Le Chemin de Fer - 6

Пролегомена

Состояние дорог и инфраструктуры в целом является ярким показателем того, есть ли у власти установка на развитие и сохранение страны.

Россия подходит к критическому барьеру, после которого будет уже невозможно использовать созданный ранее запас прочности.

Технологический и финансовый тупик.

Потенциал, который позволяет России ещё удерживать свою инфраструктуру в относительной стабильности был заложен ещё сто лет назад.

Поначалу (когда поезда были нетяжелые) погонный метр рельса весил 35 кг,  укладывали 1500 шпал на 1 км пути на 0,3–0,35 метра балластного слоя.

Сегодня в России используются рельсы R-75 (75 кг погонный метр), число шпал увеличилось до 2 000 (большинство из них бетонные, леса хронически не хватает), щебеночный балласт доходит до 1 метра.

Засорение щебня идет постоянно (для его промывки разработано специальное оборудование), постоянно отвинчиваются крепежи к шпалам, остается колоссальная проблема износа рельсов.

До 2020 AD предусматривается всего два мероприятия по совершенствованию технологии:

• под шпалы закладываются резиновые вибрационные шпалы (для разрядки нагрузок)
• рельсы шлифуются специальными машинами

В соответствии с программой модернизации транспорта до 2010 AD за восемь лет (с 2002 AD) должно было быть построено или реконструировано 1 700 км железнодорожных линий, проложено 2 700 км дополнительных главных путей.

Все эти объемы, как и последующие проекты, предполагалось осуществить по старым технологическим решениям с минимумом новшеств.

Как и в автодорожном строительстве (строительство одного километра автомобильной трассы, аналогичной Киевскому шоссе, по крайне несовершенной технологии асфальтобетона, обходится сегодня в 1 миллиард рублей), цена такого консерватизма в технологиях высока.

Говорят, что анализ стратегической программы компании “Российские железные дороги” до 2030 AD показывает, что средняя стоимость строительства одного километра новой железной дороги в постсоветской России составляет $6 700 000 (долларов января 2008 AD).

По официальным данным компании “Российские железные дороги”, 1 км железной дороги в обход провала калийного рудника в Березниках составляет почти $7 000 000, ветки в аэропорт Шереметьево — $10 000 000.

Для сравнения: если в среднем стоимость одного километра Транссибирской магистрали от Челябинска до Владивостока составляла 93 000 рублей, то стоимость одного километра  Кругобайкальской железной дороги (“золотой пряжки стального пояса России”) в 1904 AD- около 130 000 рублей, –около 2 860 000 долларов 2006 AD (самый дорогой участок на русской железной дороге).

Говорили, что стоимость строительства железнодорожной линии Нарын-Лугокан в Читинской области длиной 375 км  обойдется не меньше чем в 70 миллиардов рублей.

И что, строительство только железнодорожной дороги Карабула-Ярки (43,7 км) в рамках проекта “Комплексное развитие Нижнего Приангарья” обойдется минимум в 5,1 миллиардов, а само создание там транспортной инфраструктуры — в 213,9 миллиардов рублей.

В течение почти ста лет инженеры пытались предложить такие технические решения, которые бы решили проблему быстрого износа рельсового полотна и облегчили саму технологию укладки основания, а значит, сильно удешевили строительство.

Замена шпалам напрашивалась сама собой — железобетонные плиты.

Но с ними раньше (на старом уровне технологий) возникало много специфических для железнодорожного транспорта проблем. не прижились они по целому ряду причин:

• они резко повысили жесткость пути, а стыки плит ухудшали равнопрочность пути за счет разной осадки краев плит
• их пытались сваривать, придумывали специальные металлические рычаги, которые входят в отверстия плит и удерживают их, предотвращая осадку
• но как только повышалась жёсткость пути, как только прекращалась вибрация и состав шёл по жёсткому основанию, многократно увеличивался износ колёсных пар локомотивов

Все вместе это похоронило стремление заменить шпалы железобетонными плитами.

В США до сих пор тратятся гигантские средства на закупку дубовых шпал по всему миру.

Укладка рельсов на железобетонные плиты применяется только в тоннелях и на мостах, где резко снижена скорость движения составов.

