История развития отечественных рельсов

История развития отечественных рельсов

Первоначально колейные дороги появились на разработках камня, в рудниках и угольных шахтах. Первые упоминания о них относятся к  середине XVI в. 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 в. Одна из первых чугунных дорог  длиной около 160 м была построена на Александровском заводе в Петрозаводске (Онежский завод) в 1788 г. 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, введенных горным инженером  П.К. Фроловым. Колеса имели желоб, соответствующий  форме головки рельса. Этот рельс  явился прообразом современного железнодорожного рельса. С появлением паровозов резко  повысились нагрузки от колес, а скорости (уже у первых локомотивов) достигали 50 км/ч и более. Учитывая высокие динамические нагрузки от колес 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 колес 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 упрочненные рельсы, твердость материала которых повышена с 290-300 до 360-380 единиц по Бринеллю, что в 2 – 3 раза повышает их износоустойчивость.

В 1837 г. была построена железная дорога Петербург – Царское Село (г. Пушкин) протяженностью 27 км. Эта дорога не имела практического значения и послужила только как опыт для будущего строительства. Почти все полотно дороги было расположено на насыпи. На дороге было сооружено 42 деревянных небольших моста пролетами 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%о. Ширина колеи первоначально была 6 футов (1829 мм).

Большим шагом вперед в  развитии железнодорожного дела, в  том числе и железнодорожного пути, явилось строительство в 1842–1851 гг. линии Петербург – Москва протяженностью 651 км. На линии впервые были применены широкоподошвенные рельсы, изготовленные на Людиновском заводе, массой29 кг (линейная плотность 29 кг/м), длиной 5,486 м и высотой 89 мм; балластный слой имел толщину0,5 м на насыпях и 0,8 м в выемках и состоял из двух слоев: верхнего – из гранитного щебня толщиной18 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 подчеркивал, что в пользу господствующей за рубежом колеи шириной 1435 мм «нет никаких убедительных доводов», колея в 1829 мм приведет к бесполезному перерасходу материалов, а грузоподъемность вагонов не повысится.

Одновременно с развитием  железнодорожного строительства развивалась  и наука о железнодорожном  пути. Инженер П.П.Мельников в 1835 г. предложил формулу для расчета рельсов с учетом влияния подвижной нагрузки. Воздействия подвижного состава на путь были исследованы профессором К.Ю.Цеглинским в 1903 г. в труде «Железнодорожный путь в кривых». Большой вклад в расчеты пути на прочность внес академик Н.П.Петров. Отечественные специалисты вели большие работы по совершенствованию науки о железнодорожном пути, но в условиях царской России многие их начинания не находили должной поддержки. Поэтому, железнодорожный транспорт в царской России был технически развит слабо.

 

В 1913 г. протяженность 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 легких типов массой (1 м) 30 кг, непропитанные шпалы, песчаный балласт. Было решено усилить верхнее строение пути, в том числе начать внедрение щебеночного балласта. В период до Великой Отечественной войны был построен ряд важных железнодорожных линий, в том числе Туркестано-Сибирская магистраль (1452 км). Грузооборот железных дорог в 1940 г. превысил уровень 1913 г. в 5,4 раза.

Поступательное развитие железнодорожного транспорта было прервано в 1941 г. В годы Великой Отечественной войны железнодорожный транспорт, имея необходимое техническое оснащение и квалифицированные кадры, успешно обеспечивал основные потребности в перевозках, как фронта, так и тыла. В ходе войны и в период первой послевоенной пятилетки были выполнены большие работы по восстановлению железнодорожного транспорта. Было восстановлено 85 тыс. км главных путей, большое количество мостов, станций, линий связи и других сооружений.

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 тяжелых типов (Р65), внедрялись железобетонные шпалы, бесстыковой путь.

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 грузонапряженных линиях применялись закаленные 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 легкие 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

История развития зарубежных рельсов

Во второй половине XIX в. в период бурного развития железнодорожного строительства, рельсы были главным видом прокатной продукции. История рельса является также и историей одного из важнейших применений железа в технике.

Проблема парового транспорта привлекла  особое внимание общества с начала XIX в. Однако рельсы появились намного раньше изобретения паровоза.

