Szyny i tory. Klasyfikacja szyn
ok. 3838 p.n.e. The Post Track, prehistoryczna grobla w dolinie rzeki Brue w Somerset Levels w Anglii, jest jednym z najstarszych znanych zbudowanych szlaków wykorzystujących pierwowzór transportu szynowego. W źródłach podaje się, że pochodzi z około 3838 r. p.n.e., co czyniłoby go około 30 lat starszym od podobnej konstrukcji Sweet Track (1) z tego samego obszaru. Szlak transportowy zbudowany został z długich jesionowych desek, z lipowymi i leszczynowymi słupkami rozmieszczonymi w trzymetrowych odstępach. Spekuluje się, że prowadził on do miejsc o znaczeniu duchowym.
ok. 600 p.n.e. Według archeologicznych dowodów w greckim Diolkos funkcjonował szynowy system transportowy o długości od 6 do 8,5 km (2). Transportowano nim łodzie przez Przesmyk Koryncki. Pojazdy kołowe ciągnięte przez ludzi i zwierzęta poruszały się w rowkach wyżłobionych w wapieniu, co uniemożliwiało wozom opuszczenie wytyczonej trasy. Szlak w Diolkos był używany przez ponad 650 lat, co najmniej do I wieku n.e.
Podobne kamienne torowiska budowano później także w rzymskim Egipcie. Zapewne najdłuższą tego typu rowkowaną drogą była służąca do transportowania statków droga Diolkos nad Przesmykiem Korynckim w Grecji. Technika ta używana była w wielu innych miejscach w starożytnym świecie, np. także w drogach rzymskich żłobiono koleiny.
ok. 200 p.n.e. Wczesny system transportu szynowego odkryto także Chinach, w południowo-zachodniej części prowincji Henan, w pobliżu miasta Nanyang. Jak się datuje, powstał w czasach dynastii Qin. Szyny były wykonane z twardego drewna i zabezpieczone, podczas gdy podkłady lub wiązania kolejowe zostały wykonane z drewna, które nie zostało zabezpieczone i dlatego zgniło. Podkłady kolejowe były zaprojektowane tak, aby umożliwić galopowanie do następnej stacji koniom, które były następnie zmieniane.
XVI w. Drewniane tory kolejowe z belek, ułatwiające transport, stosowano w kopalniach rudy i węgla w górach Siedmiogrodu.
1515 Kardynał Matthäus Lang opisuje Reisszug, kolejkę do twierdzy Hohensalzburg w Austrii (3). Pierwotnie kolejka używała drewnianych szyn i konopnej liny pociągowej, a napędzana była siłą ludzką lub zwierzęcą, za pomocą koła napędowego. Kolejka istnieje nadal i działa w zmodernizowanej formie, będąc być może najstarszą działającą linią kolejową na świecie.
1556 Georgius Agricola, niemiecki humanista i uczony: górnik, metalurg i mineralog, z zawodu lekarz, syn sukiennika z Glauchau, opisuje drewniane szyny w swoim dziele "De Re Metallica".
lata 60. XVI w. Informacja o pierwszej kolejce wagonowej wprowadzonej w Caldbeck, w Anglii, przez niemieckich górników (4).
ok. 1600 W Prescot, niedaleko Liverpoolu, zbudowano linię szynową do transportu wagonikami. Linia, której właścicielem był Philip Layton, przewoziła węgiel z szybu w pobliżu Prescot Hall do stacji końcowej oddalonej o pół mili.
1603-1604 W pobliżu angielskiego Nottingham Huntingdon Beaumont i Percival Willoughby wybudowali Wollaton Wagonway. Była to najstarsza forma transportu szynowego w Anglii. Nieco ponad trzykilometrowy szlak, zbudowany z drewnianych szyn, połączył miejscowości Strelley i Wollaton, a służył głównie do przewozu węgla kamiennego. Kolej napędzaną linami zbudowano w tym czasie także w Shropshire. Przewoziła ona węgiel dla Jamesa Clifforda z jego kopalni w dół rzeki Severn, gdzie węgiel był ładowany na barki i przewożony do nadrzecznych miast.
1716 W Anglii zaczyna się pokrywać powierzchnie drewnianych szyn cienkimi płytkami z żelaza kutego, a później z tańszego żeliwa.
1738 W Whitehaven w Anglii po raz pierwszy używa się szyn całkowicie żelaznych ułożonych na drewnianych belkach.
lata 60. XVIII w. Firma Coalbrookdale Company zaczęła mocować płyty z żeliwa do górnej powierzchni szyn drewnianych, co zwiększyło ich trwałość i nośność. Początkowo do zawracania wagonów można było używać tylko pętli balonowych, ale później dzięki zastosowaniu metalowych elementów konstrukcyjnych wprowadzono ruchome punkty, które umożliwiały tworzenie pętli mijankowych.
