Historia torów kolejowych
.png)
Tor kolejowy lub droga stała to elementy linii kolejowych : generalnie pary szyn zwykle układane na podkładach lub podkładach osadzonych w podsypce, przeznaczone do przewozu zwykłych pociągów kolejowych. Jest opisywany jako sposób trwały, ponieważ we wczesnych latach budowy kolei wykonawcy często kładli tymczasowy tor do transportu urobku i materiałów po terenie; kiedy te prace zostały zasadniczo ukończone, tymczasowy tor został rozebrany i zainstalowano stałą drogę.
Najwcześniejsze tory składały się z drewnianych szyn na poprzecznych drewnianych podkładach, co pomagało zachować odstępy między szynami. Nastąpiły różne zmiany, z żeliwnymi płytami ułożonymi na drewnianych szynach, a później płytami z kutego żelaza lub kątownikami z kutego żelaza ( kątowniki jako szyny płytowe w kształcie litery L). Szyny były również indywidualnie mocowane do rzędów kamiennych bloków, bez żadnych krzyżaków, aby zachować prawidłową separację. Ten system również powodował problemy, ponieważ bloki mogły się indywidualnie poruszać. Pierwsza wersja 7 ft Isambarda Kingdom Brunela ( 2134 mm ) system szerokotorowy wykorzystywał szyny ułożone na podkładach podłużnych, których rozstaw szyn i elewacja były unieruchomione przez przywiązanie do pali (koncepcyjnie podobny do mostu palowego ), ale ten układ był drogi i Brunel wkrótce zastąpił go czymś, co stało się klasycznym szerokim torowiska, w którym zrezygnowano z pali, a rygle, podobne do podkładów, utrzymywały rozstaw szyn. Obecnie większość torów kolejowych wykorzystuje standardowy system szyn i podkładów; tor drabinkowy jest używany w kilku zastosowaniach.
Rozwój technologii wytwarzania doprowadził do zmian w projektowaniu, wytwarzaniu i montażu szyn, podkładów i sposobów mocowania. Żeliwne szyny o długości 4 stóp (1,2 m) zaczęto używać w latach 90. XVIII wieku, a do 1820 r. Używano szyn z kutego żelaza o długości 15 stóp (4,6 m). Pierwsze szyny stalowe zostały wykonane w 1857 roku, a standardowe długości szyn wzrosły z czasem z 30 do 60 stóp (9,1–18,3 m). Szyny były zwykle określane za pomocą jednostek masy na długość liniową, a te również wzrosły. Podkłady kolejowe były tradycyjnie wykonane z drewna impregnowanego kreozotem i trwało to aż do czasów współczesnych. Ciągła spawana szyna została wprowadzona do Wielkiej Brytanii w połowie lat 60., a następnie wprowadzono podkłady betonowe.
Drewniane systemy gąsienicowe
Drogi z desek
Wydaje się, że najwcześniejsze użycie torów kolejowych miało związek z górnictwem w Niemczech w XII wieku. Korytarze kopalniane były zwykle mokre i błotniste, a przemieszczanie po nich taczek z rudą było niezwykle trudne. Ulepszeń dokonano poprzez ułożenie drewnianych desek, tak aby kontenery na kółkach można było ciągnąć za pomocą siły roboczej. W XVI wieku trudność w utrzymaniu wozu w linii prostej została rozwiązana poprzez wprowadzenie kołka w szczelinę między deskami. Jerzego Agricola opisuje wózki w kształcie pudełka, zwane „psami”, mniej więcej o połowę mniejsze od taczki, wyposażone w tępy pionowy sworzeń i drewniane rolki poruszające się na żelaznych osiach. Przykład tego z epoki elżbietańskiej został odkryty w Silvergill w Cumbrii w Anglii i prawdopodobnie był również używany w pobliskich Mines Royal of Grasmere, Newlands i Caldbeck. Tam, gdzie było wystarczająco dużo miejsca, zainstalowano okrągłe drewniane tory do przewozu ciężarówek z kołami kołnierzowymi: obraz flamandzkiego artysty Lucasa Gassela z 1544 r . przedstawia kopalnię miedzi z tego typu szynami wychodzącymi z sztolnia .
Krawędziowe szyny
Inny system został opracowany w Anglii, prawdopodobnie pod koniec XVI wieku, w pobliżu Broseley , do transportu węgla z kopalń, czasami kopalni dryfujących wzdłuż wąwozu Severn do rzeki Severn . Ta, prawdopodobnie ciągnięta liną pochyłość, istniała „na długo przed” 1605 rokiem. Prawdopodobnie poprzedzała ona Wollaton Wagonway z 1604 roku, którą dotychczas uważano za pierwszą.
W Shropshire tor był zwykle wąski, aby umożliwić sprowadzenie wagonów pod ziemię w kopalniach sztolni. Jednak zdecydowanie największa liczba wagonów znajdowała się w pobliżu Newcastle upon Tyne , gdzie pojedynczy wagon był ciągnięty przez konia na wagonie o współczesnym standardowym rozstawie. Zabierały one węgiel z szybu do staithe , gdzie węgiel ładowano do łodzi rzecznych zwanych kilami.
