На железной дороге можно увидеть много интересного и зачастую совершенно непонятного для человека, непосвящённого в тему. К примеру, конструкция рельсов на мосту очень странная. Помимо двух главных рельсов, по которым катятся колеса, прямо внутри колеи на небольшом расстоянии от них лежат еще два. Они короткие и кажутся совершенно бессмысленными. Зачем они нужны, если по ним все равно никто не едет? Интересно, что ответ кроется не в удобстве, а в паранойе инженеров, которая спасала тысячи жизней.
1. Как всё работает на самом деле
Железнодорожные пути
Хоть и кажется, что рельсы – это всего лишь направляющие для поезда, но функций у них гораздо больше, а колесная пара вагона является их неотъемлемой частью. Главный секрет скрыт в форме колеса, чья беговая поверхность имеет форму аккуратного усеченного конуса. Широкая часть этого конуса обращена внутрь колеи, узкая наружу. Благодаря этой незначительной детали вагон не сходит с рельсов.
Колёса специально для рельс
Когда он смещается, к примеру, вправо, правое колесо начинает катиться по рельсу своим меньшим диаметром, а левое — большим. Поскольку левое колесо за один оборот проходит большее расстояние, оно словно подталкивает тележку обратно к центру колеи. Получается своеобразное самоцентрирование, вполне стабильное на прямых участках, но эта же особенность порождает и главную проблему — боковое давление. В повороте центробежная сила прижимает колеса к наружному рельсу, колесная пара упирается в него своей конической поверхностью, а рельс испытывает огромную боковую нагрузку от постоянного трения и ударов. Именно это боковое давление и причиняет большие неприятности: износ пути, а в худшем случае сход с рельсов, когда колесо перескакивает через головку рельса. Вся конструкция железнодорожного пути как раз и предназначена, чтобы решать эту проблему.
2. Где ставят дополнительные рельсы и почему
Дополнительный рельс
К сожалению, невозможно построить идеально прямую железную дорогу: она идёт по рельефу земли, заходит в города, огибает горы и, конечно же, пересекает реки. Мосты, эстакады и высокие насыпи становятся самыми опасными участками, где авария почти гарантированно превращается в катастрофу. Здесь сорвавшийся вагон может рухнуть с большой высоты, увлекая за собой весь состав. Не менее опасны острые повороты, особенно на горных трассах или в городской черте: боковое давление на наружный рельс максимально, и он изнашивается в разы быстрее. Наконец, сложнейшие узлы — стрелочные переводы и перекрестки, где колесная пара проходит через сложные конструкции.
Дополнительная защита
Впервые инженеры задумались о дополнительной страховке после череды тяжелых крушений в XIX веке, а одна из первых задокументированных установок контррельсов на мосту относится к середине 1800-х годов. Железнодорожники быстро осознали, что пассивно наблюдать за износом и надеяться на удачу нельзя, и разработали целую серию проектов для улучшения железнодорожных путей. Так появились три основных типа «третьих рельсов»: охранные для мостов, направляющие для стрелок и контррельсы для крутых поворотов. Каждый из них имеет своё предназначение и конструкцию, построенную исходя из законов механики и печального опыта прошлого.
3. Защита от ошибок на мостах и эстакадах
Поддержка для состава
Именно на мостах инженерная паранойя проявляется ярче всего: здесь ставят так называемые охранные рельсы. Их задача — не направлять движение, а буквально ловить колеса. Конструкция охранных рельсов предельно функциональна. Внутри стандартной колеи, на расстоянии около 15-20 сантиметров от головки ходового рельса, крепятся два коротких стальных профиля. Это могут быть специально прокатанные рельсы меньшего сечения или обычные рельсы, уложенные набок. Крепят их к шпалам прочными болтами или держателями.
