Опоры для железнодорожных рельсов: типы и характеристики

Введение

Поддержка рельсов на железнодорожных путях

Железнодорожный шпал (американский английский: railroad tie, crosstie; канадский английский: railway tie; австралийский и британский английский: railway sleeper) – это прямоугольная опора для рельсов на железнодорожных путях. Обычно шпалы укладываются перпендикулярно рельсам, передавая нагрузку на балласт и основание пути, удерживая рельсы в вертикальном положении и обеспечивая необходимое расстояние между ними (колею). Традиционно железнодорожные шпалы изготавливаются из дерева, но сейчас широко используется предварительно напряженный бетон, особенно в Европе и Азии. Стальные шпалы распространены на второстепенных линиях в Великобритании; также применяются пластиковые композитные шпалы, хотя и в меньшей степени, чем деревянные или бетонные. По состоянию на январь 2008 года приблизительная доля рынка в Северной Америке для традиционных деревянных шпал составляла 91,5%, остальная часть приходилась на бетонные, стальные, азобе (красное железное дерево) и пластиковые композиты. Расстояние между шпалами может зависеть от их типа, нагрузки и других требований, например, 2640 бетонных шпал на милю на основных магистральных железных дорогах Северной Америки. Некоторые линии используют хвойные породы, включая дугласовую пихту; они легче поддаются обработке, но более подвержены износу, зато дешевле, легче (и, следовательно, удобнее в обращении) и более доступны. Некоторые породы дерева (например, сал, мора, джаррах или азабе) достаточно прочны, чтобы использоваться необработанными. Проблемы, связанные с деревянными шпалами, включают гниение, растрескивание, заражение насекомыми, износ под рельсовой пластиной (также известное в Великобритании как «перемещение крепежной плиты») – абразивное повреждение шпалы, вызванное боковым движением крепежной плиты, и выдергивание гвоздей (когда гвоздь постепенно ослабляется в шпале). Деревянные шпалы могут воспламеняться; с возрастом в них образуются трещины, в которых могут задерживаться искры, что облегчает возникновение пожара.

Бетон

Бетонные шпалы дешевле и проще в приобретении, чем деревянные, и лучше выдерживают более высокие осевые нагрузки и позволяют поддерживать более высокие скорости. Их больший вес обеспечивает лучшую стабильность геометрии пути, особенно при использовании со сварными бесстыковыми рельсами. Бетонные шпалы имеют более длительный срок службы и требуют меньше обслуживания, чем деревянные, благодаря своему весу, который способствует более длительному сохранению правильного положения. Для обеспечения надежной работы бетонные шпалы необходимо устанавливать на тщательно подготовленное основание с достаточной глубиной слоя хорошо дренирующего балласта. Распространено ошибочное мнение, что бетонные шпалы усиливают шум от колес. Исследование, проведенное в рамках Euronoise 2018, опровергло это утверждение, показав, что бетонные шпалы в среднем на 2 дБ(А) тише деревянных, однако на прямых участках пути обладают большей акустической резкостью. При этом на кривых участках пути бетонные шпалы практически всегда тише деревянных во всем диапазоне слышимых частот. Это может приводить к тому, что шум поезда при движении по бетонным шпалам субъективно воспринимается как более громкий, чем при движении по деревянным. На линиях наивысшей категории в Великобритании (с самыми высокими скоростями и грузоподъемностью) стандарты Network Rail разрешают использовать только предварительно напряженные бетонные шпалы. Большинство европейских железных дорог также используют бетонные шпалы в стрелочных переводах и переездах из-за их большего срока службы и более низкой стоимости по сравнению с древесиной, которую становится все труднее и дороже приобретать в необходимых количествах и качестве.

