Конструкция стыков

Первые стыковые соединения русских дорог в принципе не отличались от современных. Плоские накладки имели в поперечнике клиновидную форму. Их стягивали болтами. Такие накладки, распирая пазухи рельсов, обеспечивали их прочное соединение.

Стыки сначала устраивали на шпале (рис. 20). Но интенсивное смятие железных рельсов на концах заставило изменить эту конструкцию. В 1865 г. при строительстве Рязанско-Козловской дороги впервые применили стыки на весу. Это позволило резко уменьшить смятие и расплющивание металла. Спустя несколько лет, стыки на весу приобрели исключительное распространение на вновь строящихся дорогах.

Рис. 20. Конструкция накладочного стыка на шпале (нижняя пара костылей забита через шпунты в подошве отдающего рельса)

Стыки устраивались четырехболтовыми. Одно время на Петербурго-Варшавской, Московско-Нижегородской, Балто-Одесской, Московско-Курской и других дорогах применяли облегченные трехболтовые стыки. Но они оказались неудачными и довольно быстро вышли из эксплуатации. Четырехболтовые стыки на весу сначала имели плоские накладки. При обычной для того времени высоте рельса они обеспечивали вполне достаточную прочность стыка, хотя и воспринимали значительный изгибающий момент. Борьба с угоном вызвала необходимость изменения формы накладок. Чтобы закреплять рельсы от продольного перемещения, нижней части накладки придали горизонтальную полку. Сначала ее делали в середине длины накладки, полагая, что полка, упираясь в подкладки стыковых шпал, будет в достаточной мере стопорить рельсы. Но такие накладки плохо выполняли противоугонные функции. Поэтому горизонтальную полку удлинили, уширили, стали вырезать в ней, а не в рельсе, шпунты для костылей (рис. 21). Стык рельсов приобрел функции противоугонного устройства.

Рис. 21. Рельсовый стык с угловыми противоугонными накладками

Фасонные угловые накладки, естественно, оказались более дорогими, чем плоские. Вначале их ради экономии применяли в паре с плоской накладкой (рис. 22). Такие несимметричные стыки до середины 80-х годов использовались на многих дорогах, но они слабо воспринимали боковые силы, вследствие чего происходило местное уширение колеи в зоне стыков. Пришлось поставить в стыках и вторую фасонную накладку. Это устранило уширение и одновременно продемонстрировало возможность существенного усиления стыка развитием формы накладки. Используя эту возможность, начали усложнять форму накладки, что привело, в конечном счете, к фартучной накладке. Горизонтальная полка накладки была загнута книзу; в середине накладки она имела свес значительной высоты, увеличивающий момент сопротивления. Фиксация положения рельса в продольном направлении достигалась вырезами полки, в которые входили подкладки стыковых шпал. Следовательно, фартучная накладка через подкладки и костыли включала в противодействие продольным перемещениям стыковые шпалы. Фартучная накладка представляла весьма остроумное решение. С 1903 г. шестиболтовой стык с такими накладками был принят на дорогах русской сети в качестве типового к рельсам типов I, II, III, IV.

Рис. 22. Стык с одной фасонной и одной плоской накладками

Развитие конструкции стыка в действительности происходило не в такой строгой последовательности. Стык рельсов, как наиболее напряженное место рельсовой колеи, постоянно привлекал внимание конструкторов и изобретателей. На съездах инженеров службы пути рассматривались различные варианты усиления стыков и их новых конструкций, предлагавшихся Е. И. Рычковским, И. Н. Ливчаком, В. А. Рехневским, Н. И. Норковым, И. В. Пиларем, А. И. Лихачевым, Н. А. Бушманом, И. О. Ярковским и другими [83]. На русских дорогах неоднократно изучались и испытывались также зарубежные стыковые соединения особых конструкций. Однако все они уступали в простоте и надежности обычному накладочно-болтовому стыку с нормальным торцовым зазором между рельсами, совершенствование которого и представляло рассмотренное основное направление развития конструкции.

Накладка обычно рассчитывалась на изгиб как балка, загруженная тем или иным способом по концам и в середине. Расчет рельсового стыка при проходе через него колеса был дан А. А. Холодецким в 1896 г. [180]. Но для практических целей он оказался сложным.

Материалом для накладок служило сначала кованое железо, а затем мягкая, малоуглеродистая сталь. Это обусловливалось необходимостью довольно сложной последующей обработки накладок: прошивки отверстий, вырубки шпунтов и пазух и т. д. При более твердой стали в процессе обработки возникали бы трещины.

При конструировании стыковых болтов помимо выполнения требований, связанных с их прямым назначением, заметную роль играла разработка стопорных устройств, удерживающих болты при вращении гаек. Это достигалось чаще всего с помощью подголовников квадратной или каплеобразной формы. В накладках прошивались отверстия соответствующей формы. Болты с каплеобразными подголовниками использовались в стыках с угловыми накладками в течение долгого времени. В 1903 г. болты стали готовить с большими квадратными головками, расположенными эксцентрично относительно стержня. При вращении гайки болт поворачивался, пока головка не упиралась в выступающие части рельса. Для предотвращения саморазвертывания гаек применяли различные устройства, с 80-х годов - больше всего разрезные пружинные шайбы. В это время их уже готовили на ряде русских заводов и притом неплохого качества. Однако далеко не все отечественные специалисты признавали полезность упругих "подгаешников" [137]; в общем они внедрялись Медленно.