Однако несомненно, что будущее за плитовым основанием, но на новой технологической основе.

Только сейчас, после ряда смежных разработок, появилась возможность решать сложные технические проблемы этой самой консервативной отрасли.

“К плитам в строительстве железных дорог нужно вернуться, но с одним серьезным дополнением. Их нужно стягивать, как и в автодорогах, стальными канатами, чтобы обеспечить ровный горизонт.

Этим мы радикально повышаем прочность рельса на изгиб. То есть работает ансамбль — рельс, плита и канат. Но возникает вопрос: а как себя будет вести контакт этих плит?

Мы предлагаем между плитами вставлять амортизирующий элемент из резины, через который проходит стальной канат. В этом случае, когда поезд идет по плите, она играет, как шпала. Благодаря резиновым амортизаторам преднапряженные плиты будут не жестко связаны между собой.

Крепёж рельсов будет упрощен, а их вес можно снизить в полтора раза — до R-50.

Это приведет к большой экономии металла. Так мы резко повышаем скорость строительства, надежность пути, минимизируем ремонты, обслуживание, используем меньше расходных материалов. Когда у вас полотно дороги висит на стальных тросах, оно не реагирует на провалы и оседание грунта”.

Академик Марсель Бикбау

Использование преднапряженных бетонных плит как для автомобильных, так и для железных дорог является заявкой на единое технологическое решение для всей транспортной отрасли.

Это ключ к единому госзаказу для целого ряда промышленных отраслей.

Это технологическое решение не является сложным, оно в разы повышает скорость строительства дорог, а в перспективе должно обернуться большой экономией средств. Но механизмов массового внедрения такой технологии пока не существует.

Инженеры и ученые фактически отстранены сегодня от планирования сети дорог, новые технологии отбирать и внедрять некому, технические стандарты или устарели, или же начисто отсутствуют.

В земляном полотне:

• О — ось полотна
• об — поперечные скаты
• б — бровки
• бв — откосы
• канавы для отвода воды (чертёж 1, слева) и резерв, то есть выемка, из которой брали землю для насыпи (справа)

Перед постройкой дороги производили отчуждение нужной полосы земли, шириной около 20 сажен, в зависимости от ширины земляного полотна с откосами, канавами и запасом в 2 сажени.

Когда на значительном протяжении ось полотна находилась на горизонте, то обыкновенно ее подымали на полсажени и насыпали земляное полотно.

Выгода поднять полотно была в том, что оно лучше просыхало, a путь меньше страдал от снежных заносов.

Для одноколейной дороги нормальной 5-футовой ширины была принята ширина земляного полотна в 2,6 сажени, для двухколейной — 4,6 сажени; из экономических соображений первую уменьшали иногда до 2,4 сажен.

Ось дороги подымали над бровками на 0,06 сажени, чтобы придать полотну поперечные скаты, для стока воды.

При грунтах, непроницаемых для воды, следовало поперечному скату придавать больший уклон, подымая ось полотна на 0,08 сажени.

При устройстве земляного полотна необходимо было иметь в виду возможность снежных и песчаных заносов. Для этого следовало избегать выемок меньше 0,5 сажени и насыпей меньше 0,3 сажени.

Количество земляных работ на версту пути колебалось в больших пределах, от 400 до 3 000 сажен³ и больше; оно зависело от конфигурации местности и предельных допущенных подъемов и наименьших радиусов кривых участков.

нормальный поперечный разрез выемки железнодорожного пути.

Все части железно -дорожного пути, находящиеся на земляном полотне, составляли верхнее строение железной дороги.

ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ

• а — устройство пути:
  • 1 — рельс
  • 2 — шпала
  • 3 — балластный слой
  • 4 — земляное полотно
• б — схема стрелочного перевода:
  • 1 — рамные рельсы
  • 2 — остряки
  • 3 — переводимая кривая
  • 4 — соединительная прямая
  • 5 — контррельсы
  • 6 — усовики
  • 7 — крестовины
  • 8 — переводной механизм

Верхнее строение являлось единой комплексной конструкцией состояло из:

1. балласта, мостового полотна
2. рельсовых опор (чаще всего в виде шпал и брусьев)
3. рельсов, стрелочных переводов и ряда специальных устройств
4. промежуточных скреплений рельсов со шпалами и стыковых скреплений рельсов между собою (с противоугонами)

Идея конструкции верхнего строения заключалась в постепенном распределении давления от колеса тяжёлого подвижного состава последовательно через рельсы, шпалы и балласт на земляное полотно, то есть на большую площадь.

