Рейки, рейки, шпали, шпали…, або із історії колійного господарства трамвая

У попередньому матеріалі ми уже розповіли читачам про історію розвитку енергогосподарства. Сьогодні поговоримо про іншу важливу складову – історію колійного господарства.

Цікаво, що зародки колійного транспорту з’явилися іще у античні части. Під час розкопок археологи виявили колійні дороги, призначені для перевезення найбільш важких вантажів. Влаштовано їх було наступним чином – у брукованій дорозі викладали дві паралельні неглибокі борозни, по яким і котилися колеса возів.

Дороги із дерев’яними рейками з’явилися іще у часи Середньовіччя на шахтах і рудниках. У 1738 році на рудниках Великобританії швидкозношувані дерев’яні рейки почали замінювати чавунними, які початково мали вигляд чавунних плит із жолобами для коліс. У 1767 році Річардом Рейндольсом було вперше застосовано сталеві рейки. Вони істотно відрізнялися від сучасних і у перерізі нагадували форму латинської літери U. Ширина рейки складала 11 сантиметрів, довжина 1,5 метри. Їх укладали на повздовжніх брусах із поперечинами (попередниками шпал).

На вулицях міст перші рейки з’явилися на початку ХІХ століття у Лондоні – Веніамін (Бен) Овтрам збудував першу трамвайну лінію на кінній тязі. За однією версією, саме прізвище Овтрама і дала назву новому виду міського транспорту. Що цікаво, перший кінний трамвай мав звичайні колеса (аналогічні до коліс кінних екіпажів), а рейки мали вигляд сходинки.

У перших експериментальних залізницях для попередження сходження паровозів з рейок використовували аналогічний спосіб, як на трамваї кінному. Іще один із перших винахідників паровоза – Тревітік використав на своєму паровозі колеса із кільцевими виступами – ребордами. Робоча частина рейки мала грибоподібну форму. Пізніше з’явилися залізничні рейки, які за своїм профілем нагадують машинобудівний профіль – двотавр. Автором винаходу вважається американець Роберт Стівенсон. В Європі винахід був удосконалений Чарльзом Блейкером Вінйолем, який починаючи із кінця 1820-х років працював проектувальником на залізничному будівництві, відповідно теперішній профіль залізничної рейки і назвали в честь цього інженера «Вінйоль». Вперше удосконалені залізничні рейки були використані при будівництві лінії Бірмінгем – Кройдон. Окрім рейок конструкції Вінйоля були й інші варіанти рейок. В тому числі у Великобританії був запропонований двоголовкову рейку. Після зношення верхньої головки його при ремонті планували перевернути. Але практика показала, що саме рейка Вінйоля є найбільш досконалою.

Щодо кінного трамвая, то рейки Вінйоля виявилися не надто зручними для нього. Причина полягала в тому, що лінії кінного трамвая мали багато кривих малого радіусу, тому навіть колеса із ребордами часто вилітали із кривої. Рейки ж у вигляді сходинки виступали над дорожнім полотном і заважали руху колісних безрейкових екіпажів і пішоходів.

Сучасний профіль трамвайної рейки – із жолобом для реборди колеса винайшов француз Альфонс Луба у 1852 році, який у 1840-х роках працював на спорудженні залізниць у США. Через те, що навантаження від кінних трамваїв було значно меншим, а ніж від потягів, Часто трамвайні жолобчасті рейки виготовляли із твердих сортів дерева – дуба чи бука і оббивали зверху бляхою. До речі, у країнах, де металургійна промисловість не була розвинутою, навіть залізничні рейки виготовлялися із твердого дерева. Так, наприклад, перша у Австрійській імперії залізниця, відкрита 6 січня 1837 року між Віднем і Ваграмом використовувала саме дубові рейки, обшиті бляхою.

Сталеві рейки сучасного жолобчастого трамвайного профілю вперше були виготовлені у Німеччині на заводі «Фенікс», тому за ними закріпилася ця назва.

Як у залізничній рейці виділяють наступні основні частини головку (робочу частину, по якій котяться колеса із ребордами), шийку (найбільш тонку частину) і підошву. У трамвайної рейки в робочій частині виділяють головку («велике яблуко»), жолоб та губку («мале яблуко»).