В горном деле еще в XVI в. на рудниках применяли примитивные деревянные рельсы, по которым двигались тележки с рудой. В период промышленного переворота в Англии происходило бурное развитие металлургии. Потребовался эффективный транспорт, который позволил бы ускорить передвижение массовых тяжелых грузов. Пионерами в этой области явились английские заводчики Дерби, владельцы Кольбрукдельских заводов.

Увеличение грузооборота на заводе, вызванное расширением производства, заставило Абрагама Дерби-сына искать способ улучшить транспорт. До этого грузы на завод доставлялись вьючным способом. Дерби применил деревянные рельсовые дороги, по которым доставляли руду и уголь к заводу. Одна тележка, влекомая тремя лошадьми, стала доставлять груз 20 вьючных лошадей. В 1767 г. Рейнольде, зять Дерби, заменил деревянные брусья чугунными пластинами с направляющей колеей для колес. По новым путям две лошади тащили уже 19 тележек с 15 центнерами груза.

На других заводах на деревянные брусья прикрепляли железные полосы, а позже - в 1776 г. железные угольники. Впервые они были уложены на угольных копях Шеффилда. Вертикальные полки уголков были обращены обычно внутрь пути, колеса же катились по внешним сторонам. Здесь впервые появилась колея шириной 1 524 мм, ныне принятая во многих странах.

Изобретатель Утрам сделал рельсы в виде чугунных пластин с ребром снизу, которое служило для укрепления пластины. Таким образом, рельсы были двойные, смонтированные вместе в виде плиты, длина их была 1 м. Такие чугунные рельсы получили распространение на рудниках и заводах для перевозки грузов.

В 1789 г. на угольных копях в Лоуберроу некто Джессон ввел и поныне существующий тип головчатого рельса с размерами: ширина подошвы 110 мм, головки 35 мм, длина 1.5 м. При таком рельсе реборды делались уже не на рельсе, а на колесах подвижного состава. Так появились раздельные рельсы. Вначале рельсы укладывали на продольные деревянные брусья и только позже перешли к поперечным подкладкам - шпалам.

Чугунные рельсы были хрупки и быстро изнашивались. Малая прочность чугунных рельсов послужила причиной неудач во время испытаний паровоза Треветика - первого в мире рельсового паровоза. Железнодорожный путь не выдерживал восьмитонной тяжести локомотива, происходили частые задержки из-за ломки рельсов. В конце концов этот паровоз был снят с пути и использован как паровая машина. И только через три года упорного труда над усовершенствованием паровоза и рельсового пути изобретатель построил в Лондоне первую в мире кольцевую дорогу (1808 г.).

Дальнейший технический прогресс в производстве рельсов выразился в замене чугуна железом. После изобретения процесса пудлингования в конце XVIII в. железо значительно подешевело и из него стали делать рельсы. Рельсы из сварочного железа впервые применил в Англии инженер Никсон в 1803 г. В 1820 г. в Англии уже прочно было освоено производство железных рельсов.

В 1828 г. англичанин Беркиншау сконструировал прокатный стан для прокатки рельсов. Первые прокатанные рельсы вначале были длиной 4.5 м, затем удлинились до 7.25 м. В то время всякие профили катали из пакетов пудлингового железа. В готовом рельсе насчитывалось чуть ли не 20 слоев железа. Дальнейшее увеличение длины рельса требовало сварки криц, из которых прокатывали рельсы. В 1857 г. в США сконструировали первый мощный трехвалковый прокатный стан для прокатки рельсов.

Следующим этапом в совершенствовании  технологии производства рельсов было использование бессемеровской стали  для их получения.

В 1865 г. начали применять прокатку стальных рельсов; они были значительно прочнее сварочных.

С этого времени прокатка рельсов  стала главной областью обработки  металлов давлением. Прокатные станы  совершенствовались и могли прокатывать  слитки весом 2 - 3 т. В начале XX в. прокатывалось в сутки более 1 000 рельсов общим весом 30 т.

Для повышения прочности и износостойкости  железнодорожных рельсов ученые ЦНИИЧМ предложили прокатывать их из слитков, полученных на установке непрерывной  разливки стали (УНРС). В этих слитках  из-за высокой скорости кристаллизации обеспечивается высокая химическая и структурная однородность металла. По новой технологии поверхностные  слои «головки» рельса формируются  из внешней зоны заготовки, отличающейся высокой однородностью механических свойств. Такие железнодорожные рельсы получены в СССР впервые в мире. Во время испытаний по ним перевезено 380 млн. т груза вместо обычных 300 млн. т.