Верхнее строение пути воспринимало и упруго передавало на основную площадку земляного полотна динамические воздействия колес подвижного состава, а также направляло колёса движущегося по пути подвижного состава.

Схема распределения давления может быть представлена в следующем виде (чертёж 2).

1.Балласт

Назначение балласта — дать упругий сплошной слой, который принимает давление от шпал и распределяет его на поверхность земляного полотна.

Толщина балластного слоя теоретически должна была быть такая, чтобы равномерно распределять давление на поверхность земляного полотна.

Установленная y нас для магистралей толщина балластного слоя 0,18 сажен, считая от нижней постели шпалы до земляного полотна, не отвечала теоретическим требованиям: она значительно была уменьшена по экономическим соображениям.

На 1 км дороги требовалось 50 -70 сажен³ материала (песка, гравия или щебня)

Для лучшего сохранения рельсовых опор и балласта из мелкого песка считали полезным прикрывать опоры одним или двумя слоями щебня.

При сооружении дорог в военное время, когда ставилось главным требованием скорейшее открытие движения, хотя бы и малой скорости, зачастую приходилось класть шпалы непосредственно на земляное полотно и подбивать их грунтом, a потом, пользуясь уже рабочими поездами, постепенно развозить балласт и совершенствовать путь.

На мостах при устройстве проезжей части без балласта рельсы опирались на деревянные мостовые брусья или железобетонные плиты.

2.Шпалы

Назначение шпал — принять давление от рельса и передать балласту, сохранять неизменность колеи и служить звеном между рельсом и балластом.

Шпалы обеспечивали стабильное положение колеи и  комфорт езды, даже при самых больших скоростях и экстремальных нагрузках. Шпалы (или брусья) были заглублены в балластный слой, который опирался на основную площадку земляного полотна.

Существовало три типа шпал:

• поперечные
• продольные
• отдельные опоры

Поперечные шпалы наиболее удовлетворяли требованиям:

• расстояние между шпалами могло изменяться по желанию и этим регулировалась передача давления на балласт
• поперечины связывали рельсы между собою, чем сохранялась неизменность ширины колеи
• связь рельсов с балластом получалась надёжная

В России верхнее строение принято было исключительно на поперечинах.

Материалом для поперечин служило: дерево, железо и сталь.

В большинстве европейских государств на железных дорогах преобладали деревянные шпалы, a в России и Северной Америке (с их весьма разнообразной топографией) — исключительно деревянные.

На шпалы шёл 5—7-вершковый лес.

Срок службы их зависел от породы дерева, балласта и климата. На русских дорогах большая часть шпал была - сосновые, и срок службы их был около 5 лет.

Увеличение срока службы деревянной шпалы — был вопросом государственного значения.

Шпала приходила в негодность от загнивания или от смятия и разрушения под рельсом.

Все средства консервирования дерева сводились к одному из трёх:

• высушиванию
• выщелачиванию или выпариванию
• пропитыванию составами, дающими с азотными веществами древесины нерастворимые, то есть не гниющие соединения:
  • эти составы известны под общим названием антисептиков
  • к шпалам применялась пропитка:
    • хлористым цинком (способ Бетеля)
    • медным купоросом (способ Бушери)
    • сулемой (способ Иана)
    • креозотом (каменноугольной смолой)

Металлические и бетонные путевые и стрелочные шпалы в начале прошлого столетия ещё не получили широкого распространения.

С военной точки зрения применение металлических шпал желательно было на пограничных линиях, на участках от границы до крепостей, в том случае, когда ширина колеи на дорогах y соседних государств различная.

Восстановление разрушенных участков и изменение ширины колеи (как говорили, “перешивка” колеи) на металлических шпалах настолько сложны, что могли заставить отказаться от этой операции и предпочесть новую укладку по имеющемуся полотну на деревянных шпалах, что вызывало задержку в пользовании дорогами и в операциях (чертёж 3).  