Problemem było zużycie drewnianych szyn. Można je było odnawiać, obracając je, ale musiały być regularnie wymieniane. Czasami szyna była wykonana z dwóch części, tak aby górną część można było łatwo wymienić, gdy się zużyje. Szyny były trzymane razem przez drewniane podkłady, pokryte balastem, aby zapewnić powierzchnię do chodzenia dla konia. [ potrzebne źródło ]
Wczesne szyny żelazne
Żeliwne listwy można było układać na drewnianych szynach, a użycie takich materiałów miało miejsce prawdopodobnie w 1738 r., ale istnieją twierdzenia, że technologia ta sięga 1716 r. W 1767 r. huta Ketley rozpoczęła produkcję żeliwnych płyt , które mocowano do górę drewnianych szyn z gwoździami, aby zapewnić bardziej trwałą powierzchnię jezdną. Ta konstrukcja była znana jako żelazna szyna taśmowa (lub szyna taśmowa) i był szeroko stosowany na kolejach przed parą w Stanach Zjednoczonych. Chociaż stosunkowo tanie i szybkie w budowie, nie nadawały się do dużych obciążeń i wymagały „nadmiernej konserwacji”. Koła pociągu toczące się po kolcach poluzowały je, pozwalając szynie uwolnić się i zakrzywić w górę na tyle, że koło samochodu mogłoby się pod nią dostać i przebić koniec szyny przez podłogę wagonu, wijąc się i skręcając, zagrażając pasażerom. Te połamane szyny stały się znane jako „głowy węża”.
Kiedy kute żelazo stało się dostępne, płyty z kutego żelaza zapewniały jeszcze trwalszą powierzchnię. Szyny miały wystające występy (lub uszy) z otworem umożliwiającym przymocowanie ich do leżącej poniżej drewnianej szyny. [ potrzebne źródło ]
Żelazne płyty
Alternatywę opracował John Curr z Sheffield, kierownik tamtejszej kopalni Duke of Norfolk . Miało to szynę w kształcie litery L, tak że kołnierz znajdował się na szynie, a nie na kole. Wykorzystali to również Benjamin Outram z Butterley Ironworks i William Jessop (który został ich partnerem w 1790 r.). Były one używane do transportu towarów na stosunkowo krótkie odległości do kanałów, chociaż Curr's kursował między kopalnią Manor a Sheffield miasto. Te szyny są nazywane płytami, a kolej jest czasami nazywana płytą. Z tego pochodzenia wywodzi się również termin „platerka płyt”. Teoretycznie koła bez kołnierzy mogły być używane na zwykłych autostradach, ale w praktyce robiono to prawdopodobnie rzadko, ponieważ koła wagonów były tak wąskie, że wbijały się w nawierzchnię drogi.
System znalazł szerokie zastosowanie w Wielkiej Brytanii. Często płyty były montowane na kamiennych blokach, a czasem bez podkładów, ale mogło to powodować rozsuwanie się szyn, zwiększając rozstaw. Koleje tego rodzaju były szeroko stosowane w południowej Walii, zwłaszcza do transportu wapienia do huty żelaza, a następnie do transportu żelaza do kanału, czasami oddalonego o kilka mil, który dostarczał produkty na rynek. Szyny były początkowo wykonane z żeliwa, zwykle o długości 3 stóp (0,91 m), rozpięte między kamiennymi blokami.
Zakładano, że kamienne bloki są trwałe, ale doświadczenie szybko pokazało, że osiadały i stopniowo przesuwały się pod ruchem ulicznym, tworząc chaotyczną geometrię torów i powodując wykolejenia. Innym problemem było to, że powierzchnia jezdna mogła zostać zablokowana przez kamienie wyparte z balastu. Alternatywą było użycie żelaznego drążka kierowniczego, aby utrzymać szyny na właściwym rozstawie, zawierającego but, w którym zamocowano szynę.
Przykładem tego był tramwaj Penydarren lub Merthyr . Zostało to wykorzystane przez Richarda Trevithicka do zademonstrowania pionierskiej lokomotywy w 1804 roku, przy użyciu jednego z jego wysokociśnieniowych silników parowych , ale silnik był tak ciężki, że złamał wiele szyn. [ potrzebne źródło ]
Wczesne szyny krawędziowe
Żeliwne szyny krawędziowe były używane przez Thomasa Dadforda juniora podczas budowy linii Beaufort i Blaenavon do kanału Monmouthshire w 1793 r. Były to prostokątne, 2,5 cala (64 mm ) szerokości i głębokości 3 cale (76 mm) i 4 stopy ( 1,2 m) długości i wymagane kołnierze na kołach wagonów. W tym samym roku Benjamin Outram zastosował poręcze krawędziowe na kanale Cromford . Belki w kształcie litery T były używane przez Williama Jessopa na Loughborough - Nanpantan linii w 1794 r., a jego synowie używali belek w kształcie litery I w latach 1813–15 na linii kolejowej z Grantham do zamku Belvoir . Próbki tych szyn są przechowywane w Muzeum Nauki w Londynie .
Krótkotrwałą alternatywą był profil z rybim brzuchem , po raz pierwszy użyty przez Thomasa Barnesa (1765–1801) w Walker Colliery w pobliżu Newcastle w 1798 r., Który umożliwił szynom większą rozpiętość między blokami. Były to poręcze krawędziowe o przekroju teowym, długie na trzy stopy, ułożone na poprzecznych podkładach kamiennych. Te nadal były wykonane z żeliwa .
Połączenia doczołowe i biodrowe
Najwcześniejsze szyny miały kwadratowe złącza doczołowe, które były słabe i trudne do utrzymania w jednej linii. George Stephenson wprowadził połączenia na zakładkę, które dość dobrze zachowywały wyrównanie. [ potrzebna strona ]
Nowoczesne poręcze krawędziowe
Przełom nastąpił, gdy John Birkinshaw z Bedlington Ironworks w Northumberland opracował w 1820 roku walcowane szyny z kutego żelaza o długości 15 stóp (4,6 m), używane w kolei Stockton i Darlington . Było to wystarczająco mocne, aby wytrzymać ciężar lokomotywy i ciągniętego przez nią pociągu wagonów (lub wagonów). To oznacza początek ery nowoczesnej kolei. System ten odniósł natychmiastowy sukces, chociaż zdarzały się falstarty. Niektóre wczesne szyny były wykonane w przekroju teowym, ale brak metalu u podstawy ograniczał wytrzymałość szyny na zginanie, która musi działać jak belka między podporami.
