История развития железнодорожного пути

Прототипом железных дорог были конные пути для перевозки тяжелых грузов. Первоначально колейные дороги появились на разработках камня, в рудниках и угольных шахтах. Первые упоминания о них относятся к середине XVI в. Так называемые рельсы представляли собой деревянные брусья – лежни. По такому колейному пути лошадь могла везти груз в 4 раза больший, чем по обыкновенной грунтовой дороге.

Конные пути для перевозки грузов

Однако деревянные лежни быстро изнашивались, повозки сходили с пути. Чтобы уменьшить износ деревянных лежней, их стали укреплять железными или чугунными полосами. Декабрист Бестужев писал из сибирской ссылки своему брату «.. чугунные дороги не новы, они существуют на многих железных заводах для перевозки руды, Бог знает с которой поры…»

Так, в 1763 году К.Д.Фролов построил на Колываново-Воскресенских заводах лежневый путь с желобчатыми чугунными полосами, по которому перевозили руду в вагонах, приводимых в движение от гидросиловой установки – вагонетках.

Вагонетка на лежневых путях

Для предотвращения сходов повозок с пути на лежнях стали делать закраины.

      

Одна из первых чугунных дорог протяженностью 174 м была построена на Александровском артиллерийском заводе в Петрозаводске (Онежский завод) в 1788 г. под руководством А.С.Ярцева. Ширина колеи была около 0,8 м, рельс – уголковым.

Верхнее строение чугунной дороги А.С.Ярцева

Движение по этому пути было в 12 раз легче, чем по обыкновенным грунтовым дорогам.
В 1806-1809 гг. П.К.Фролов построил на Змеиногорском руднике Колывано-Воскресенских заводов на Алтае была первую в мире железную дорогу длиной 1,8 км для перевозки руды со всеми ее основными элементами.

Горный инженер Петр Кузьмич Фролов

(1775-1839 гг)

Дорога имела насыпи, выемки, виадук длиной 293 м через глубокий овраг, мост через реку Корбалиху на 20 каменных столбах высотой до 11 м. Уклон линии не превышал 14%о По этой дороге одна лошадь могла везти груз в 25 раз больший, чем по грунтовой дороге.

В 1834 г. механиком Нижнетагильского завода Е.А.Черепановым и его сыном М.Е.Черепановым построена дорога длиной 1 км., соединившая рудник и завод.

В 1837 г. была построена железная дорога Петербург – Царское Село (г. Пушкин) протяженностью 27 км. Эта дорога не имела практического значения и послужила только как опыт для будущего строительства.

Почти все полотно дороги было расположено на насыпи. На дороге было сооружено 42 деревянных небольших моста пролетами по 2-3 м. Мост через Обводный канал был длиной 25,6 м. Рельсы были двухголовые, укреплялись с помощью клиньев в чугунных подушках, которые прикреплялись к шпалам длиной 3 м нагелями. Длина рельсов была различной – от 3,7 до 6,9 м. Балласт состоял из слоя булыжника и слоя щебня общей толщиной 45– 50 см. Наибольший уклон на дороге был 2%о. Ширина колеи первоначально была 6 футов (1829 мм).

Большим шагом вперед в развитии железнодорожного дела, в том числе и железнодорожного пути, явилось строительство в 1842–1851 гг. линии Петербург – Москва, строительство которой по трудностям не имело себе равных. 

При общей длине дороги 644 км, объем земляных работ составил 140 тыс.куб.м. на один километр пути. Почти 166 км. рельсовой колеи было проложено по болотам глубиной от 2 до 10 м. Из 9 лет строительства почти 8 лет велись земляные работы. 14 марта 1843 г. была утверждена и принята к руководству при постройке карта трассы будущей железной дороги. По настоянию П.Мельникова было рекомендовано прямое направление без захода в Новгород. Это была редкостная для того времени прямолинейность рельсовой дороги, где на кривые участки приходилось в сумме всего 7,5 % (47,6 км) На линии впервые были применены широкоподошвенные рельсы, изготовленные на Людиновском заводе, массой 29 кг (линейная плотность 29 кг/м), длиной 5,486 м и высотой 89 мм; балластный слой имел толщину 0,5 м на насыпях и 0,8 м в выемках и состоял из двух слоев: верхнего – из гранитного щебня толщиной 18 см и нижнего – песчаного или гравийного. Качественно новым решением, было монолитное скрепление балластной призмы латексами и другими вяжущими составами, что в 2 - 4 раза повысило несущую способность подрельсового основания.

Ширина колеи по настоянию П.П.Мельникова и других русских инженеров была установлена 5 футов (1524 мм). Мельников подчеркивал, что в пользу господствующей за рубежом колеи шириной 1435 мм «нет никаких убедительных доводов», колея в 1829 мм приведет к бесполезному перерасходу материалов, а грузоподъемность вагонов не повысится.

Одновременно с развитием железнодорожного строительства развивалась и наука о железнодорожном пути. Инженер П.П.Мельников в 1835 г. предложил формулу для расчета рельсов с учетом влияния подвижной нагрузки. Воздействия подвижного состава на путь были исследованы профессором К.Ю.Цеглинским в 1903 г. в труде «Железнодорожный путь в кривых». 

Большой вклад в расчеты пути на прочность внес академик Н.П.Петров. Отечественные специалисты вели большие работы по совершенствованию науки о железнодорожном пути, но в условиях царской России многие их начинания не находили должной поддержки. Поэтому, железнодорожный транспорт в царской России был технически развит слабо.