Зазначимо, що для трамвая колія – це не лише напрямна для коліс, але й лінія живлення від’ємної полярності: живильна лінія додатної полярності – це контактний дріт. Хоча такий спосіб енергопостачання існував не завжди. Перший трамвай, винайдений Федором Піроцьким, живився струмом і додатного і від’ємного потенціалу від рейкового полотна. Проте дуже скоро стало ясно, що такий спосіб живлення має багато вад. По-перше, до колії не було можливості підводити напругу високої напруги, по-друге складності були і з ізольованими колесами трамвая. Саме тому для живлення трамваїв почали використовувати спочатку спеціальну контактну рейку, а потім – контактний дріт, підвішений над колією. У США існували і трамвайні системи, де рейкова мережа не мала відношення до живлення вагонів струмом – Лео Дафт у 1886 році збудував трамвай у Піттсбургу із дводротовою контактною мережею (як у тролейбуса).

На початках як трамвайні, так і залізничні рейки з’єднували болтами за допомогою накладками. Для збільшення електропровідності стиків, наклади і контактні поверхні рейки вкривали спеціальною струмопровідною графітовою пастою. Перші стики розміщували на шпалах. Проте практика показала цілу низку недоліків такого стику. Саме тому, стандартизований стик і трамвайної і залізничної колії розміщують «на вису», тобто між двома шпалами.

У 1920-х роках для зварювання рейок почали широко застосовувати зварювання. історично першим способом було термітне зварювання рейок. Терміт – це суміш порошків оксиду трьохвалентного заліза та металевого алюмінію. Термітна реакція полягає в тому, при нагріванні терміту до температури біля 1300 градусів Цельсія починається реакція між оксидом заліза та порошковим алюмінієм, результат якого є виділення металевого заліза і оксиду алюмінію. Термітна реакція пов’язана із виділенням великої кількості тепла – температура розплаву сягає 3000 – 3300 градусів Цельсія.

Власне термітне зварювання полягає в тому, що стик закривають збірною формою. У цю форму заливають розпечений терміт із тигля. Запалювання термітної суміші здійснюється за допомогою запалу у вигляді спеціального порошку чи капсулів.

У 1920-60-ті роки було розроблено низку методів термітного зварювання, в тому числі й механізовані. У післявоєнний час термітне зварювання почало витіснятися електрозварюванням.

У 1960-ті роки у Києві Науково-дослідним інститутом електрозварювання ім. Є. Патона за участю фахівців служби колії Київського трамвайно-тролейбусного управляння (КТТУ) та Київського заводу електротранспорту (КЗЕТ) було розроблено пересувну контактно-зварювальну машину К-155 із контурним трансформатором, живлення якої здійснювалося від дизельної електростанції потужністю 200 кВА. Випробовування машини на Київському трамваї показало її працездатність, проте громіздкість обладнання обмежує застосування електроконтактного зварювання рейок. На її основі на базі переобладнаного трамвайного вагона МТВ-82 було створено пересувну рейкозварювальну установку. У 1967 році її експонували на Виставці досягнень народного господарства СРСР у Москві, де вона отримала Диплом виставки. Інженери-конструктори установки В. Путієнко і А. Смоляр були нагороджені срібною і бронзовою медаллю ВДНГ СРСР.

У подальші роки було створено іще дві рейкозварювальні установки на базі зварювальної установки К-355 великої потужності. Контактне електрозварювання рейок повністю себе виправдало, оскільки воно виявилося міцнішим і удвічі дешевшим за термітне. На початку 1990-х контактним електрозварюванням у Києві зварювали понад 4000 стиків щороку.

Був експеримент застосування газопресового зварювання із використанням спеціального ацетиленового пальника ГР-1 і спеціального стяжного пресу. Процес полягав у тому, що пальником розігрівали крайки двох рейок до температури 1200 – 1300 градусів, а потім стик стягувався пресом. Аналогічно до електроконтактного зварювання, через громіздкість обладнання цей спосіб не знайшов широкого застосування.

Найбільш широко зараз застосовуються електродугове зварювання трамвайних рейок. При цій технології між рейками залишають зазор біля 15 мм. Спочатку до підошви рейки приварюють стикову планку шириною біля 40 мм, а далі щілину поступово заповнюють способом дугового зварювання. Використовують електроди марки УОНІ-13/55 діаметром 5 – 6 мм. Зварювальний струм становить в районі 300 – 380 А, тому для зварювання використовують потужні дизельні агрегати ПАС-400 або спарені агрегати САК. Великі господарства конструювали спеціальні трамвайні рейкозварювальні вагони, які містили потужну мотор-генераторну установку.

Навіть після застосування зварювання трамвайних колій, на певній відстані залишали збірні стики. Так робили для того, щоб компенсувати температурне видовження рейок. У збірному стику залишали певний зазор, який вибирався при збільшенні температури. Для збільшення електропровідності до рейок збірного стику приварювали спеціальні шунти із мідного багатожильного дроту.

