбалиху на 20 каменных столбах высотой до 11 м. Уклон линии не превышал 14 %. По этой дороге одна лошадь могла везти груз в 25 раз больший, чем по грунтовой дороге.

В 1837 году была построена железная дорога Петербург — Царское Село (город Пушкин) протяжённостью 27 км. Почти всё полотно дороги было расположено на насыпи. На дороге было сооружено 42 деревянных небольших моста пролётами по 2 — 3 м. Мост через Обводный канал был длиной 25,6 м. Рельсы были двухголовые, укреплялись с помощью клиньев в чугунных подушках, которые прикреплялись к шпалам длиной 3 м нагелями. Длина рельсов была различной — от 3,7 до 6,9 м. Балласт состоял из слоя булыжника и слоя щебня общей толщиной 45-50 см. Наибольший уклон на дороге был 2 %. Ширина колеи первоначально была 6 футов (1829 мм).

Большим шагом вперёд в развитии железнодорожного дела, в том числе и железнодорожного пути, явилось строительство в 1842—1851 годах линии Петербург — Москва протяжённостью 651 км. На линии впервые были применены широкоподошвенные рельсы, изготовленные на Людиновском заводе, массой 29 кг (линейная плотность 29 кг/м), длиной 5,486 м и высотой 89 мм; балластный слой имел толщину 0,5 м на насыпях и 0,8 м в выемках и состоял из двух слоёв: верхнего — из гранитного щебня толщиной 18 см и нижнего — песчаного или гравийного. В процессе строительства подрядчики стали применять только песчаный балласт. Ширина колеи по настоянию П. П. Мельникова и других русских инженеров была установлена 5 футов (1524 мм). Мельников подчёркивал, что в пользу господствующей за рубежом колеи шириной 1435 мм «нет никаких убедительных доводов», колея в 1829 мм приведет к бесполезному перерасходу материалов, а грузоподъёмность вагонов не повысится.

Одновременно с развитием железнодорожного строительства развивалась и наука о железнодорожном пути. Инженер П. П. Мельников в 1835 году предложил формулу для расчёта рельсов с учётом влияния подвижной нагрузки. Воздействия подвижного состава на путь были исследованы профессором К. Ю. Цеглинским в 1903 году в труде «Железнодорожный путь в кривых». Большой вклад в расчёты пути на прочность внёс академик Н. П. Петров. Отечественные специалисты вели большие работы по совершенствованию науки о железнодорожном пути.

В 1913 году протяжённость сети железных дорог составляла 71,7 тыс. км. Размещены они были крайне неравномерно. Основная часть сети (83 %) находилась в европейской части страны. В пути лежали рельсы лёгких типов массой 30 кг, непропитанные шпалы, песчаный балласт. Было решено усилить верхнее строение пути, в том числе начать внедрение щебёночного балласта. В период до Великой Отечественной войны был построен ряд важных железнодорожных линий, в том числе Туркестано-Сибирская магистраль (1452 км).

В послевоенные годы наряду со строительством новых железнодорожных линий проводились большие работы по усилению пути. Начали прокатываться на отечественных заводах и укладываться в путь рельсы тяжёлых типов (Р65), внедрялись железобетонные шпалы, бесстыковой путь.

Протяжённость железных дорог СССР составляла около 12 % протяжённости железнодорожных линий мира. Они выполняли более половины грузооборота всех железных дорог, а внутри страны перевозили более 70 % грузов.

Грузонапряжённость железных дорог СССР не имела себе равных в мире. Средняя грузонапряжённость более чем в 5 раз превышала грузонапряжённость дорог США, около 6 раз — ФРГ и Франции, в 15 раз — Англии. Ежегодно на развитие материально-технической базы железнодорожного транспорта в СССР выделялось 4-5 млрд руб.

Для обеспечения повышения скоростей движения поездов и увеличения осевых нагрузок подвижного состава усиливались и совершенствовались конструкция верхнего строения пути. На важнейших магистралях страны укладывался бесстыковой путь рельсами типов Р65 и Р75 на железобетонных шпалах; на грузонапряжённых линиях применялись закалённые и легированные рельсы; на отдельных участках железнодорожный путь укладывался на железобетонные плиты или блочные железобетонные основания; совершенствовались промежуточные скрепления.

Профиль рельса за последние 140 лет изменился мало, зато его масса увеличилась с 20 — 24 до 75 — 77 кг/м. Для дорог широкой колеи наиболее часто применяют рельсы массой: 54 — 60 кг/м в Западной Европе, 65 — 75 кг/м в СНГ, 66 — 70 кг/м в США, Канаде, Австралии. На скоростных линиях повсеместно используют рельсы не легче 60 кг/м. Однако в странах Европы и США, а также в других странах на малодеятельных и станционных путях еще имеются лёгкие рельсы массой 33 — 44 кг/м. Такие рельсы широко применяют на узкоколейных дорогах. Различные варианты соединения рельсов со шпалами с помощью костылей или шурупов существовали с момента постройки первых железных дорог. Новым за последние 50 — 60 лет является переход к промежуточным скреплениям пружинного типа, обеспечивающим упругое соединение подошвы рельса с основанием.

Деревянные шпалы мало изменили свою форму за последние 140 лет. Однако на большинстве первых железных дорог укладывали непропитанные шпалы, древесина которых выходила из строя через 8 — 12 лет. Следует отметить, что уже при строительстве дороги Санкт-Петербург — Москва шпалы пропитывали под давлением. В настоящее время на всех дорогах мира в путь укладываются деревянные шпалы, пропитанные антисептиком, что повышает срок их службы не менее чем в 2 раза.

Железобетонные шпалы получили широкое применение в Европе и Азии в основном после 1950 года. Срок службы железобетонных шпал достигает 50 — 60 лет. В странах СНГ бесстыковой путь укладывают только на железобетонных шпалах с использованием упругих резиновых прокладок-амортизаторов в подрельсовых сечениях.

Для усиления подрельсового основания всё шире проводятся эксперименты с применением рамных, блочных, а также монолитных железобетонных конструкций. Одной из типовых конструкций на мостах, эстакадах и тоннелях является плитное подрельсовое основание.

Песок, гравий, щебень, как и 140 лет назад, являются типовыми составляющими балластной призмы. Следует отметить, что ещё на дороге Санкт-Петербург — Москва устраивали двухслойную песчаную призму, основную часть которой покрывали слоем щебня толщиной до 18 см. Качественно новым решением, которое ещё находится на стадии эксплуатационных испытаний, является монолитное скрепление балластной призмы латексами и другими вяжущими составами, что в 2 — 4 раза может повысить несущую способность подрельсового основания.