W miarę ulepszania technologii metalowych te szyny z kutego żelaza były stopniowo coraz dłuższe i miały cięższy, a przez to mocniejszy przekrój poprzeczny. Dostarczając więcej metalu w stopie szyny, stworzono mocniejszą belkę, uzyskując znacznie lepszą wytrzymałość i sztywność, a także utworzono sekcję podobną do widocznej do dziś sekcji szyny czołowej. Było to jednak kosztowne, a promotorzy wczesnych kolei zmagali się z decyzjami dotyczącymi odpowiedniej wagi (a tym samym wytrzymałości i kosztu) swoich szyn.
Początkowo odcinek szyny był prawie symetryczny od góry do dołu i był opisywany jako szyna dwugłowicowa. Zamiarem było odwrócenie szyny po zużyciu górnej powierzchni, ale szyny mają tendencję do rozwijania żółci krzesła, ścierania się szyny w miejscu, w którym jest ona podparta na krzesłach, co spowodowałoby, że bieganie po dawnej dolnej powierzchni byłoby niemożliwie głośne i nieregularny. Lepiej było zapewnić dodatkowy metal na górnej powierzchni i uzyskać tam dodatkowe zużycie bez konieczności odwracania szyny po jej półtrwaniu.
Wiele linii kolejowych preferowało sekcję szyn z płaskim dnem, w której szyny można było układać bezpośrednio na podkładach, co oznaczało znaczną oszczędność kosztów. Problemem było wgniecenie podkładu; tam, gdzie ruch był duży, konieczne stało się umieszczenie pod szynami podkładki, aby rozłożyć obciążenie na podkład, częściowo niwecząc oszczędności. Jednak w sytuacjach na głównej linii ta forma znalazła niemal powszechne zastosowanie w Ameryce Północnej i Australii oraz w większości kontynentalnej Europy. Wielka Brytania utrzymywała się z szyną typu bullhead w użyciu na głównych liniach, z powszechnym wprowadzeniem szyny płaskodennej dopiero od około 1947 roku.
Szyny stalowe
Pierwsze szyny wykonane ze stali zostały wykonane w 1857 roku , kiedy Robert Forester Mushet przetopił złom stalowy z nieudanej próby Bessemera w tyglach w hucie Ebbw Vale i został ułożony eksperymentalnie na stacji kolejowej Derby na Midland Railway w Anglii . Szyny okazały się znacznie trwalsze niż szyny żelazne, które zastąpiły, i pozostawały w użyciu do 1873 r. Henry Bessemer dostarczył 500 ton stalowych bloczków do London and North Western Railway w Crewe w 1860 roku. Kilka innych firm rozpoczęło produkcję szyn stalowych w następnych latach. Przejście na szyny stalowe przyspieszyło wprowadzenie produkcji stali z otwartym paleniskiem . William Siemens założył swoją hutę Landore częściowo w celu dostarczania kolei do Great Western Railway . Nastąpił boom w produkcji kolei, ale kryzys bankowy w Ameryce spowolnił tempo budowy kolei i zamówień dla brytyjskich producentów kolejowych. Brytyjski przemysł żelaza i stali wpadł w recesję, która szczególnie dotknęła sektor kutego żelaza. Kiedy popyt na szyny zaczął ponownie rosnąć, dotyczyło to głównie szyn stalowych, które były trwalsze niż szyny żelazne. [ potrzebne źródło ]
Powiązane funkcje
Podkłady
Drewniane podkłady, czyli poprzeczne belki podtrzymujące dwie szyny tworzące tor, zastąpiły wcześniej stosowane pojedyncze bloki kamienne. System ten ma tę główną zaletę, że konserwacyjne korekty geometrii toru nie zakłócają najważniejszej szerokości toru. Wyrównanie toru można było regulować, przesuwając podkłady cieleśnie, bez utraty szerokości toru. Drewno iglaste było szeroko stosowane, ale jego żywotność była ograniczona, jeśli nie było traktowane środkiem konserwującym, a niektóre koleje zakładały w tym celu zakłady kreozotu. kreozotem jest obecnie szeroko stosowane w Ameryce Północnej i innych krajach.
Do tej pory w użyciu były stosunkowo długie (może 20 stóp) szyny z kutego żelaza wsparte na krzesłach na drewnianych podkładach poprzecznych - forma toru rozpoznawalna dziś na starszych torach.
Podkłady stalowe wypróbowano jako alternatywę dla drewna; Acworth w 1889 roku opisuje produkcję podkładów stalowych na kolei London & North Western Railway i jest tam ilustracja przedstawiająca walcowany odcinek kanału (płytkie odwrócone kształty litery „U”) bez ukształtowanych końców, z trzyczęściowymi kutymi krzesłami nitowanymi bezpośrednio. Wydaje się jednak, że podkłady stalowe nie cieszyły się powszechnym przyjęciem aż do około 1995 r. Obecnie ich dominującym zastosowaniem jest przedłużenie żywotności istniejących torów na trasach drugorzędnych. Mają znaczną przewagę na słabych formacjach i złych warunkach podsypki, ponieważ obszar nośny znajduje się na wysokim poziomie, bezpośrednio pod siedzeniem szyny.