Починаючи із 1960-х років спочатку в Європі, а в СРСР у Москві та Петербурзі почали застосовувати рейкові компенсатори, які було розроблено як для рейок трамвайного, так і залізничного профілю.

Зараз рейкове полотно, як залізничне, так і трамвайне, в Україні переважно вкладено на поперечних брусах – дерев’яних чи залізо-бетонних шпалах. У трамвайному господарстві також активно застосовуються інші основи колії – монолітні та збірні. Але так було далеко не завжди. Наприклад, залізничні рейки на перших лініях у США вкладали на повздовжніх брусах, які мали назву «congrinach». Перші залізниці у Великобританії, наприклад збудована Стефенсоном залізниця «Манчестер – Ліверпуль», мали колію, збудовану на кам’яних опорах. Проте ці конструкція на залізниці була достатньо швидко витіснена розробленою у Великобританії конструкцією із дерев’яними поперечними шпалами. Деякий час під них теж укладали повздовжні балки (вважали, що таким чином можливо усунути просідання окремих шпал), але достатньо швидко від такої конструкції відмовилися.

Щодо трамвайної колії, то загальновживаною колія на поперечних шпалах стала типовою не зразу. Причиною цього було те, що навантаження від трамвайних вагонів було значно меншими, а ніж від паровозів і залізничних вагонів. Різні компанії, які будували трамвайні колії в містах України, використовували дуже різні підрейкові основи.

Для прикладу, в Києві на забрукованих вулицях застосовувалися трамвайні колії на безшпально-щебенево-пакеляжною основою. Для прокладання колії на вулиці розроблялася канава шириною біля 2,3 метри. Дно канави укладалося пакеляжним (колота бруківка) шаром. Далі по шару пакеляжу насипався щебінь. Він утрамбовувався і по ньому прокладали трамвайну колію, рейки якої були з’єднані колійними тягами (щоб утримати нормативну відстань між рейками). Далі колію засипали найдрібнішим щебенем і забруковували бруківкою.

У тому ж Києві використовували і основу трамвайної колії на щебенево-пакеляжних канавках. Для укладання колії використовували окремі канавки для кожної рейкової нитки, шириною 600 мм. і глибиною біля 500 мм. від головки рейки. Аналогічно дно канавки укладали пакеляжним каменем, засипали щебенем, встановлювали рейки і забруковували.

В Одесі в якості основи для трамвайної колії шириною 1000 мм. використовували спеціальні бетонні блоки шириною 300 мм. і висотою 240 мм. Їх укладали в канавках для кожної рейки, потім засипали шаром дрібного щебеню біля 60 мм., далі встановлювали трамвайні колії і забруковували.

Експлуатація перших трамвайних колій на безшпальній основі показала, що вони працюють незадовільно через відсутність зв’язку трамвайної колії із основою. Саме тому починаючи із 1920-х років трамвайні колії укладалися виключно на дерев’яних шпалах. Для зменшення навантаження на шпали застосовують металеві підкладки, рейки до шпал через отвори підкладок здійснювалося за допомогою забивних костилів або великих колійних шурупів із чотирьохгранними голівками.

Дерев’яні шпали мають низку переваг, основною із яких є їх велика пружність. Проте дерев’яні шпали мають низьку довговічність, яка не перевищує 20 років. На маршрутах, особливо без значної інтенсивності руху трамваїв, термін служби рейок значно перевищував термін придатності шпал. Саме тому у післявоєнний період почали масово використовувати залізобетонні шпали. Було розроблено цілу низку конструкцій залізобетонних шпал. До перших залізобетонних шпал рейки кріпилися стандартними костилями чи шурупами. Для цього у шпали забивалися дерев’яні втулки.

Пізніше почали використовувати спеціальні види кріплення за допомогою спеціальних болтів. Найбільш сучасні залізобетонні шпали мають спеціальні пружні кріплення до рейок за допомогою фігурних скоб. Під підошву рейки підкладають спеціальні композитні еластичні підкладки.

В Україні лідером із впровадження залізобетонних шпал на трамвайних лініях був Київ. Струнно-бетонні шпали із ненапруженою та попередньо-напруженою арматурою тут почали виготовляти у 1950-х роках. Розроблені вони були колективом інженерів Київського трамвайно-тролейбусного управління М. Ольшанським, Л.Денисенко, Я. Пастушевським, В. Фамінським. Виробництво їх було налагоджене на заводі залізобетонних виробів КТТУ, яким керував А. Гольдгор. Цей завод створено у Пущі-Водиці на основі колишнього підприємства, яке займалося просочуванням креозотом дерев'яних шпал. Перша партія струннобетонних шпал (понад 600 штук) була застосована при ремонті трамвайної колії у Святошині.

