Традиционные материалы, используемые для изготовления шпал.

Материалы, используемые для изготовления железнодорожных шпал, развивались на протяжении последнего столетия. Многие материалы использовались в соответствии с преобладающими условиями в различных частях мира. Ниже перечислены некоторые из материалов, которые традиционно использовались для изготовления железнодорожных шпал.

1. Лесоматериал. Деревянные шпалы используются на железных дорогах уже долгое время и являются надежными и эффективными. Наиболее значительным преимуществом использования деревянных шпал является то, что они могут быть адаптированы для большинства железнодорожных путей. Это преимущество достигается благодаря простоте обращения с деревянными шпалами по сравнению с другими жесткими шпалами. Проблемы, возникающие на стройплощадке, могут быть решены собственными силами без привлечения специалистов со стороны.

Деревянные шпалы легко подвержены механическому износу и естественному гниению, что приводит к их разрушению. Деревянные шпалы преимущественно выходят из строя под воздействием грибков и гнили. Нападение термитов также повреждает значительное количество шпал. Поскольку железнодорожные шпалы выдерживают поперечные сдвиговые нагрузки большой величины, бревна раскалываются на концах, делая их бесполезными. Использование древесины также приводит к вырубке лесов, поэтому воздействие на окружающую среду очень велико. Кроме того, использование древесины с химической пропиткой создает риск утилизации. Эти негативные последствия привели к использованию других материалов.

2. Чугун. Срок службы чугунных шпал составляет пять-шесть десятилетий. Они могут быть переформованы и имеют значительно высокую стоимость лома. Помимо того, что они обеспечивают значительную площадь опоры, они более прочны в месте примыкания рельсов.

Несмотря на эти преимущества, как и в случае с большинством чугунных элементов, они быстрее подвергаются коррозии, поэтому их не рекомендуется использовать в прибрежных районах. Чугунные шпалы повреждаются во время схода с рельсов и поэтому имеют высокую стоимость замены. Наряду с необходимостью использования большого количества крепежных элементов, они также не могут поглощать удары. К этому добавляются высокие первоначальные затраты, поэтому чугунные шпалы экономически нецелесообразны.

3. Стальная шпала. Стальные шпалы служат на железных дорогах несколько десятилетий. В отличие от деревянных, стальные шпалы не подвержены гниению и не поражаются паразитами. Использование стальных шпал обеспечивает лучшее и простое соединение между рельсом и шпалой. Помимо обеспечения превосходной боковой жесткости, стальные шпалы также имеют высокую стоимость лома. Благодаря более высокому качеству по сравнению с чугунными шпалами, после укладки не требуется повышенного внимания. Их устойчивость к ползучести также дает им дополнительное преимущество. Благодаря вышеупомянутым факторам, они подходят для высоких скоростей и больших нагрузок по сравнению с чугунными.

Однако стальные шпалы имеют и свои недостатки. Использование стальных шпал в соленых регионах делает их подверженными коррозии. Их неспособность подходить для всех участков рельсов и ограничение по использованию только с камнями в качестве балласта, действуют как демпфер, снижающий их использование. Стальные шпалы также могут получить серьезные повреждения в случае схода с рельсов. В таких случаях их замена неизбежна, что делает их экономически непривлекательными.

4. Бетонная шпала. С ожидаемым сроком службы около полувека бетонные шпалы являются самыми долговечными из всех вышеперечисленных шпал. Благодаря своему тяжелому весу, они могут обеспечить исключительную боковую устойчивость путей. Помимо устойчивости к коррозии по сравнению с другими материалами, бетонные шпалы демонстрируют высокую эффективность в борьбе с ползучестью. Их способность противостоять атаке термитов и пригодность для использования почти на всех видах почвы делают их широко распространенными. Хотя первоначальные затраты на производство этих шпал высоки, их окупаемость за полвека срока службы с лихвой компенсирует высокую стоимость.

