Бесстыковой путь (или бархатный путь) — это железнодорожный путь, в котором не используются стыки как средство компенсации температурных деформаций, за исключением концов такого пути (бесстыковой плети). Бесстыковые плети могут быть различной длины — от нескольких десятков метров до многих десятков километров. Если в звеньевом пути температурные колебания длины рельсов компенсируются в основном зазорами (стыками) между относительно короткими рельсами (обычно 25 метров), то в бесстыковом пути температурные колебания компенсируются механическими напряжениями: при высокой температуре рельсы сжаты вдоль, при низкой — растянуты. Температура, при которой рельсы не подвергаются действию продольных сил — нейтральная температура, или температура закрепления. Для обеспечения механической прочности и устойчивости такого пути требуются тяжёлые, массивные элементы верхнего строения пути (рельсы и шпалы, — обычно тяжёлые железобетонные, пружинные и клеммные крепления рельсов, прочно прижимающие рельс к шпале) и массивная конструкция балластной призмы из чистого щебня крупных фракций.
В России современный бесстыковой путь в основном представляет собой чередование участков пути, где уложены сваренные рельсовые плети длиной от 350 метров до длины блок-участка, с короткими участками звеньевого пути — уравнительными пролётами. Рельсы могут свариваться в плети длиной в перегон и достигать 30 и более километров, иногда такие плети свариваются со стрелками и станционными путями в единое целое.
Этот вид пути рассчитан на воздействие значительных (по сравнению со звеньевым путём) температурных напряжений, возникающих в рельсах при колебаниях температуры воздуха. Механические напряжения сжатия и растяжения, возникающие в рельсовых нитях, для рельсов Р65 при эксплуатации достигают значений 110 тонн-сил в каждой из нитей (максимально допустимые в кривых). Максимальная амплитуда температур рельсов (разница между максимальной летней и зимней температурами рельсов), при которой допустимо устройство бесстыкового пути, зависит от радиуса кривой. Так, для прямых максимальная амплитуда — не более 140 °C, для кривых радиуса 500 метров — не более 115 °C.
Рельсовые плети изготовляются из стандартных (25 м) рельсов сваркой на предприятиях (РСП — рельсосварочное предприятие) или непосредственно на месте укладки (рельсосварочный поезд). Хотя прокладка бесстыкового пути более затратна, чем звеньевого, он отличается высокими эксплуатационными качествами, обеспечивающими высокоскоростное движение поездов, комфортабельность проезда пассажиров и снижение расходов на содержание подвижного состава и пути. Отсутствие стыков исключает характерное в области стыков ударное разрушение рельсов, расстройство балласта и разрушение шпал.
История Впервые идею устройства железнодорожного пути без стыков высказал в России инженер И. Ф. Стецевич ещё в 1896 году. Он предложил укладывать путь с волнообразным в плане искривлением и за счёт изменения стрел этих искривлений периодически производить удлинение или укорочение плети, снижая величины продольных сжимающих или растягивающих силКрейнис З. Л. Бесстыковой путь. Как устроен и работает бесстыковой путь — М.: Маршрут, 2005 ISBN 5-89035-217-2.
В Германии первый бесстыковой путь был проложен в 1924 году, в США — в 1930 году.
В 1932 году на направлении Купянск — Валуйки были впервые в СССР уложены рельсы длиной 37,5 метра. В этом же году рельсовые плети длиной 215—225 метров были уложены на мостах через реку Ока у Серпухова и через реку Волга у Калязина. В это время начали укладывать на станционных путях сварные рельсы длиной 60—100 метров. В 1933 году на станции Подмосковной соорудили первый в СССР участок бесстыкового пути длиной 477 метров. В 1937 году на приёмо-отправочных путях станции Данилов были уложены рельсовые плети длиной от 300 до 800 метров.
Участок на станции Подмосковная стал экспериментальным полигоном изучения особенностей работы бесстыкового пути, базой накопления опыта для последующего практического применения в широких масштабах. Выполненные исследования позволили перейти от созданной в начале 1950-х годов инженером (а впоследствии доктором технических наук) М. С. Боченковым конструкции бесстыкового пути с саморазрядкой к пути с сезонными разрядками температурных напряжений, а затем и к температурно-напряжённой его конструкции без сезонных разрядок напряжений, ставшей основной. Температурно-напряжённый бесстыковой путь на деревянных шпалах был впервые уложен на бывшей Московско-Курско-Донбасской железной дороге в 1956 году, а в следующем году началась укладка бесстыкового пути на железобетонных шпалах. Вместо уравнительных приборов, устанавливавшихся по концам плетей, стали укладывать уравнительные рельсы. В условиях большой грузонапряжённости на Донецкой железной дороге в 1959 году был сооружён первый участок бесстыкового пути температурно-напряжённого типа.
К началу 1963 года на советских железных дорогах было уложено около 2,2 тыс. км бесстыкового пути и около 4,5 тыс. км длинных рельсов, а к началу 1966 года — около 5,5 тыс. км бесстыкового пути. В последующем темпы внедрения бесстыкового пути возрастали. Конструкция верхнего строения пути развивалась экстенсивными методами — укладывались более тяжёлые типы рельсов, щебеночный балласт, железобетонные шпалы. Увеличивалась допустимая длина рельсовых плетей до 800 м (1963 год«Технические условия на укладку и содержание бесстыкового пути», 1963 год); до 950 м (1982 год«Технические указания по укладке и содержанию бесстыкового пути», 1982 г.); до длины блок-участка. А на участках с тональными рельсовыми цепями или без них, но при сваривании рельсовых вставок с высокопрочными изолирующими стыками, имеющими сопротивление на разрыв не менее 2,5 МН, — до длины перегона (2000 год«Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути», 2000 г.). К началу 2003 года бесстыковой путь был уложен на полигоне длиной более 50 тысяч километров, что составляет около 40 % протяженности главных путей российских железных дорог.