3.Рельсы

Рельсы - стальные профилированные прокатные изделия в виде полос; предназначены для движения (колёсопроводы) подвижного состава железных дорог.

В “fin de siècle” наиболее распространен был  так называемый “широкоподошвенный” тип, имеющий головку, по которой катилось колесо, тонкую шейку и уширенную подошву.

В “fin de siècle” было установлено, не считая подъездных путей, для железных дорог первостепенного значения 4 типа рельсов: Iа, IIa, ІІIа и ІVа.

Длина рельсов 35 футов.

На русских дорогах, кроме приведённых, имелись рельсы в 18, 20, 21,63, 22,5, 23,5, 24, 24,33 и 28,3 фунтов на погонный фут, исключительно стальные из бессемеровской (на Обуховском, Нижнесалдинском заводах), томасовской (на Таганрогском, Керченском и Мариупольском заводах) и мартеновской стали (на Сормовском, Александровском заводах)

Для скрепления такого рельса с дерев. шпалою применяются железные костыли (стержни из стали квадратного сечения, заостренных в виде долота на одном конце и с головкой на другом, сечением 14х14 мм, длина 130 мм)  или железные шурупы.

Нормально рельс прикреплялся к каждой шпале двумя костылями или шурупами, которые располагались наискось по отношению к оси шпалы, чтобы предупредить возможное раскалывание шпалы.

Обычно рельсы со шпалами крепили через прокладки, которые увеличивали опорную поверхность между самим рельсом и шпалой.

Рельсы прикрепляли к шпалам с наклоном внутрь колеи, равным 5%, что обеспечивало более устойчивое движение тягового и подвижного состава и уменьшало износ колес. 

Для укрепления рельса при металлической шпале, в последней должны были быть выштампованы отверстия, сквозь которые пропускали болты, a последние тем или другим способом притягивали подошву рельса к шпале.

Чтобы рельсы могли при изменении температуры изменять длину, нужно было, чтобы рельс мог перемещаться в требуемых пределах, для чего болтовым дырам в шейке рельса придавали большие размеры, чем диаметр болта.

Стыковое соединение принятого y нас типа состояло из двух накладок и четырёх болтов с гайками и пружинными шайбами.

Стыки рельсов устраивали на весу (концы рельсов должны находиться между двумя соседними шпалами), концы которых перекрывали с двух сторон накладками, стянутыми болтами. При расположении стыков на шпале имел место жёсткий удар и ухудшались условия содержания пути.

Под действием продольных сил, возникающих при движении поезда и особенно при его торможении, рельсы и другие элементы верхнего строения пути перемещались вдоль пути.

Это явление назывались угоном, в результате которого нарушалось соответствие величины стыковых зазоров наружным температурам, что приводило к выбросу пути и авариям.

Для предотвращения угона на рельсы устанавливали специальные скрепления — противоугоны.

Они представляли собой устройства в виде упоров, которые другим концом упираются в шпалы.

Для передачи давления от противоугона на большее число шпал между смежными шпалами в одну линию ставили деревянные распорки.

Противоугоны с распорками образовывали противоугонные секции, передающие усилия на три шпалы.

Дороги узкоколейные были вызваны экономическими соображениями (уменьшение первоначальных затрат на сооружение).

На них в основном применяли бесподкладочные скрепления, состоящие из забиваемых в шпалы костылей, головки которых прижимали подошву рельса к шпалам.

В военное время и на узкоколейных дорогах, когда могли оказаться в распоряжении и костыли и шурупы, рекомендовалось первые применять с наружной стороны подошвы рельса, a вторые — с внутренней, так как костыль лучше сопротивляется отгибанию, a шуруп — выдергиванию.

На стыковых и пристыковых шпалах, а также в кривых и на других ответственных участках пути применяли подкладочное нераздельное скрепление. Подкладки клиновидного сечения не требовали зарубки шпал для устройства подуклонки, а также обеспечивали большую точность подуклонки.

По ширине колеи русские узкоколейные дороги имели 4 размера колеи в пределах от 1 067 мм до 750 мм, не считая Варшавско-Венской дороги заграничной колеи (1435 мм).