Mocowania szyn
Wczesne szyny żeliwne z XVIII wieku i wcześniej stosowane integralne mocowania do przybijania lub przykręcania do podkładów kolejowych. Szyny paskowe wprowadzone pod koniec XVIII wieku, z żeliwa, a później walcówki, były przybijane do drewnianych wsporników przez wpuszczone otwory w metalu. Wprowadzenie walcowanych profili szynowych w latach dwudziestych XIX wieku, takich jak szyna równoległa T z pojedynczym kołnierzem, a później szyna równoległa T z podwójnym kołnierzem , wymagała użycia krzeseł, kluczy do przytrzymania szyny oraz śrub lub kolców do zamocowania krzesła. Szyna z płaskim dnem wynaleziona przez Roberta L. Stevensa w 1830 r. początkowo wbijano kolce bezpośrednio w drewniane podkłady, później do rozłożenia obciążenia i utrzymania szyny za pomocą wbudowanych występów w płycie zastosowano kotwy. Poza Ameryką Północną wprowadzono później szeroką gamę sprężynowych systemów mocowania w połączeniu z płytami podstawowymi i szynami z płaskim dnem, które są obecnie wszechobecne na głównych liniach kolei dużych prędkości.
Balast
Tor był pierwotnie układany bezpośrednio na ziemi, ale szybko okazało się to niezadowalające i niezbędna była pewna forma podsypki, aby zapewnić dobre odwodnienie, rozłożenie obciążenia i utrzymanie toru na miejscu. Naturalny grunt rzadko jest wystarczająco mocny, aby przyjąć obciążenie lokomotyw bez nadmiernego osiadania, zwłaszcza w mokrych warunkach; warstwa balastu pod podkładami zmniejsza nacisk łożyska na podłoże, ma tendencję do utrzymywania ich na miejscu i przeciwstawiania się przemieszczeniom oraz zapewnia dobre odwodnienie drogi stałej.
Balast na początku był zwykle dostępnym lokalnie produktem mineralnym, takim jak żwir lub odpady z wydobycia węgla i żelaza. Kolej Great North of Scotland używała zaokrąglonego żwiru rzecznego , który nie krępuje ruchu tak bardzo, jak kamień o ostrych krawędziach. W późniejszych latach żużel będący produktem ubocznym hutnictwa oraz popiół z parowozów. Współczesną praktyką jest stosowanie kamienia o ostrych krawędziach, kruszonego w wąskim zakresie rozmiarów.
Wskaźniki
Wczesne rozstawy torów
Wczesne koleje były prawie wyłącznie lokalnymi koncernami zajmującymi się transportem minerałów na niektóre drogi wodne; dla nich rozstaw torów został dostosowany do wagonów, które miały być używane, i zwykle mieścił się w przedziale od 4 stóp do 4 stóp 8½ cala i początkowo nie było pojęcia o potrzebie jakiejkolwiek zgodności z rozstawem torów inne linie. Kiedy rozwinęły się pierwsze koleje publiczne, George'a Stephensona sprawiły, że jego koleje dominowały, a 4 stopy 8 + 1 ⁄ 2 cala ( 1435 ) miernik, którego używał, był zatem najbardziej rozpowszechniony. Gdy ewoluowały wczesne koncepcje łączenia różnych systemów kolejowych, szerokość ta zapewniła powszechne przyjęcie. To mniej więcej przypadek historyczny, że ten rozstaw - który pasował do wagonów już używanych w kopalni, w której George Stephenson był maszynistą - stał się brytyjskim standardowym rozstawem: był eksportowany do większości Europy i Ameryki Północnej.
Czasami wspomina się o „skrajni” kolein w kamiennych jezdniach w starożytnych miejscach, takich jak Pompeje , i często twierdzi się, że są one mniej więcej takie same jak skrajnia Stephensona. Oczywiście koleiny zostały wykonane przez koła wozów, a wozy miały rozsądny rozmiar dla wozów konnych przed erą przemysłową, prawie taki sam jak rozmiar wozów przedkolejowych w kopalni, w której pracował Stephenson : to jedyne połączenie.
Tor szerokotorowy
Kiedy Isambard Kingdom Brunel wymyślił Great Western Railway (GWR), szukał ulepszonego projektu dla swojego toru kolejowego i nie przyjął żadnej z wcześniej otrzymanych mądrości bez wyzwania. Rozstaw 4 stóp i 8,5 cala był odpowiedni dla małych ciężarówek z minerałami w tramwaju konnym, ale chciał czegoś bardziej stabilnego dla swojej kolei dużych prędkości. Koła o dużej średnicy stosowane w wagonach scenicznych zapewniały lepszą jakość jazdy po nierównym terenie, a Brunel pierwotnie zamierzał przewozić swoje wagony pasażerskie w ten sam sposób - na kołach o dużej średnicy umieszczonych na zewnątrz korpusów wagonów. Aby to osiągnąć, potrzebował szerszego rozstawu torów i zdecydował się na słynne 7 stóp (2,1 m) szerokotorowy . (Później zmniejszono go do 7 stóp 0¼ cala). Kiedy przyszedł czas na budowę wagonów pasażerskich, projektowano je konwencjonalnie z mniejszymi kołami pod nadwoziami, ale przy rozstawie siedmiostopowym nadwozia mogły być znacznie szersze niż przy standardowym rozstawie. Jego pierwotny zamiar, aby koła znajdowały się poza szerokością nadwozia, został porzucony.