Жесткий характер бетонных шпал делает их сложными в обращении. Их неспособность быть приспособленными к разным условиям эксплуатации по сравнению с деревянными шпалами создает некоторые проблемы. По сравнению с деревянными, бетонные шпалы жесткие. Обычные бетонные шпалы показали свою неспособность выдерживать циклический характер нагрузок, действующих на них в течение срока службы.
Железные дороги по всему миру сталкиваются с проблемой повышения эффективности своей работы. В рамках борьбы за повышение грузоподъемности и частоты поездок поездов широкое распространение получило использование высокоскоростных линий. Использование этих высокоскоростных путей оправдало применение предварительно напряженных бетонных шпал. Шпалы из предварительно напряженного бетона, по сравнению с вышеупомянутыми шпалами, служат дольше и требуют меньших затрат на обслуживание. Предварительно напряженные бетонные шпалы могут выдерживать статические и циклические нагрузки, действующие на них.

Основные неисправности в предварительно напряженных бетонных шпалах. Были рассмотрены обширные исследования, проведенные во всем мире по вопросам разрушения предварительно напряженных железобетонных шпал. На основе обзора литературы были определены основные причины разрушения предварительно напряженных бетонных шпал, которые описаны ниже.

Ухудшение рельсового седла.В современных предварительно напряженных бетонных шпалах наиболее часто встречается разрушение седла рельса. Существует много причин, по которым происходит разрушение седла рельса, и среди них абразивный износ седла является наиболее вероятным способом разрушения седла рельса [1]. Относительное движение между накладками и поверхностью бетонного седла рельса приводит к износу бетона с поверхности. Нагрузка от колес передается на подкладки, которые в свою очередь передают ее на рельс. Затем эти нагрузки воспринимаются шпалами. Во время этого процесса на границе между рельсом и подкладкой действует сдвигающая сила. Когда эта сила превышает статическое трение на границе раздела, происходит скольжение; бетон воспринимает передаваемую деформацию. Когда эта деформация в бетоне переходит предел усталости, это приводит к ухудшению состояния, и в конечном итоге после значительных циклов нагружения происходит отрыв частиц бетона от места посадки рельса [2].

Центрально-связанное повреждение и продольные трещины. В связи с постоянно растущим спросом на повышение эффективности железнодорожных перевозок железнодорожные пути повышенной прочности являются насущной необходимостью. Шпалы разрушаются при растяжении, испытывая большие по величине и высокочастотные нагрузки, возникающие во время движения поездов. Происхождение трещин было прослежено до места расположения сыромятной пробки, при этом основной причиной их развития стало растягивающее напряжение, возникшее в результате действия сил предварительного натяжения в этой же области. Эти напряжения в конечном итоге приведут к развитию продольных трещин из-за увеличения растягивающего напряжения вокруг этой области[4].

Сход с рельсов и ударная нагрузка. Сход поездов с рельсов происходит на этапе эксплуатации из-за ошибки руководства или дефектов на путях, которые не удалось обнаружить. Помимо безвозвратной потери жизни, сход с рельсов приводит в неработоспособное состояние пути. Мощная сила, с которой сталкиваются железнодорожные шпалы в случае схода с рельсов, обычно повреждает их до неузнаваемости. Из-за этого непоправимого вреда шпалы необходимо заменять, что существенно влияет на экономику железнодорожных перевозок.

Колесные нагрузки большой величины, действующие в течение короткого времени, действуют на железнодорожные шпалы всякий раз, когда по ним движутся поезда. Эти нечастые нагрузки оказывают динамическое ударное воздействие и могут привести к образованию трещин [5]. Такой тип нагрузки является результатом плоских колес и погруженных рельсов. Эти факторы могут создать силу в 400 кН на одно рельсовое седло за период менее десяти миллисекунд. В современном международном сценарии большинство руководств рассматривают только статические и динамические нагрузки без особого внимания к ударным нагрузкам. Ученые провели исследования ударного поведения предварительно напряженных бетонных шпал. Они провели полевые исследования на транспортном объекте угольной шахты, чтобы определить предельную энергию удара, которую шпалы могут выдержать, прежде чем они разрушатся в результате раскалывания [6].