Сталь

Стальные шпалы изготавливаются из прессованной стали и имеют тавровое сечение. Концы шпалы имеют форму "лопасти", что повышает её поперечную устойчивость. Корпуса для крепления рельсовой системы привариваются к верхней поверхности шпалы. Стальные шпалы широко используются на второстепенных или линиях с низкой скоростью движения в Великобритании, где их установка оказалась экономически выгодной благодаря возможности монтажа на существующее балластное полотно. Стальные шпалы легче бетонных и могут укладываться в компактные связки, в отличие от деревянных. Стальные шпалы можно устанавливать на существующий балласт, в то время как для бетонных шпал требуется полная замена балласта. Стальные шпалы на 100% подлежат переработке, требуют до 60% меньше балласта, чем бетонные, и до 45% меньше, чем деревянные. Ранее стальные шпалы страдали от недостатков конструкции и увеличения нагрузки от движения в течение их длительного срока службы. Эти устаревшие конструкции ограничивали допустимую нагрузку и скорость, но их все еще можно встретить во многих странах мира, где они продолжают функционировать удовлетворительно на протяжении десятилетий. Существует большое количество стальных шпал, эксплуатируемых более 50 лет, и в некоторых случаях они были восстановлены и продолжают успешно использоваться. Стальные шпалы также применялись в особых случаях, например, на железной дороге Хиджаз на Аравийском полуострове, где сухой и жаркий климат делал деревянные шпалы непригодными. Современные стальные шпалы выдерживают большие нагрузки, имеют подтвержденную надежность на путях с автоматической блокировкой и справляются с неблагоприятными условиями эксплуатации. Для железнодорочных компаний важно, что установка стальных шпал при новом строительстве обходится дешевле, чем установка шпал из креозотированной древесины или бетона. Стальные шпалы используются практически во всех секторах мировых железнодорожных систем, включая грузовые перевозки, магистральные линии, региональные линии, короткие линии, горнодобывающую промышленность, электрифицированные пассажирские линии (контактная сеть) и различные отрасли промышленности. Особенно стоит отметить, что стальные шпалы (подкладки) за последние десятилетия доказали свою эффективность на стрелочных переводах и решают проблему использования длинных деревянных шпал в этих местах. При изоляции для предотвращения прохождения тока через шпалы, стальные шпалы могут использоваться с системами обнаружения поездов и контроля целостности пути на основе рельсовых цепей. Без изоляции стальные шпалы могут применяться только на линиях без автоматической блокировки и переездах, или на линиях, использующих другие системы обнаружения поездов, такие как счетчики осей.

Steel ties are formed from pressed steel and are trough shaped in section. The ends of the tie are shaped to form a "spade" which increases the lateral resistance of the tie. Housings to accommodate the fastening system are welded to the upper surface of the tie. Steel ties are now in widespread use on secondary or lower speed lines in the UK where they have been found to be economical to install due their ability to be installed on the existing ballast bed. Steel ties are lighter in weight than concrete and able to stack in compact bundles unlike timber. Steel ties can be installed onto the existing ballast, unlike concrete ties which require a full depth of new ballast. Steel ties are 100% recyclable and require up to 60% less ballast than concrete ties and up to 45% less than wood ties. Historically, steel ties have suffered from poor design and increased traffic loads over their normally long service life. These aged and often obsolete designs limited load and speed capacity but can still be found in many locations globally and performing adequately despite decades of service. There are great numbers of steel ties with over 50 years of service and in some cases they can and have been rehabilitated and continue to perform well. Steel ties were also used in specialty situations, such as the Hejaz Railway in the Arabian Peninsula where the dry, hot climate made wood ties unsatisfactory. Modern steel ties handle heavy loads, have a proven record of performance in signalized track, and handle adverse track conditions. Of high importance to railroad companies is the fact that steel ties are more economical to install in new construction than creosote treated wood ties and concrete ties. Steel ties are utilized in nearly all sectors of the worldwide railroad systems including heavy haul, class 1s, regional, shortlines, mining, electrified passenger lines (OHLE) and all manner of industries. Notably, steel ties (bearers) have proven themselves over the last few decades to be advantageous in turnouts (switches/points) and provide the solution to the ever growing problem of long timber ties for such use. When insulated to prevent conduction through the ties, steel ties may be used with track circuit based train detection and track integrity systems. Without insulation, steel ties may only be used on lines without block signaling and level crossings or on lines that use other forms of train detection such as axle counters.