Для бесперегрузочной передачи вагонов с русской колеи (1520 мм, с допусками +6, —4 мм) на заграничную и обратно существовали специальные приспособление системы Брейтшпрехера, сущность которого заключалась в том, что под вагонами, специально приспособленными, заменяли скаты.

Замена производилась над особой ямой, и во время замены груженый вагон поддерживался особыми тележками, которые шли по рельсам, уложенным вдоль края ямы.

Для военных целей система Брейтшпрехера не могла оказать особых услуг, так как требовала особого устройства подвижного состава и точного обмена вагона на вагон, или же значительного запаса колёсных скатов с буксами для колеи принятой y соседа

Кроме того успешность бесперегрузочной передачи (120 вагонов в сутки) для военных надобностей быласлишком ничтожна.

Чтобы подвижный состав не мог задевать за предметы, находящиеся около пути, были установлены размеры предельного очертания состава, или так называемый габарит.

При укладке пути на кривых для того, чтобы давление передавалось равномерно на оба рельса, нужно было поднять наружный рельс настолько, чтобы равнодействующая была перпендикулярна к линии, соединяющей головки рельсов, и, следовательно, проходила по середине колеи, иначе при развитии больших скоростей центробежная сила могла опрокинуть вагон наружу.

На русских дорогах встречались подъемы наружного рельса в 130 мм, a на дорогах немецкого союза до 250 мм, на французских — 200 мм, что зависело от применяемых за границей больших скоростей движения и малых радиусов кривых.

Кроме возвышения наружного рельса, на кривых делали уширение колей за счет внутреннего рельса для свободного прохода вагонных тележек.

При радиусе кривых в 300 сажен и более уширения не делали. Наибольшие уширения колеи на русских дорогах достигали 0,009 сажен (19 мм).

Если на пути следовали одна за другою кривые, обращённые в разные стороны, то внешний рельс первой являлся внутренним y последующей, и наоборот. Поэтому для того, чтобы разогнать уширение и возвышение наружного рельса необходима была прямая вставка.

Пересечение одной железной дороги с другою между станциями всегда устраивалось в разных уровнях (одна дорога проходила по мосту над другою); такое положение обусловливалось требованием безопасности и безостановочности движения.

В одном уровне дороги могли пересекаться только на станции, и тогда эта станция получала название узловой и регулировала движение поездов.

Пересечение железной дороги с обыкновенными могло быть также в одном уровне или одна над другою.

Переезды в разных уровнях для обыкновенных дорог обходились дорого и строились в случаях, когда движение по обеим дорогам было интенсивное, и железная дорога стесняло гужевое движение, например, в городах.

Меры длины:

• 1 миля = 7 верстам = 7,468 км
• 1 верста = 500 саженям = 1066,8 м
• 1 сажень = 3 аршинам = 2,1336 м
• 1 аршин = 16 вершкам = 0,711200 м = 28 дюймам
• 1 фут = 12 дюймам = 304,8 мм
• 1 дюйм = 10 линиям = 25,4 мм
• 1 вершок = 44,38 мм
• 1 линия = 10 точкам = 2,54 мм
• 1 точка = 0,254 мм

Меры площади:

• 1 кв. верста = 250 000 кв. саженям = 1,1381 кв. км
• 1 десятина = 2400 кв. саженям = 10925,4 кв. м = 1,0925 га
• 1 кв. сажень = 9 кв. аршинам = 49 кв. футам = 4,5522 кв. м
• 1 кв. аршин = 256 кв. вершкам = 784 кв. дюймам = 0,5058 кв. м
• 1 кв. вершок = 19,6958 кв. см
• 1 кв. фут = 144 кв. дюймам = 0,0929 кв. м
• 1 кв. дюйм = 100 кв. линиям = 6,4516 кв. см

Меры объёма:

• 1 куб. сажень = 27 куб. аршинам = 343 куб. футам = 9,7127 м3
• 1 куб. аршин = 4096 куб. вершкам = 21952 куб. дюймам = 359,7278 дм
• 1 куб. вершок = 5,3594 куб. дюйма = 87,8244 куб. см
• 1 куб. фут = 1728 куб. дюймам = 2,3168 дм3
• 1 куб. дюйм = 1000 куб. линий = 16,3871 куб. см