Brunel przyjrzał się również nowatorskim formom torów i zdecydował się na zastosowanie szyny podpartej w sposób ciągły. Używając podłużnych belek pod każdą szyną, uzyskał gładszy profil, nie wymagając tak mocnego odcinka szyny, i użył do tego celu płytkiej szyny mostowej . Szersza, płaska stopa oznaczała również, że można było zrezygnować z krzesła potrzebnego sekcji byków. Wzdłużne belki musiały być utrzymywane we właściwych odstępach, aby prawidłowo zachować rozstaw, a Brunel osiągnął to za pomocą drewnianych rygli - poprzecznych przekładek - i żelaznych cięgien. Cały zespół nazywano drogą baul — kolejarze zwykle nazywają swój tor drogą. Początkowo Brunel kazał przywiązać tor do drewnianych pali, aby zapobiec ruchom poprzecznym i odbijaniu się, ale przeoczył fakt, że utwardzony grunt, na którym jego tor był podparty między stosami, osiadał. Pale pozostały stabilne, a grunt między nimi osiadł, tak że jego tor wkrótce zaczął się nieprzyjemnie falować, i musiał rozciąć stosy, aby tor mógł osiadać mniej więcej równomiernie. Wariant drogi utwardzonej można nadal zobaczyć na wielu starszych podmostach, na których nie zastosowano balastu. Konstrukcja jest bardzo zróżnicowana, ale w wielu przypadkach podłużne belki są podparte bezpośrednio na poprzecznicach, z ryglami i ściągami, aby zachować rozstaw, ale oczywiście z nowoczesnymi szynami i płytami podstawowymi lub krzesłami. Podkłady podłużne są nieco podobne do współczesnych Tor drabinkowy .
Grupa kolei, której inżynierem był Brunel, odniosła sukces, a tory szerokotorowe rozprzestrzeniły się na zachód Anglii, południową Walię i West Midlands . Jednak w miarę rozprzestrzeniania się brytyjskiej sieci kolejowej niezgodność obu systemów stała się poważną blokadą, ponieważ wagon nie mógł być wysyłany z jednego systemu do drugiego bez ręcznego przeładunku towarów. Powołano Komisję Mierniczą w celu określenia polityki krajowej . Broad Gauge był technicznie lepszy, ale konwersja tras normalnotorowych na szerokie oznaczałaby przebudowę każdego tunelu, mostu i peronu stacji, podczas gdy powszechne przyjęcie standardowej szerokości wymagałoby jedynie stopniowej konwersji samego toru. Szerokotorowa była skazana na zagładę i nie można było budować dalszych niezależnych linii szerokotorowych.
Istniejące trasy szerokotorowe mogły być kontynuowane, ale ponieważ nie miały potencjału rozwojowego, przebudowa ich na standardowe była tylko kwestią czasu. W międzyczasie zainstalowano rozległy tor o mieszanym rozstawie torów , na którym każda linia miała trzy szyny, aby pomieścić pociągi o dowolnym rozstawie torów. Zdarzały się przypadki kursowania pociągów o mieszanym rozstawie torów , w których wagony każdego rozstawu kursowały w jednym pociągu. Dziedzictwo szerokotorowych wciąż można dostrzec tam, gdzie wydaje się, że między peronami stacji jest niepotrzebnie szeroka przestrzeń.
XX wieku i nie tylko
1900 do 1945
Na początku XX wieku forma brytyjskich torów zbiegła się z wykorzystaniem kutego żelaza szyny czołowe wsparte na żeliwnych krzesłach na drewnianych podkładach, ułożonych w jakiejś formie balastu. W Ameryce Północnej standardem były szyny teowe i kotwy mocowane do drewnianych krzyżaków za pomocą ciętych kolców. Wiele kolei korzystało z bardzo lekkich szyn, które wraz ze wzrostem masy i prędkości lokomotyw stały się niewystarczające. W rezultacie na głównych liniach używane szyny były coraz cięższe (i mocniejsze). Udoskonalono procesy metalurgiczne i zaczęto stosować lepsze szyny, w tym częściowo stalowe. Z punktu widzenia konserwacji, połączenia szyn były źródłem większości prac, a wraz z poprawą technik wytwarzania stali możliwe stało się walcowanie stalowych szyn o zwiększonej długości - zmniejszając liczbę połączeń na milę. Standardowa długość wynosiła 30 stóp (9 144 mm), potem 45 stóp (13 716 mm), a na końcu 60 stóp (18 288 mm) szyny stały się normą. Do użytku na głównej linii standardowy odcinek szyny stał się odcinkiem 95BH, ważącym 95 funtów na jard (47,13 kg na metr). Na trasach drugorzędnych zastosowano lżejszy odcinek 85BH (42,16 kg na metr).
Szyny z płaskim dnem były nadal postrzegane jako niepożądane w brytyjskich liniach kolejowych, pomimo ich udanego stosowania w Ameryce Północnej, chociaż korzystały z nich niektóre lekko obsługiwane brytyjskie koleje, generalnie z kolcami bezpośrednio do podkładów. Przy intensywnym użytkowaniu podkłady mocno się wgniatają, a przyrostowy koszt płyty podstawy pojawił się w tak wczesnym terminie, aby wykluczyć sekcję z płaskim dnem.
Drewniane podkłady były drogie i nietrwałe, a inżynierowie kolei mieli silne - i sprzeczne - poglądy na temat najlepszych gatunków drewna i najlepszych zabiegów konserwujących. Koleje poszły w kierunku standaryzacji na podkładach z drewna iglastego zakonserwowanych przez wtrysk ciśnieniowy kreozotu , o wymiarach 8 stóp 6 cali (2591 mm) długości na 10 cali (254 mm) na 5 cali (127 mm). Krzesła były mocowane do podkładów za pomocą trenaży (stalowych kolców wbijanych w drewnianą tuleję) lub trzech wkrętów do krzeseł na trasach pierwszej klasy. Sam GWR wśród linii kolejowych głównej linii utrzymywał swój własny standard, szyna 00 przy 97½ funta / jard (48,365 kg na metr) i z dwoma śrubami mocującymi każde krzesło do podkładu, z łbem śruby pod podkładem i nakrętka nad krzesłem - pewniejsza, ale dużo trudniejsza w regulacji.
Niektóre eksperymenty przeprowadzono przed 1945 r. Z podkładami żelbetowymi, w większości przypadków z zamontowanymi na nich krzesłami typu bullhead. Było to odpowiedzią na bardzo wysoką cenę najlepszego (najtrwalszego) drewna, ale podkłady żelbetowe nigdy nie odniosły sukcesu w zastosowaniu na głównych liniach. Betonowe doniczki były również używane w bocznicach; czasami nazywane są podkładami dwublokowymi i składają się z dwóch betonowych bloków, z których każdy jest zamontowany na krześle oraz łączącego je kątownika i utrzymującego miernik.