Струнобетонні шпали конструкції КТТУ було нормалізовано, вони отримали позначення КШ-63П. Їх конструкція зазнавала удосконалення, над цією тематикою працювали інженери В. Путієнко, Г. Рисін, В. Чистов та Ю. Зільбербранд. Окрім залізобетонних шпал на заводі було освоєно виготовлення залізо-бетонних плит для покриття трамвайних колій. Київські колійники Ю. Зільбербранд та В. Чистов були співавторами ГОСТ 19231 – 73 «Плити для покриття трамвайних колій».

Завод у Пущі-Водиці проіснував до 1975 року – його закрили у зв’язку із розвитком відпочинкової зони. Проте виробництво залізобетонних шпал і плит не припинилося – технології було передано на інші підприємства.

Тут маємо зазначити, що шпальні технології влаштування трамвайних колій є достатньо трудомісткими у монтажі колій, адже рейкове полотно, укладене на шпалах потребує для виправлення профілю підбивки, тобто заштовхування під окремі шпали додаткових порцій баласту, тобто гравію. Хоча ця операція для залізниці механізована, у трамвайному господарстві її, як правило, виконують вручну.

Щоб зменшити витрати праці при укладанні трамвайних колій починаючи із 1950-х років почали розроблятися нові технології.

При використанні традиційних трамвайних рейок у 1955 році спочатку в Москві, а потім в інших містах СРСР почали використовувати рамні залізобетонні шпали. Вони мали форму прямокутної плити із прямокутним отвором в середині. Розміри однієї рамної шпали: довжина 1750 мм., ширина 1936 мм, висота 1200 мм., ширина поперечних елементів – 250 мм, а повздовжніх – 364 мм.

У 1956 році к.т.н. Е.Н. Дубровіним із Москви була запропонована залізобетонну конструкцію, яка має вигляд довгу горизонтальну раму із поперечними панелями, в повздовжні елементи якої закріплено трамвайні рейки. Довжина блоку 6,2 м., ширина – біля 2,0 м., маса – біля 5 т.

У 1965 році інженерами К.І. Беліловською та В.С. Науменком було розроблено бетонна конструкція основи колії, названа жорсткою суміщеною основою. Вона мала вигляд залізобетонного блоку із двома коритоподібними жолобами для розміщення трамвайних рейок. Рейки кріпили до блоків за допомогою анкерно-хомутного кріплення через тонку пружно-еластичну прокладку. Після кріплення рейок, проміжки між рейками і стінками жолоба закривалися спеціальними залізобетонними закладними брусами довжиною 4,1 метри.

Ця технологія отримала свій розвиток як у Європі, так і в Україні. Для прикладу за такою технологією проводилася укладка трамвайних колій при реконструкції у Харкові.

Згадані технології використовувалися на прямих ділянках. У кривих використовували звичайну технологію із використанням, як правило, дерев’яних шпал, оскільки відстань між робочими кантами у кривих збільшують відносно стандартної ширини колії у 1524 і 1000 мм.

На початку 1990-х років в Україні почали використовувати блочну конструкцію трамвайної колії із застосуванням спеціальних безшийкових рейок. Різні види бешийкових рейок почали розробляти починаючи із 1960-х років з метою зменшення витрат металу на виготовлення трамвайних рейок.

Конструкцію із болтовим кріпленням до основи безшийкової рейки в СРСР було розроблено фахівцями Академії комунального господарства у 1960-х роках висота рейки складала 65 мм, ширина підошви – 200 мм. Рейки пропонувалося укладати на бетонній основі товщиною 200 мм. Проведені досліди не дали позитивних результатів.

Більш вдале рішення було знайдено угорськими інженерами. Відповідно до нього безшийкові рейки запресовували у фігурні пази залізобетонних плит. Під безшийкову рейку підкладалася гумова прокладка. Фігурний профіль укладався справа і зліва рейки і щільно кріпив рейку в пазах плити. Оскільки вперше цю технологію було застосовано у Будапешті, відповідно за назвою тамтешньої транспортної компанії вона отримала назву «технологія BKV». Після Будапешту цю технологію почали активно застосовувати у містах Чехії.