В 1913 г. протяженность сети железных дорог составляла 71,7 тыс. км. Размещены они были крайне неравномерно. Основная часть сети (83%) находилась в европейской части страны. В пути лежали рельсы легких типов массой (1 м) 30 кг, непропитанные шпалы, песчаный балласт. Было решено усилить верхнее строение пути, в том числе начать внедрение щебеночного балласта.

В процессе эксплуатации железных дорог поверхность рельсов засорялась и оказывала большое сопротивление качению. Эта причина, видимо, привела к появлению выпуклых рельсов с эллиптической формой поверхности катания, введенных горным инженером П.К. Фроловым. Колеса имели желоб, соответствующий форме головки рельса. Этот рельс явился прообразом современного железнодорожного рельса. С появлением паровозов резко повысились нагрузки от колес, а скорости (уже у первых локомотивов) достигали 50 км/ч и более. Учитывая высокие динамические нагрузки от колес подвижного состава и необходимость работы на изгиб, все варианты рельсов в той или иной степени по профилю приближались к форме двутавровой балки. Распространение получили две конструкции рельсов - двухголовый и широкоподошвенный. При создании двухголового рельса его авторы полагали, что после износа одной головки рельс можно будет перевернуть и использовать другую его сторону. Однако эта идея не оправдалась, так как износ верхней головки от воздействия колес подвижного состава сопровождался износом его нижней части. Первые рельсы изготавливались в основном из чугуна. Было установлено, что стальные рельсы изнашиваются меньше и равномернее, чем чугунные. В настоящее время во всех странах применяют только стальные рельсы, металл которых (кроме углерода) содержит кремний, марганец и другие добавки, повышающие его качество. Широкое распространение получили термически упрочненные рельсы, твердость материала которых повышена с 290-300 до 360-380 единиц по Бринеллю, что в 2-3 раза повышает их износоустойчивость. В дальнейшем, профиль рельса изменился мало, зато его масса увеличилась с 20 - 24 до 75 - 77 кг/м. Для дорог широкой колеи наиболее часто стали применять рельсы массой: 54 - 60 кг/м в Западной Европе, 65 - 75 кг/м в СНГ, 66 - 70 кг/м в США, Канаде, Австралии. На скоростных линиях повсеместно использовались рельсы не легче 60 кг/м. Однако в странах Европы и США, а также в других странах на малодеятельных и станционных путях еще применяли легкие рельсы массой 33 - 44 кг/м на узкоколейных дорогах.

Различные варианты соединения рельсов со шпалами с помощью костылей или шурупов существовали с момента постройки первых железных дорог. Применяли промежуточные скрепления пружинного типа, обеспечивающие упругое соединение подошвы рельса с основанием

Поступательное развитие железнодорожного транспорта было прервано в 1941 г. В годы Великой Отечественной войны железнодорожный транспорт, имея необходимое техническое оснащение и квалифицированные кадры, успешно обеспечивал основные потребности в перевозках, как фронта, так и тыла. Во время Великой Отечественной войны были полностью выведены из строя 16 из 54 дорог. В ходе войны и в период первой послевоенной пятилетки были выполнены большие работы по восстановлению железнодорожного транспорта. Было восстановлено 85 тыс. км главных путей, большое количество мостов, станций, линий связи и других сооружений.

В послевоенные годы наряду со строительством новых железнодорожных линий проводились большие работы по усилению пути. Начали прокатываться на отечественных заводах и укладываться в путь рельсы тяжелых типов (Р65), внедрялись железобетонные шпалы, бесстыковой путь.

Деревянные шпалы имели срок службы в суровых климатических условиях при высоких эксплуатационных нагрузках 12-17 лет и не могли обеспечить необходимую поперечную устойчивость бесстыкового пути при значительных колебаниях темературы на территории России. Тогда, как срок службы железобетонных шпал достигал 50-60 лет. 1 марта 1962 г. вышло Постановление «О мероприятиях по расширению производства железобетонных шпал». В странах СНГ бесстыковой путь укладывался только на железобетонных шпалах с использованием упругих резиновых прокладок-амортизаторов в подрельсовых сечениях.

Следует отметить, что уже при строительстве дороги С.-Петербург – Москва шпалы пропитывали под давлением. В путь укладывали деревянные шпалы, пропитанные антисептиком, что повышало срок их службы не менее чем в 2 раза.

Для усиления подрельсового основания все шире проводились эксперименты с применением рамных, блочных, а также монолитных железобетонных конструкций. Одной из типовых конструкций на мостах, эстакадах и тоннелях являлось плитное подрельсовое основание.

Протяженность железных дорог СССР составляла около 12% протяженности железнодорожных линий мира. Они выполняли более половины грузооборота всех железных дорог, а внутри страны перевозили более 70% грузов. Грузонапряженность железных дорог СССР не имела себе равных в мире. Средняя грузонапряженность более чем в 5 раз превышала грузонапряженность дорог США, около 6 раз – ФРГ и Франции, в 15 раз – Англии.

Для обеспечения повышения скоростей движения поездов и увеличения осевых нагрузок подвижного состава усиливалась и совершенствовалась конструкция верхнего строения пути. На важнейших магистралях страны укладывался бесстыковой путь рельсами типов Р65 и Р75 на железобетонных шпалах; на грузонапряженных линиях применялись закаленные и легированные рельсы; на отдельных участках железнодорожный путь укладывался на железобетонные плиты или блочные железобетонные основания; совершенствовались промежуточные скрепления. Ежегодно на развитие материально-технической базы железнодорожного транспорта в СССР выделялось 4-5 млрд. руб.

В конце 80-х годов в СССР эксплуатационная длина сети железных дорог составляла около 145 тыс. км. В сеть железных дорог входило 32 дороги, 185 отделений железных дорог, свыше 11000 железнодорожных станций.