Необходимость в новых материалах.  Железнодорожные шпалы, используемые во всем мире, сталкиваются с необычайно высокими эксплуатационными требованиями. Даже жесткие и высококачественные предварительно напряженные бетонные шпалы не выдерживают современных эксплуатационных требований. Исследования по всему миру показывают, что во многих районах предварительно напряженные бетонные шпалы не выдерживают пятидесятилетнего срока службы. Основными факторами разрушения шпал являются ударные и динамические нагрузки большой величины, действующие на шпалы. В тех местах, где по-прежнему используются модифицированные деревянные шпалы, их гниение и распад все еще представляют угрозу. Коррозия и неудобство в обращении вытеснили стальные и чугунные шпалы из обихода железнодорожных операторов. Это привело к значительному увеличению затрат на замену и обслуживание железнодорожных путей. Таким образом, эволюция материала шпал для удовлетворения современных требований высокой производительности при низком уровне технического обслуживания стала необходимостью времени. Это требование обуславливает необходимость проведения научных исследований по потенциальной замене существующих материалов.

1. Kernes R G, Shurpali A A, Edwards J R, Dersch M S, Lange D A и Barkan C P 2014 Исследование механики износа рельсовых седел и методов повышения износостойкости рельсовых седел из бетонных шпал Proceedings of Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit 228(6) 581-9.
2. Kernes R G, Edwards J R, Dersch M S, Lange D A и Barkan C P 2011 Исследование динамических фрикционных свойств бетонного рельсового седла и накладки на перемычку и их влияние на износ рельсового седла (RSD). Совет по транспортным исследованиям 91-я ежегодная встреча 2011 г. янв.
3. Greve M J, Dersch M S, Edwards J R, Barkan C P, Mediavilla J и Wilson B 2016 Влияние проникновения частиц на распределение нагрузки на сиденья рельсов на тяжелых грузовых железных дорогах. Международный журнал железнодорожного транспорта 4(2) 98-112.
4. Rezaie F, Shiri M R и Farnam S M 2012 Экспериментальные и численные исследования контроля продольных трещин в предварительно напряженных бетонных шпалах. Engineering Failure Analysis 26 21-30.
5. Ременников А.М. и Каевунруен С. Экспериментальная оценка нагрузки состаренных железнодорожных бетонных шпал. Engineering Structures. 2014 Oct 1;76:147-62.
6. Kaewunruen S и Remennikov AM. Ударная способность железнодорожных предварительно напряженных бетонных шпал. Engineering Failure Analysis. 2009 Jul 31;16(5):1520-32.
7. Kodirov N., Mirzahidova O. FINITE ELEMENT ANALYSIS OF TRACK STRUCTURE // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 9(102). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14253
8. Умаров Х.К. Математическая модель прогнозирования грузопотока железнодорожной линии Ангрен – Пап. Вестник ТашИИТ №1 – 2018 г. – С. 97-104.
9. Kh, Umarov. “Mathematical model for forecasting freight flows between Ferghana valley and other regions of Uzbekistan.” Philosophical Readings XIII 4 (2021): 1318-1328.
10. Mirzakhidova O.M. APPLICATION OF THE LATEST INFORMATION TECHNOLOGIES AND SOFTWARE IN RAILROAD DESIGN // Интернаука: электрон. научн. журн. 2021. № 44(220). URL: https://internauka.org/journal/science/internauka/220 DOI:10.32743/26870142.2021.44.220.315792
11. Кахаров З. В., Кодиров Н. Б. У. Экономии энергоресурсов при производстве сборного железобетона //Кронос. – 2021. – №. 10 (60). – С. 13-16.

Все статьи автора «Мирзахидова Озода Мирабдуллаевна»