Вперше в Україні безшпальну блочну технологію укладання колії із безшийкових рейок було використано у Львові при реконструкції вулиці Личаківської (від вул. Заньковецької до вулиці Мечникова) у 1996 році. Тут використовувалися плити і рейки чеського виробництва.

Випуск плит-основи було освоєно в Україні – у 1998 році було організовано ТзОВ «Трамбетон-Україна» у Львові, далі виробництво було освоєно фірмами «Татра-Південь» в Одесі та «Ефе-бетон» та ДП «Львівський завод збірних конструкцій» у Львові, а також іншими виробниками. Плити українського виробництва позначаються «ПК» (плита колійна) і виготовляються різних типо-розмірів: ПК 60, ПК 30, ПК 15, ПК 8, ПК 7 і ПК 5 (цифри в позначенні, помножені на 100 означають довжину плити у міліметрах) із шириною 2200 мм. Плити ПК 60, ПК 30, ПК 18 використовуються на прямих ділянках колії, ПК 8, ПК 7 і ПК 5 – у кривих ділянках, в тому числі – і в кривих малого радіусу. Для заповнення між колійного простору випускаються плити ПС 60, ПС 30, ПС 15, ПС 8, які мають ширину 1000 мм. За технологією BKV колії укладали крім Львова також у Вінниці, Одесі, Кривому Розі, Запоріжжі, Днепрі та Києві.

Нажаль, за своєю якістю плити українського виробництва виявилися не надто якісними – через використання низьких марок бетону, а також через відсутність пропарювання залізобетонних плит їх термін служби виявився не 30 років, як у Чехії, а лише 5 – 10 років. Так само невдалою була ідея використання технології BKV у кривих малого радіусу. Виявилося, що замінити рейку в кривій із зношеною губкою виявилося практично неможливо.

У багатьох містах, зокрема у Львові проявилася іще одна вада блочної технології – проектувальники не врахували температурної деформації рейок і не передбачили наявності температурних компенсаторів. Тому рейки почали «вистрілювати» із плит… Аналогічно значні проблеми створило і просідання основи. Виявилося, що рейки, укладені по технології BKV неможливо виправити без демонтажу плит.

При розробці діючих Державних будівельних норм на проектування трамвайних і тролейбусних ліній у 2007 року в них було внесено вимогу про заборону використання блочної конструкції колії з без шийковими рейками у кривих малого радіусу, тому плити ПК 8, ПК 7, ПК 5 і ПС 8 зняті з виробництва.

Для використання рейок класичного профілю (тип «Фенікс») було розроблено інший тип блочної основи типів ПКП, ПКТ та П із поперечними пазами для спеціальних болтів кріплення рейки до плити. Ширина плит – 2200 мм., максимальна довжина – 3500 мм. Плити цих типів застосовано при будівництві трамвайної лінії на Сихів у Львові. При використанні цих типів плит основи виправку профілю колії можна здійснювати за рахунок підкладання під рейки прокладок (т.зв. «дубових карточок»).

Окрім збірних основ для трамвайної колії починаючи із 1920-х років почали використовувати монолітні основи із бетону. Варіацій було багато – від заливання у бетон звичайних дерев'яних шпал до спеціальних арматурних конструкцій для кріплення рейок. Монолітні основи варто використовувати тоді, коли під полотном трамвайної колії відсутні інженерні комунікації – кабельна мережа, водогін, каналізація, оскільки роботи із ремонту комунікацій можуть вимагати руйнування цієї бетонної або залізобетонної основи, а це дуже трудомісткий процес.

Сьогодні ми розповіли про дві основні складові колії та їх історію. Але це далеко не все. Як то кажуть, далі буде.

Основні джерела інформації:
1. Справочник по городскому электротранспорту. В 3 томах. Том 2: Трамвай (Авторы: Бондаревский Д.И, Ермаков Н.Д., Либерман Г.Р., Овечников Е.В.). – Москва: Издательство МКХ РСФСР, 1960;
2. Овечников Е.В. Рельсовые пути трамваев и внутрезаводских дорог. – Москва : Стройиздат, 1968;
3. Сотников Е.А. Железные дороги мира из ХІХ в ХХІ век. – Москва: Транспорт, 1993;
4. Бейкул С.П., Брамський К.А. Київський трамвай. До 100-річчя з дня пуску в експлуатацію. – Київ.: Будівельник, 1992;
5. Гранкін П.Е., Лазечко П.В., Сьомочкін І.В., Шрамко Г.І. Львівська залізниція. Історія і сучасність. – Львів: Центр Європи, 1996.
Використано матеріали із архів КП «Одесміськелектротранс».