В метрополитенах, где температура пути меняется в достаточно узком диапазоне, широкое внедрение бесстыкового пути произошло в 1940-х годах. Киевский и более поздние метрополитены в СССР изначально проектировались с бесстыковым путём. Однако перед станцией и после неё присутствуют уравнительные участки со звеньевым путём.
Конструкция
На железных дорогах Российской Федерации эксплуатируется температурно-напряжённая конструкция бесстыкового путиЗдесь и далее в разделе «Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути», 2000. Основное отличие работы бесстыкового пути от обычного звеньевого состоит в том, что в рельсовых плетях действуют значительные продольные усилия, вызываемые изменениями температуры. Дополнительное воздействие на бесстыковой путь оказывают силы, создаваемые при выправке, рихтовке, очистке щебня и других ремонтных путевых работах.
Работа плети
Для того, чтобы понять, как работает бесстыковой путь, необходимо представить рельсовую плеть в свободном состоянии. Нагрев плети в свободном состоянии будет вызывать её равномерное удлинение, так как при нагревании тела расширяются. Остывание плети в свободном состоянии будет вызывать её равномерное укорочение, так как при охлаждении тела сжимаются. Это при отсутствии внешнего механического сопротивления; при укладке в путь и охлаждении или нагревании плеть стремится изменить свою длину, но ей мешают скрепления. Изменения длины плети происходят, но намного меньше, чем в свободном состоянии. В бесстыковом пути удлинения и укорочения плетей происходят только на концевых участках, эти концевые участки называют дышащими участками. Плети дышат за счёт зазоров в уравнительных пролётах.
Рассмотрим перемещение двух точек на плети. Первая точка находится на расстоянии 10 метров от конца плети. Вторая точка находится на расстоянии 100 метров от конца плети. Плеть нагревается солнечными лучами и стремится к удлинению. Удлинению первой точки препятствуют 20 скреплений на протяжении 10 метров, а удлинению второй точки препятствуют уже 200 скреплений на протяжении 100 метров. Сопротивление перемещению второй точки в 10 раз больше, чем первой, поэтому и величина перемещения в первой точке будет больше, чем во второй.
Таким образом, в работе бесстыкового пути, а точнее — в работе плети бесстыкового пути, перемещаются только концевые дышащие участки. Перемещения затухают в направлении от концов плети к середине и далее на большей части плети перемещения отсутствуют. Из-за того, что удлинения и укорочения плети в бесстыковом пути происходят не в полной мере, эти несостоявшиеся удлинения и укорочения выражаются в виде сил. Летом несостоявшееся удлинение плети может проявиться в виде выброса. Зимой несостоявшееся укорочение плети может проявиться в виде разрыва сварного стыка и раскрытия большого зазора.
Температура закрепления — это температура рельсовой плети в градусах Цельсия, при которой в плети отсутствует сила. Другими словами, если при температуре плети, равной температуре закрепления, ослабить плеть, то она не изменит своей длины. Температура закрепления плети — самая главная информация при содержании бесстыкового пути, потому что температура закрепления влияет на величину сил в плети. Чем больше разница текущей температуры плети и температуры закрепления плети, тем больше растягивающие или сжимающие силы. Для каждой местности существует своя оптимальная температура закрепления плети, в России эти температуры определены для каждой из дорог ОАО «РЖД».
План и профиль Бесстыковой путь на щебёночном и асбестовом балласте должен укладываться в прямых участках и в кривых радиусом не менее 250 м. На станционных путях при использовании гравийного или песчано-гравийного балласта разрешается укладка бесстыкового пути в кривых радиусом не менее 600 м, также может быть уложен на мостах на деревянном брусе. Крутизна уклонов на участках бесстыкового пути, как правило, не ограничивается. Сопряжение элементов плана и профиля должно удовлетворять нормам и техническим условиям для звеньевого пути.
Земляное полотно и балластный слой Земляное полотно должно быть прочным и устойчивым и иметь достаточные размеры для размещения балластной призмы. Для этого на стадии проектирования бесстыкового пути оно должно быть обследовано в соответствии с Инструкцией по содержанию земляного полотна железнодорожного пути. Не допускаются пучины высотой более 10 мм, просадки пути, сплывы и оползания откосов насыпей и другие деформации земляного полотна. Они должны быть устранены в соответствии с Техническими условиями на работы по ремонту и планово-предупредительной выправке пути до укладки бесстыкового пути.
На участках бесстыкового пути внеклассных и 1—4-го классов балласт должен быть щебеночный (новый или очищенный — основной вариант). На путях 3—5-го классов допускается асбестовый балласт. Щебень должен быть фракций 25—60 мм, только твёрдых пород с прочностью И20 и У75 по ГОСТ 7392-85 «Щебень из природного камня для балластного слоя железнодорожного пути». Асбестовый балласт должен соответствовать Техническим условиям «Смесь песчано-щебёночная из отсевов дробления серпентинитов для балластного слоя железнодорожного пути». На путях 4—5-го классов может применяться щебень прочностью И40 и У50, гравийный или гравийно-песчаный балласт, на путях 5-го класса — балласт всех видов, применяемых на железнодорожных путях. Применение асбестового балласта на участках скоростного движения пассажирских поездов не допускается.
Ширина плеча балластной призмы на участках бесстыкового пути должна быть: на путях внеклассных, 1-го и 2-го классов — 45 см, 3—5-го классов — 40 см; крутизна откосов балластной призмы при всех видах балласта должна быть 1:1,5. Поверхность балластной призмы должна быть в одном уровне с поверхностью средней части железобетонных шпал.
Шпалы и рельсы