Пластмассы

В последнее время ряд компаний продает железнодорожные шпалы из композитных материалов, изготовленных из переработанных пластиковых смол и переработанной резины. Производители утверждают, что срок службы шпал больше, чем у деревянных, с ожидаемым сроком эксплуатации от 30 до 80 лет, что они не подвержены гниению и нападению насекомых, а также могут быть модифицированы специальным рельефом на нижней стороне для обеспечения дополнительной поперечной устойчивости. В некоторых случаях на основных путях гибридные пластиковые шпалы имеют углубленную конструкцию, позволяющую полностью окружить их балластом. Помимо экологических преимуществ использования переработанных материалов, пластиковые шпалы обычно заменяют деревянные шпалы, пропитанные креозотом – токсичным химическим веществом, и теоретически пригодны для переработки. Однако пластик может выделять микропластик и выщелачивать другие потенциально токсичные химические вещества, такие как ультрафиолетовые стабилизаторы. Гибридные пластиковые и композитные железнодорожные шпалы используются и в других областях, таких как подземные горные выработки, промышленные зоны, влажные среды и густонаселенные районы. Гибридные шпалы также применяются для частичной замены гнилых деревянных шпал, что обеспечивает постоянную жесткость пути. Гибридные пластиковые и композитные шпалы также полезны на мостах и виадуках, поскольку они обеспечивают лучшее распределение нагрузок и снижение вибраций, передаваемых соответственно на балки моста или балласт. Это связано с лучшими демпфирующими свойствами гибридных пластиковых и композитных шпал, которые уменьшают интенсивность вибраций и уровень шума. В 2009 году Network Rail объявила о начале замены деревянных шпал на шпалы из переработанного пластика, но компания I Plas обанкротилась в октябре 2012 года. В 2012 году Новая Зеландия заказала пробную партию композитных шпал "EcoTrax" от Axion для использования на стрелочных переводах и мостах, а в 2015 году – еще одну партию на три года, однако затем Axion объявила о банкротстве в декабре 2015 года, хотя продолжает деятельность. Эти шпалы разработаны доктором Носкером из Университета Рутгерса. Композитные шпалы, изготовленные из различных видов переработанного пластика, были внедрены в Уилтшире (Великобритания) в 2021 году. Они были установлены в качестве альтернативы деревянным шпалам на мосту, где бетонные шпалы оказались бы слишком тяжелыми. Хотя это был первый случай установки пластиковых шпал на магистральных путях в стране, ранее они использовались на узкоколейных железных дорогах. Шпалы также могут быть изготовлены из стекловолокна.

