Первые колейные дороги - предшественники железнодорожных путей - появились еще в Древнем мире. В Древнем Египте, Греции и Риме для перемещения тяжелых грузов строили специальные каменные дороги с колеями для колёс повозок.

А в 16 веке на рудниках и в угольных шахтах появились первые рельсы, сделанные из дерева. Они представляли собой деревянные брусья-лежни и позволяли лошади везти груз в 4 раза больше, чем по обыкновенной грунтовой дороге. Однако они быстро изнашивались, и их стали укреплять железными или чугунными полосами.

В 18 веке появились чугунные рельсы. Одна из первых чугунных дорог длиной около 160 метров была построена на Александровском заводе в Петрозаводске. Движение по ней было в 12 раз легче, чем по обыкновенным грунтовым дорогам.

Следующей ступенью эволюции железнодорожных путей стало изобретение выпуклых рельсов с эллиптической формой катания, введённых горным инженером Петром Фроловым, сыном знаменитого российского гидротехника Козьмы Фролова. Колёса имели жёлоб, соответствующий форме головки рельса. Эти рельсы стали прообразом современного железнодорожного рельса. Скорости первых локомотивов на таких путях могли превышать 50 км/ч, что резко увеличило нагрузки на полотно.

Первоначально рельсы были чугунные, но постепенно их стали вытеснять стальные. И по сей день во всем мире используются только рельсы из стали, металл которых содержит (помимо углерода) кремний, марганец и другие добавки, улучшающие их качество.

Первая в мире железная дорога со всеми ее основными элементами - насыпями, выемками, виадуком, мостом через реку - была также создана Петром Фроловым. Она была построена на Змеиногорском руднике Колывано-Воскресенских заводов на Алтае.

В 1837 году была построена железная дорога Петербург-Царское село протяжённостью 27 км. Ширина колеи этой дороги составляла 1829 мм.

Следующим гигантским шагом в развитии железных дорог в России стало появление линии Петербург-Москва в 1851 году. На ней впервые были применены широкоподошвенные рельсы, изготовленные на Людиновском заводе. Ширина колеи по настоянию инженера Павла Мельникова составила 5 футов – 1524 мм. Впоследствии выбор этого размера сыграл большую роль в российской истории - подробнее можно прочитать в статье Алексея Вульфова на нашем сайте.

Уже в 1913 году протяжённость железнодорожной сети превышала 70 тысяч километров. В пути лежали рельсы лёгких типов. К 1940 году грузооборот железных дорог увеличился еще в 5 раз. Существенная часть путей была разрушена во время Великой Отечественной войны, а впоследствии восстановлена.

Конструкции верхнего строения пути постоянно совершенствовались: на главных советских маршрутах укладывался бесстыковый путь рельсами типов Р65 и Р75, на грузонапряженных линиях применялись закаленные и легированные рельсы, совершенствовались промежуточные скрепления.

В конце 80 годов прошлого века длина сети железных дорог составляла примерно 145 тысяч км.

Профиль рельса поменялся мало, но зато заметно увеличился вес - с 20-22 до 75-77 кг/м. Для широкой колеи в Западной Европе в настоящее время применяют рельсы массой 54-60 кг/м в Западной Европе, 65-75 кг/м в СНГ, 66-70 кг/м в США, Канаде и Австралии. Более тяжёлый рельс распределяет давление колёс на большее число шпал, что замедляет их износ, уменьшает истирание и измельчение частиц балласта.

В некоторых странах на малодеятельных и станционных путях все ещё применяются легкие рельсы массой 33-44 кг/м. Такие же рельсы используются на узкоколейных дорогах.

Вместе с рельсами менялись и шпалы - сначала они были деревянными, потом их стали пропитывать антисептиком для значительного увеличения срока службы, а с 1950 года в мире стали широко применяться железобетонные шпалы.

Профиль рельсов

Форма рельсов менялась со временем. Существовали уголковые, грибовидные, двухголовые, широкоподошвенные рельсы. Современные широкоподошвенные рельсы состоят из головки, подошвы и шейки, соединяющей головку с подошвой. Поверхность катания делается выпуклой для передачи давления колёс по вертикальной оси рельса. Сопряжение поверхности катания с боковыми (вертикальными) гранями головки делается по кривой радиусом, близким к радиусу выкружки гребня колеса. Сопряжение головки и подошвы с шейкой рельса делается особенно плавным, а шейка рельса имеет криволинейные очертания, что обеспечивает наименьшую концентрацию местных напряжений. Подошве рельса придают достаточную ширину для обеспечения боковой устойчивости рельса и достаточной площади опоры для крепежных накладок.