Упор для колёс
При этом расстояние рассчитано на габарит сорвавшейся колёсной пары, и если колесо начнёт подниматься и перескакивать через головку основного рельса, оно не упадёт в пропасть. Вместо этого его гребень — внутренний выступ — упрётся в боковую поверхность охранного рельса. Это не остановит состав мгновенно, но предотвратит полный сход. Локомотив или вагон продолжат движение, скользя гребнем колёса по этому страховочному упору, пока машинист не остановит поезд. По сути, охранный рельс работает как отбойник на опасном повороте трассы, принимает на себя удар и не даёт улететь с полотна. Эффективность этой системы доказана десятками инцидентов, о которых не пишут в новостях именно потому, что они не закончились катастрофой. Время от времени из-за какой-нибудь поломки, разрыва рельса или обледенения на мосту соскакивает колесо. При этом охранный рельс принимает удар, состав благополучно доезжает до станции, где повреждения и устраняются. Без этой простой стальной полосы многие такие случаи закончились бы обрушением.
4. Стрелки и перекрёстки: точность против хаоса
Железнодорожный перекрёсток
Одно из самых критичных мест - стрелочный перевод. Здесь путь расходится, а чтобы всё прошло без проблем, в конструкцию стрелки включили свои дополнительные рельсы — направляющие. Они выполняют совершенно другую работу – ведут колёсную пару по предназначенному для неё пути. При этом конструкция стрелки очень далека от идеала: колесо вагона может легко попасть в острый угол между расходящимися рельсами, и вагон в таком случае неминуемо сойдёт с пути. Чтобы этого не случилось, с внутренней стороны ходовых рельсов, непосредственно перед крестовиной, устанавливают направляющие рельсы. Они образуют узкий, точно рассчитанный жёлоб, который направляет гребень колёса и заставляет его двигаться по намеченному пути.
Колёсная пара на перекрёстке
Геометрия здесь решает всё. Расстояние между рабочими гранями направляющего и основного рельса чуть больше толщины гребня колёса, что даёт необходимый минимальный люфт, но не позволяет колесу пойти по ложному пути. Когда состав движется прямо, колесо катится по основному рельсу, лишь слегка задевая направляющий. При переводе на боковой путь острый нос крестовины (сердечник) направляет гребень колёса точно в нужный жёлоб, где его уже ждёт направляющий рельс. Он берёт на себя всю нагрузку, пока колесо не перекатится через опасную зону и не встанет на новый ходовой рельс. Существуют разные типы крестовин, но логика работы направляющих рельсов остаётся одной и той же: они работают как ограничители.
5. Износ на крутых поворотах и горных трассах
Износ рельса
На повороте с маленьким радиусом поведение вагонов меняется радикально: центробежные силы всерьёз пытаются вытолкнуть их наружу, что заставляет колёсную пару буквально взбираться на рельс. При этом изнашивается и сама колёсная пара, и рельс, что впоследствии приводит к серьёзным проблемам и дорогостоящему ремонту. Если ничего не делать, наружный рельс на таком вираже придётся менять в разы чаще, а риск схода возрастёт.
Блок контррельса
Здесь на помощь приходят контррельсы, которые правильнее называть боковыми направляющими или рельсами-противовесами. Их устанавливают с внутренней стороны внутреннего рельса в кривой. В отличие от мостовых охранных, они не стоят в стороне, а активно работают. Контррельс принимает на себя часть бокового давления от колёсной пары, а работает это как раз за счёт той самой конической формы колёса. То есть поставленный рядом контррельс становится для колеса своеобразной точкой опоры, а давление распределяется между двумя рельсами. Благодаря такой схеме работы износ наружного ходового рельса снижается в разы, а устойчивость состава в вираже повышается. Такие контррельсы — обычное дело на горных серпантинных линиях, в крутых поворотах на магистралях и на въездах в тоннели.
Ещё интересное с нашего канала:
Для чего на подводных лодках применяется свет красного цвета
Не всё железная дорога, что имеет рельсы, и самый яркий тому пример – это судоподъёмник Красноярской ГЭС. На самом деле это огромный лифт для кораблей, который построили по насущной необходимости – чтобы не остановилось движение по реке после постройки дамбы.