In more recent times, a number of companies are selling composite railroad ties manufactured from recycled plastic resins and recycled rubber. Manufacturers claim a service life longer than wooden ties with an expected lifetime in the range of 30–80 years, that the ties are impervious to rot and insect attack, and that they can be modified with a special relief on the bottom to provide additional lateral stability. In some main track applications the hybrid plastic tie has a recessed design to be completely surrounded by ballast. Aside from the environmental benefits of using recycled material, plastic ties usually replace timber ties soaked in creosote, the latter being a toxic chemical, and are theoretically recyclable. However, plastics may shed microplastics and leach other possibly toxic chemicals such as ultraviolet inhibitors. Hybrid plastic railroad ties and composite ties are used in other rail applications such as underground mining operations, industrial zones, humid environments and densely populated areas. Hybrid railroad ties are also used to be partly exchanged with rotten wooden ties, which will result in continuous track stiffness. Hybrid plastic ties and composite ties also offer benefits on bridges and viaducts, because they lead to better distribution of forces and reduction of vibrations into respectively bridge girders or the ballast. This is due to better damping properties of hybrid plastic ties and composite ties, which will decrease the intensity of vibrations as well as the sound production. In 2009, Network Rail announced that it would begin replacing wooden ties with recycled plastic. but I Plas became insolvent in October 2012. In 2012, New Zealand ordered a trial batch of "EcoTrax" brand recycled composite ties from Axion for use on turnouts and bridges, and a further three year order in 2015, but then Axion filed for bankruptcy in December 2015, though it continues to trade. These ties are developed by Dr. Nosker at Rutgers University. Composite sleepers, manufactured from various recycled plastics, were introduced in Wiltshire, United Kingdom, in 2021. They were installed as an alternative to wooden sleepers, on a bridge where concrete sleepers would have been too heavy. Although it was the first instance of plastic sleepers being installed on mainline track in the country, they have previously been used on narrow gauge railways. Ties may also be made from fiberglass.

Шерстяные галстуки

Необычная форма шпалы – это Y-образная шпала, впервые разработанная в 1983 году. По сравнению с традиционными шпалами, объем балласта, необходимый для укладки, снижается благодаря особенностям распределения нагрузки Y-образной шпалы. На кривых участках трехточечный контакт Y-образной стальной шпалы означает, что точное геометрическое соответствие с фиксированной точкой крепления не может быть достигнуто. Поперечное сечение шпалы имеет форму двутавра. По состоянию на 2006 год было уложено менее 500 000 метров пути с Y-образными шпалами, из которых примерно 90 процентов находится в Германии.

Двойные галстуки

ZSX Twin tie производится компанией Leonhard Moll Betonwerke GmbH & Co KG и представляет собой пару предварительно напряженных железобетонных шпал, продольно соединенных четырьмя стальными стержнями. Утверждается, что конструкция подходит для путей с крутыми поворотами, путей, подверженных температурным напряжениям, например, используемых поездами с реостатными тормозами, а также для мостов и в качестве переходного пути между традиционным путевым строением и безбалластным путевым строением или мостами.

Широкие шнурки

Бетонные моноблочные связи также изготавливаются в более широкой форме (например), при которой между связями отсутствует балласт; такая широкая связь повышает поперечную устойчивость и снижает давление на балласт. Эта система применяется в Германии, где широкие связи также используются совместно с безбалластными системами пути GETRAC A3.

Двухблочные связки

Двухблочные (или твинблочные) скрепления состоят из двух бетонных рельсовых опор, соединенных стальной перекладиной. К преимуществам относятся повышенная поперечная устойчивость и меньший вес по сравнению с моноблочными бетонными скреплениями, а также устранение повреждений центральной части скрепления от крутильных усилий благодаря более гибким стальным соединениям. Этот тип скреплений широко используется во Франции, в том числе на высокоскоростных линиях TGV. Двухблочные скрепления также применяются в безбалластных путях. Их можно перевести на другую ширину колеи путем разрезания и сварки стальной перекладины до размера, соответствующего новой колее.

Рамочные связки

Рамочные связки (Rahmenschwelle) состоят из поперечных и продольных элементов, объединенных в единую монолитную бетонную конструкцию.

Лестничная дорожка

В лестничном пути шпалы укладываются параллельно рельсам и имеют длину в несколько метров. Конструкция аналогична конструкции пути Брунеля с продольными брусьями; эти продольные шпалы могут использоваться как с балластом, так и с эластомерными опорами на сплошном, не балластном основании.

Северная Америка

Расстояние между шпалами на магистральной железной дороге составляет примерно для деревянных шпал или для бетонных шпал. Количество шпал составляет 3250 деревянных шпал на милю (2019 шпал/км, или 40 шпал на 65 футов) для деревянных шпал или 2640 шпал на милю для бетонных шпал.