Zmiany powojenne
Pod koniec drugiej wojny światowej w 1945 r. Brytyjskie koleje były zużyte, ponieważ zostały załatane po zniszczeniach wojennych bez dostępności wielu nowych materiałów. Kraj był również w słabej sytuacji gospodarczej, a przez prawie dekadę po wojnie brakowało materiałów, zwłaszcza stali i drewna . Dostępność siły roboczej również była poważnie ograniczona.
Firmy kolejowe przekonały się, że tradycyjne formy torów typu bullhead wymagają rewizji i po pewnych eksperymentach przyjęto nowy format szyn płaskodennych. Sekcje British Standard były nieodpowiednie, a nowy profil, szyna 109 funtów / jard, stał się nowym standardem. W odcinkach o długości 60 stóp, ułożonych na stalowych płytach fundamentowych na z drewna iglastego , miał to być uniwersalny standard. Mocowania miały być ze sprężystej stali, a dla drugorzędnych tras przyjęto szynę 98 funtów / jard. Różnice regionalne nadal się utrzymywały, a z twardego drewna i zapięcia na klipsy Mills były preferowane na Region Wschodni np.
Nowe projekty odniosły sukces, ale wprowadziły wiele wyzwań, zwłaszcza że dostępność doświadczonego personelu zajmującego się konserwacją torów stała się bardzo trudna, a źle utrzymany tor płaskodenny wydawał się trudniejszy do utrzymania w dobrym stanie niż źle utrzymany tor typu bullhead. Większa sztywność płaskiego dna była zaletą, ale miała tendencję do prostowania się między stawami na zakrętach; a sztywność płaskiego dna prowadziła do dużych pionowych sił uderzenia w źle utrzymanych połączeniach, co skutkowało dużą liczbą pęknięć zmęczeniowych w połączeniach. Ponadto elastyczne mocowania szyn miały niewielką odporność na pełzanie szyn — skłonność szyn do stopniowego przesuwania się w kierunku ruchu, a pracochłonność odciągania szyn w celu regulacji połączeń była zaskakująco duża.
Długie szyny spawane
Większość pracy związanej z utrzymaniem toru dotyczyła połączeń, zwłaszcza gdy sztywne szyny uległy zanurzeniu, a podkłady przegubowe były uderzane młotkiem. Opierano się na przedwojennych eksperymentach z długimi spawanymi odcinkami szyn, aw latach od 1960 r. montowano długie odcinki szyn, najpierw na podkładach z twardego drewna, ale wkrótce na podkładach betonowych. Na przykład pierwsza długa spawana szyna (prawie 1 mi (1,6 km)) na głównej linii wschodniego wybrzeża Wielkiej Brytanii została ułożona w 1957 roku, na południe od Carlton-on-Trent , spoczywająca na gumowych podkładkach, aby zapobiec pełzaniu szyny. Na tym pionierskim etapie popełniono kilka katastrofalnych błędów w szczegółowym projekcie, ale od około 1968 roku ciągła spawana szyna stała się niezawodnym standardem uniwersalnej instalacji na głównych i drugorzędnych trasach. Przyjęta forma wykorzystywała podkłady z betonu sprężonego i odcinek szyny 110A - niewielkie ulepszenie w stosunku do poprzednio używanych szyn 109 - litera A miała odróżniać ją od odcinka szyny British Standard 110 funtów / jard, który był nieodpowiedni. Mocowania szyn ostatecznie zbiegły się z zastrzeżonym zaciskiem sprężynowym wykonanym przez firmę Pandrol , która przez około 30 lat była ekskluzywną formą zapięcia w Wielkiej Brytanii.
Spawany tor miał zostać ułożony na tłuczniu kamiennym o grubości od 15 do 30 centymetrów, chociaż nie zawsze było to osiągane, a nośność formacji nie zawsze była brana pod uwagę, co prowadziło do spektakularnych awarii formacji .
Dalsze ulepszenie profilu szyny dało przekrój 113A, który był uniwersalnym standardem do około 1998 roku; szczegółowe ulepszenia podkładów i profilu podsypki uzupełniły obraz, a ogólny kształt toru ustabilizował się. Ten format jest obecnie stosowany na ponad 99% głównych linii pierwszej klasy w Wielkiej Brytanii, chociaż odcinek kolei CEN60 (60 kg / m) został wprowadzony w Wielkiej Brytanii w latach 90. Ma szerszą stopę szyny i jest wyższy niż sekcja 113A, więc jest niekompatybilny ze standardowymi podkładami.
Pociągi do odnawiania torów zastąpiły teraz pracochłonne stałe gangi. Długa spawana szyna była trudna do zainstalowania ręcznie. Wczesna demonstracja zmechanizowanego układania torów za pomocą dwóch spawanych szyn o długości 600 stóp (180 m) miała miejsce w oddziale Fighting Cocks w 1958 r. Te dwie długości załadowano na dziesięć wagonów, przymocowanych do istniejącego toru za pomocą stalowej liny i cofane z prędkością 30 stóp (9,1 m) na minutę. Kiedy pociąg się cofał, stare szyny zostały wysunięte, a nowe opadły na krzesła. Wciągnik na tylnym wagonie upuścił ostatnią część szyny na miejsce.
