Верхнее строение

К моменту, когда в России развернулось железнодорожное строительство, верхнее строение уже прошло длительный путь развития и было представлено значительным количеством вариантов. Рассматривая современную конструкцию как результат этого развития, можно выделить основные стадии ее формирования.

В горнодобывающей промышленности в XVI- XVIII вв. применялись колейно-лежневые дороги с деревянными элементами. На них впервые было получено представление о целесообразном сочетании продольных несущих лежней и поперечин, удерживающих лежни на нужном расстоянии друг от друга, о связи этого расстояния с шириной хода повозки, о необходимости конструктивных мер для надежного удержания ее в колее.

В книге П. П. Мельникова [103] приведен схематический чертеж одной из таких дорог, применявшейся для перевозки угля от шахт в Ньюкастле до пристани во второй половине XVIII в. Дубовые поперечины размером 15×15 см располагались одна от другой на расстоянии 60 см; они поддерживали пару сосновых брусьев, прикрытых сменными дубовыми досками для уменьшения износа несущих элементов дороги.

Появление металлических колей было крупным шагом в приближении к современной конструкции пути. Часто его объясняют стремлением защитить деревянные элементы от непосредственного воздействия колес и износа. Но это не так. Металлические колеи возникли вместе с необходимостью увеличения объема перевозок в пору начала промышленного переворота в Англии. Достигавшееся на них уменьшение сопротивления движению было замечено случайно.

В 1767 г. во время затруднений со сбытом металла на одном из английских заводов отлили из чугуна пластины сечением 11×3,5 см и длиной около 1,5 м с закраинами и разложили по существовавшей колейно-лежневой дороге с конной тягой. При улучшении рыночной конъюнктуры чугун, уложенный на дороге, намеревались переплавить и продать. Однако нововведение столь сильно сократило потребность в лошадях, что возникло убеждение в целесообразности укладки чугунных полос на деревянные лежни, в связи с чем открылась совершенно новая область использования металла.

Со временем колеям стали придавать форму, наиболее удобную для перекатывания колес. Так, с 1776 г. на колейно-лежневых дорогах применялись уголковые чугунные рельсы (рис. 7): вертикальная полка направляла движение колес, а по горизонтальной они перекатывались. Дороги с уголковыми рельсами предназначались для обычных экипажей, имевших колеса с ровными ободами.

Рис. 7. Схемы пути с уголковыми рельсами

Однако уголковые рельсы с пониженной и плоской поверхностью катания быстро засорялись кусками груза, землей, вылетающей из-под копыт лошадей, что создавало помехи в перевозках. Для устранения этого недостатка разработали конструкцию высоких рельсов, которые требовали уже специального подвижного состава с ребордчатыми колесами.

Грибовидный высокий рельс (рис. 8), появившийся в 1789 г., был близок к современным. Он не только направлял движение колес, но и полностью воспринимал давление от них, передавая его на концевые опоры. Рельс имел явно выраженную головку с вертикальным ребром внизу, которое переходило в шейку, снабженную зачатком подошвы на концах рельса - в местах его опирания. Подошва выполнялась в виде прилитых проушин с отверстиями, через которые рельс штырями соединялся с опорами. Хрупкость чугуна и неоднородная осадка опор были причиной частых изломов рельсов. Этот недостаток пытались устранить применением по возможности более массивных опор, например каменных блоков. "Всякого рода камни годны для основания под полосную дорогу,- писал П. П. Мельников [103],- но конечно лучшие суть те, которые имеют наибольший удельный вес... В некоторых дорогах употреблены вместо основных камней деревянные поперечные брусья, имеющие около 0,2 м высоты и 0,3 м широты, при длине несколько большей широты дороги. Недостаток инерции есть главный недостаток сей системы".

Рис. 8. Грибовидный высокий рельс

Чугунные рельсы имели длину немногим более 1 м. Из-за большого количества стыковых соединений путь в целом был недостаточно прочным и надежным. В добавление к этому из-за хрупкости металла высокие рельсы часто ломались. Поэтому в Англии на наиболее крупных дорогах даже и в начале XIX в. предпочитали укладывать уголковые рельсы на деревянных лежнях.

Чугунные рельсы неоднократно пытались усовершенствовать. С 1779 г. начали изготавливать рельсы с переменной высотой ребра, достигая очертания балки равного сопротивления. Такие рельсы напоминали современникам рыбу и нередко упоминаются в литературе под названием рельсов "с рыбьим брюхом". Вскоре отказались от опорных приливов на концах рельса и стали соединять их с опорами посредством литых чугунных подушек, которые обеспечивали нежесткое, практически шарнирное опирание. На концах рельсы имели косой уступ, что явилось первой попыткой улучшить стык устранением поперечного зазора (рис. 9). Рельсы укреплялись в подушках (стульях) с помощью клиньев. Такая система опорного крепления сохранилась в Англии на долгие годы в пути с двухголовыми рельсами. Она была принята позднее и на Царскосельской дороге.

Рис. 9. Чугунные рельсы с 'рыбьим брюхом' и косым стыком

Изобретение способа профильной прокатки железа в 1820 г. позволило увеличить длину рельсов примерно в 4 раза. Вначале прокатные железные рельсы прикреплялись к подушкам старых конструкций и в местах опор приходилось вырезать часть ребра, придавая рельсу в каждом пролете форму балки равного сопротивления. Такие "волнистые" рельсы (рис. 10) были уложены на первых железных дорогах общего пользования с паровой тягой в Англии. Из-за дороговизны обработки от "волнистых" рельсов отказались. В 30-е годы начали применять различные варианты прокатных рельсов с неизменной по длине высотой. Увеличение сопротивляемости изгибу достигалось утолщением рельса в нижней части, что, в конечном счете, привело к образованию второй головки. Так, в 1833 г. возникли типичные для английских железных дорог двухголовые рельсы, имевшие почти исключительное применение вплоть до второй мировой войны.

Рис. 10. Железные 'волнистые' рельсы

Прототип широкоподошвенного рельса зародился в Америке, где широко применяли деревянные поперечины, а рельсы для удобства непосредственной установки на поперечины делали с плоской опорной пятой. Этот принцип был сохранен и в широкоподошвенных Н-образных рельсах, предложенных в 1835 г. Р. Л. Стивенсом. Они еще имели уширения подошвы по концам с отверстиями для прикрепителей. Завершающий шаг в создании широкоподошвенного рельса неизменного профиля сделан американцем Ч. Виньолем, с именем которого связано применение таких рельсов в Англии и на европейском континенте. Широкоподошвенные рельсы долгое время называли виньолевскими.

Стык рельсов по традиции располагали на опоре. При этом для защиты деревянных поперечин от быстрого разрушения торцовыми ребрами рельсов под рельсы стали подкладывать чугунные подушки, а затем железные пластины, которые впоследствии преобразовались в подкладки. С широкоподошвенными рельсами вошли в практику и стыковые накладки, впервые примененные в 1838 г., но не с виньолевскими рельсами. Последние в своей исходной форме не допускали накладочно-болтового соединения, так как не имели шейки достаточной высоты.