Вы когда-нибудь задумывались, почему профиль рельса выглядит так, как выглядит, и не круглый или квадратный?

С монолитным блоком потребуется слишком много материала и, следовательно, очень металлоемко и дорого. Учитывая протяженность железнодорожных магистралей, это очень важный фактор.

В прошлом было много решений и для сохранения сегодняшних форм горизонтальная подошва внизу обеспечивает плоскую «стойку» рельса и позволяет крепить рельс на шпалах (с дополнительными креплениями), посередине вертикальная шейка, а вверху – плоскость катания, служащая протектором. Это движущая поверхность и направляющий элемент.

Существует несколько видов рельсов - широкой и узкой колеи, рудничные, крановые, рамные, контррельсовые, остряковые, трамвайные, усовиковые. Они отличаются целой серией характеристик - массой, категорией качества, способом выплавки и противофлокенной обработки, видом исходных заготовок и т.п.

Длина стандартного железнодорожного рельса, производимого рельсопрокатными заводами в России, составляет 12,5; 25,0; 50,0 и 100 метров. Для укладки на внутренних нитях кривых участков пути выпускаются укороченные рельсы. Длина бесстыковых плетей («бархатный путь») обычно находится в пределах от 400 м до длины перегона. Использование более длинных рельсов и сварных рельсовых плетей снижает сопротивление движению поездов, уменьшает износ подвижного состава и расходы на содержание пути. При переходе на бесстыковой путь сопротивление движению поездов уменьшается на 5—7 %, экономится около четырёх тонн металла на километр пути за счёт отсутствия стыковых скреплений.

Основной характеристикой рельса, дающей представление о его "мощности", является масса одного погонного метра рельса в килограммах. При выборе типа рельса учитывается грузонапряженность линии, осевая нагрузка, скорость движения поездов. Более тяжелый рельс распределяет давление колёс подвижного состава на большее число шпал, в результате чего замедляется их механический износ, уменьшается истирание и измельчение частиц балласта. При увеличении массы рельсов уменьшается расход металла на единицу пропускаемого тоннажа, сокращаются расходы по замене рельсов из-за увеличения срока их службы.

Материал рельсов

Рельсы для железнодорожного транспорта изготавливаются из углеродистой стали. Качество рельсовой стали определяется её химическим составом, микроструктурой и макроструктурой.

Углерод повышает твёрдость и износостойкость стали. Однако большое содержание углерода, при прочих равных условиях, делает сталь хрупкой, химический состав при повышении содержания углерода должен выдерживаться более жестко, особенно в отношении вредных примесей. Легирующие добавки типа марганца повышают твёрдость, износостойкость и вязкость стали. Кремний увеличивает твёрдость и износостойкость. Мышьяк увеличивает твёрдость и износостойкость стали, но в больших количествах уменьшает ударную вязкость. Ванадий, титан, цирконий — микролегирующие добавки, улучшают структуру и качество стали.

Фосфор и сера являются вредными примесями, повышающими хрупкость стали. Большое содержание фосфора делает рельсы хладноломкими, большое содержание серы — красноломкими (образуются трещины при прокате).

Микроструктура рельсовой стали представляет собой пластинчатый перлит с прожилками феррита на границах перлитовых зёрен. Твёрдость, сопротивление износу и вязкость достигается приданием стали однородной сорбитной структуры при помощи термической обработки путём поверхностной (на 8—10 мм) закалки головки или объёмной закалки рельса. Объёмнозакаленные рельсы имеют повышенную износостойкость и долговечность. Макроструктура рельсовой стали должна быть мелкозернистой, однородной, без пустот, неоднородностей и посторонних включений.

Повышение скоростей поездов и осевых нагрузок требует и соответствующего высокого качества верхнего строения железнодорожных путей. Обеспечивать его помогает постоянное совершенствование нормативно-технической базы.

Крупнейшими производителями рельсов на территории стран ЕАЭС являются ЕВРАЗ и Мечел, Актюбинский рельсобалочный завод.