Szerokość toru
Jak stwierdzono, ogólny rozstaw torów w Wielkiej Brytanii wynosił 4 stopy 8 + 1 / 2 cala ( 1435 mm ). W późnych latach pięćdziesiątych ogólne standardy utrzymania torów gwałtownie się pogorszyły z powodu niedoborów siły roboczej, a na niektórych trasach większej prędkości pociągów towarowych. Pociągi towarowe składały się prawie w całości z czterokołowych wagonów o krótkim rozstawie osi (10 stóp), zawieszonych na bardzo sztywnym eliptycznym zawieszeniu na resorach piórowych, a wagony te wykazywały szybkie tempo wzrostu liczby wykolejeń. [ potrzebne źródło ]
W odpowiedzi na dynamiczne zachowanie („gonienie”) wagonów dopuszczalną prędkość wagonów zmniejszono do 45 mil na godzinę, a na nowych instalacjach torów spawanych w sposób ciągły na podkładach betonowych zmniejszono szerokość toru o jedną ósmą cala do 4 stóp 8⅜ cala (1432 mm). [ potrzebne źródło ] W praktyce ta zmiana spowodowała więcej problemów niż ich wyleczenia i została przywrócona przy odnowieniach do 1435 mm ze skutkiem od 1996 r. Rozstaw jest ustawiany przez umieszczenie wtopionych mocowań, więc ponowne ustawienie istniejącego toru nie jest prostym zadaniem ; stwarza również problemy z punktową wymianą podkładów. Wiele podkładów wykonano ze zmniejszonym rozstawem torów, ale 1435 mm ( 4 stopy 8 + 1 / 2 cala ) zostały również wyprodukowane w ostatnich czasach.
Rozjazdy i skrzyżowania
Terminologia jest trudna w przypadku „rozjazdów i skrzyżowań” (S&C), wcześniej „rozjazdów i skrzyżowań” lub „osprzętu”.
Wczesny S&C dopuszczał tylko bardzo małą prędkość na trasie pomocniczej („frekwencja”), więc projekt geometryczny nie był zbyt ważny. Wiele starszych jednostek s&c miało luźne złącze na pięcie, dzięki czemu szyna zwrotnicy mogła się obracać blisko szyny kolby lub otwierać się z niej. Gdy szyna zwrotnicy została zamknięta, zapewniono rozsądne wyrównanie; kiedy był otwarty, żadne koło nie mogło na nim jeździć, więc nie miało to znaczenia.
Wraz ze wzrostem prędkości nie było to już wykonalne, a szyny zwrotnicowe zostały zamocowane na końcu pięty, a ich elastyczność umożliwiała otwieranie i zamykanie czubka. Produkcja rozjazdów była procesem złożonym, a wykonanie skrzyżowań jeszcze bardziej. Prędkości na trasie pomocniczej rzadko przekraczały 20 mil na godzinę, z wyjątkiem bardzo specjalnych projektów, i zastosowano wielką pomysłowość, aby zapewnić dobrą jazdę pojazdom przejeżdżającym z dużą prędkością na głównej linii. Utrudnieniem był wspólny przejazd, na którym utrudnione było ciągłe podparcie przejazdu kół, a iglicę zaprojektowano tak, aby chroniła ją przed bezpośrednim uderzeniem w kierunku czołowym, tak że wprowadzono projektowaną nieregularność podparcia.
Ponieważ wymagane były większe prędkości, zaprojektowano więcej konfiguracji s&c i wymagana była bardzo duża liczba komponentów, z których każdy był specyficzny tylko dla jednego typu s&c. Przy większych prędkościach na drodze rozjazdowej zjazd z głównej trasy jest znacznie bardziej stopniowy, dlatego wymagana jest bardzo duża długość planowania rozjazdów.
Około 1971 roku tendencja ta została odwrócona wraz z tak zwaną pionową s&c, w której szyny były trzymane pionowo, a nie pod zwyczajowym nachyleniem 1 na 20. Z innymi uproszczeniami znacznie zmniejszyło to zapasy wymagane dla szerokiego zakresu prędkości S&C, chociaż pionowa szyna powoduje utratę efektu kierowania, a jazda przez nowe pionowe S&C jest często nieregularna.
Ciągła szyna spawana
Ciągła spawana szyna (CWR) została opracowana w odpowiedzi na obserwację, że większość prac związanych z utrzymaniem torów odbywa się na złączach. Wraz z poprawą produkcji stali i procesów produkcyjnych długość zainstalowanych szyn była stopniowo zwiększana, a logicznym rozszerzeniem tego byłoby całkowite wyeliminowanie połączeń.
Główną przeszkodą w realizacji tego celu jest rozszerzalność cieplna : szyny rozszerzają się w wyższych temperaturach. Bez połączeń szyny nie mają miejsca na rozszerzenie; gdy szyny będą się nagrzewać, rozwiną ogromną siłę, próbując się rozszerzyć. Jeśli uniemożliwi się ich rozszerzanie, rozwijają siłę 1,7 tony (17 kN) na każdy 1 stopień Celsjusza zmiany temperatury na praktycznym odcinku szyny.
Jeśli mały sześcian metalu zostanie ściśnięty między szczękami prasy, skurczy się – to znaczy zostanie nieco zgnieciony – i może wytrzymać bardzo dużą siłę bez ostatecznego zniszczenia. Jeśli jednak długi kawałek metalu o tym samym przekroju zostanie ściśnięty, odkształci się on na boki w kształt łuku; proces ten nazywa się wyboczeniem, a siła ściskająca, którą może wytrzymać, jest znacznie mniejsza.
Jeśli długi, cienki kawałek metalu mógłby zostać unieruchomiony, aby zapobiec jego wyboczeniu (np. poprzez umieszczenie go w rurze), to byłby w stanie wytrzymać znacznie większą siłę ściskającą. Jeśli szyny można ograniczyć w podobny sposób, można zapobiec ich wyboczeniu. Ciężar toru jest odporny na wyboczenie w górę, więc wyboczenie najprawdopodobniej będzie miało miejsce w bok. Zapobiega temu:
- dostarczanie ciężkich podkładów, które generują tarcie na podłożu tłuczniowym
- upewnienie się, że podkłady są dobrze podparte na skonsolidowanym podsypce, aby umożliwić generowanie tarcia
- zapewnienie skonsolidowanego balastu wokół boków podkładów w celu zapewnienia dodatkowego tarcia
- podgrzewanie szyn po ich zamontowaniu i zamocowaniu w chłodne lub zimne dni, tak aby rozszerzalność w najgorętsze dni była mniejsza niż w innym przypadku
- upewniając się, że każda szyna dodana, jeśli szyna pęknie podczas zimnej pogody, zostanie usunięta przed powrotem ciepłej pogody.
- upewniając się, że krzywe nie ustawiają się do wewnątrz podczas zimnej pogody na tyle, aby zwiększyć prawdopodobieństwo wyboczenia, gdy powróci ciepła pogoda
- podjęcie środków ostrożności podczas prac konserwacyjnych torów prowadzonych w czasie upałów oraz upewnienie się, że tłuczeń jest wystarczająco skonsolidowany przed wznowieniem pracy z pełną prędkością.
Jeśli szyna jest trzymana w taki sposób, że w ogóle nie może się rozszerzać, to nie ma ograniczeń co do długości szyny, którą można obsługiwać. (Siła rozszerzająca się w szynie o długości jednej stopy w określonej temperaturze jest taka sama jak w przypadku szyny o długości mili lub 100 mil). Wczesna ciągła spawana szyna była instalowana w ograniczonych długościach tylko z powodu ograniczeń technologicznych. Jednak na końcu odcinka CWR, gdzie stykał się ze starszym, zwykłym torem z przegubami, tor ten nie byłby w stanie oprzeć się sile rozszerzającej, a tor z przegubami mógłby zostać zmuszony do wyboczenia. Aby temu zapobiec zainstalowano specjalne wyłączniki rozprężne, zwane czasem odpowietrznikami. Przełączniki rozszerzające mogły pomieścić znaczny ruch ekspansywny - zwykle około czterech cali (100 mm) - w końcowej sekcji CWR bez przenoszenia ruchu na połączony tor.
CWR jest instalowany i mocowany w optymalnej temperaturze, aby zapewnić ograniczenie maksymalnej możliwej siły ekspansywnej. Ta temperatura nazywana jest temperaturą bezstresową, aw Wielkiej Brytanii wynosi 27 ° C (81 ° F). Znajduje się w górnym zakresie zwykłych temperatur zewnętrznych, a rzeczywiste prace instalacyjne są zwykle wykonywane w niższych temperaturach. Pierwotnie szyny były fizycznie podgrzewane do temperatury bez naprężeń za pomocą nagrzewnic na gaz propanowy; następnie grzechotano ręcznymi prętami, aby wyeliminować wszelkie wiązania, zapobiegając równomiernemu rozszerzaniu się, a następnie przycięto. Jednak od około 1963 roku do fizycznego rozciągania szyn używa się podnośników hydraulicznych, gdy są one podparte na tymczasowych rolkach. Rozciągając szyny do długości, jaką miałyby, gdyby miały temperaturę bez naprężeń, nie ma potrzeby ich podgrzewania; można je po prostu przypiąć, zanim gniazda zostaną zwolnione.
Szyny CWR są wykonane przez zespawanie ze sobą zwykłych szyn. Przez wiele lat w Wielkiej Brytanii można było wytwarzać szyny o długości do 60 stóp (18 m 288 mm), a fabryczny proces spawania dawał im długości 600, 900 lub 1200 stóp, w zależności od fabryki. Stosowany proces był procesem flash-butt , w którym do zmiękczenia końca szyny stosuje się wysokie prądy elektryczne, a następnie końce są dociskane do siebie przez tarany. Proces flash-butt jest bardzo niezawodny, pod warunkiem, że fabryka zapewniła dobrą geometrię zakończeń szyn.
Długie szyny można było przewieźć na miejsce specjalnym pociągiem i wyładować na ziemię (poprzez przymocowanie końca łańcuchem i wyciągnięcie pociągu spod szyn). Długie szyny musiały być zespawane razem (lub z sąsiednim torem) za pomocą procesu spawania na miejscu; zastosowano opatentowany proces spawania Thermit . Był to proces aluminotermiczny, w którym zapalono „porcję” proszku; aluminium było paliwem i metalurgicznie odpowiednią kompozycją stopionej stali opadającej do szczeliny między końcami szyn, zawartej w formach ogniotrwałych .
Oryginalny proces SmW był bardzo wrażliwy na umiejętności operatora, a ponieważ spawanie było zwykle ostatnim procesem przed przywróceniem toru do ruchu, czasami stosowano presję czasu, co skutkowało niechcianymi niewłaściwymi spawami. Udoskonalony proces SkV był mniej czuły iw miarę upływu lat poprawiała się jakość spoin.
Kwestia wyboczenia nie ogranicza się do CWR, a gąsienice łączone w przeszłości ulegały wyboczeniom. Nakładki na stykach należy zdejmować i smarować co roku (w 1993 r. wymóg ten złagodzono do dwóch razy w roku), a tam, gdzie to pominięto lub gdy warunki balastowe były szczególnie słabe, wyboczenie miało miejsce podczas upałów. Ponadto, jeśli pozwolono by szynom pełzać, zawsze istniała możliwość, że kilka kolejnych połączeń może się zamknąć, tak że szczelina dylatacyjna zostanie utracona, co będzie nieuniknione na początku upałów.
Zobacz też
Źródła
- Baxter, Bertram (1966). Kamienne bloki i żelazne szyny (tramwaje) . Archeologia przemysłowa Wysp Brytyjskich. Newtown Abbot: David i Charles.