1776 Pojawiają się szyny żeliwne w kształcie kątownika "L".
1783 Henry Cort, wynalazca hutniczego "procesu pudlarskiego", patentuje proces walcowania żelaza, który był piętnaście razy szybszy w procesie uzyskiwania zwartości i kształtowaniu żelaza niż młotkowanie. Procesy te znacznie obniżyły koszty produkcji wyrobów najpierw żelaznych, potem stalowych i oczywiście szyn dla kolei.
1789 Pierwszy odnotowany historycznie przypadek zastosowania szyn zbliżonych kształtem do obecnie stosowanych, mających główkę i szyjkę, tak jak w profilach współczesnych. William Jessop wprowadził żelazną szynę podobną do współczesnych i koła kolejowe kołnierzowe w systemie transportowym pracującym przy przedłużeniu kanału Charnwood Forest w Nanpantan, Loughborough, Leicestershire w Anglii. W 1790 r. Jessop został wspólnikiem w Butterley Company i razem ze wspólnikiem rozpoczęli produkcję szyn krawędziowych.
1796 Za pierwszą publicznie dostępną linię kolejową uchodzi Lake Lock Rail Road (5). Chociaż głównym celem linii był transport węgla, przewoziła ona również pasażerów. Wykorzystywała szyny o przekroju kątownikowym w kształcie litery "L". Te dwa systemy budowy torów kolejowych, szyny "L" i gładkie szyny do kół krawędziowych, były stosowane jeszcze w XIX wieku. Koła kołnierzowe i szyny ze stopką po pewnym czasie udowodniły swoją wyższość i stały się standardem w kolejnictwie.
W miarę rozwoju kolejnictwa rósł również ciężar i przekrój szyn. W związku z tym zaczęto usuwać spod szyn podłużne belki drewniane i tor kolejowy przybrał swą nowoczesną postać (żelazne szyny na drewnianych poprzecznych podkładach). Od końca XIX wieku stosuje się coraz częściej podkłady żelbetowe.
XIX w. Rozstaw szyn tzw. normalnego toru wynosi 1435 milimetrów i ma go około 70 proc. światowej sieci kolejowej. Taki, a nie inny wymiar wywodzi się od rozstawu kół wózków z węglem, używanych na początku XIX wieku w Anglii (4 stopy 8 i pół cala). Koleje angielskie w tamtym czasie - oczywiście konne - miały rozstaw szyn wahający się od 4 do 5 stóp. Rzeczywiście było to związane z szerokością końskich zadów - koń musiał zmieścić się pomiędzy szynami.
Stephenson dostał zamówienie na opracowanie lokomotywy jeżdżącej po torach o szerokości 4’8" (1422 mm), dopiero po kilkunastu latach zmiany techniczne w nowych wagonach i parowozach - szczególnie zastosowanie obręczy na kołach - sprawiły, że potrzebne było dodatkowe pół cala. Szerokość tę zastosował pionier kolei George Stephenson w linii łączącej Manchester z Liverpoolem. Taką szerokość miały tory na kolejach w północnej Anglii, we wschodniej zaś stosowano rozstaw 5 stóp (1524 mm). Angielski pierwowzór rozstawu szyn został zastosowany w większości krajów świata, przy czym w systemie metrycznym przeliczono go na równo 1435 mm. Hiszpania i Portugalia ze względów politycznych i z obawy przez ingerowaniem Francji w ich sprawy przyjęły inny rozstaw - 1676 mm (5 stóp 6 cali).
W przypadku znanej z innego standardu Rosji nie tyle chodziło o względy militarne. Zdecydował raczej przypadek. Car wybrał amerykańskiego inżyniera do planowania linii kolejowych w czasach, gdy w Stanach Zjednoczonych rozstawy torów nie były jeszcze w pełni znormalizowane. Rozstaw 1524 mm, który major George Whistler zaproponował Rosji, był taki sam jak regionalny "południowy" rozstaw przyjęty przez Johna Jervisa w Karolinie Płd. w 1833 roku. Początkowo dla tej kategorii rozstawu szyn obowiązywała szerokość 1524 mm. Po raz pierwszy została ona zastosowana na Kolei Nikołajewskiej z Petersburga do Kołpina, otwartej w 1847 roku. W późniejszych latach rozstaw został zmodyfikowany i jako normę przyjęto 1520 mm (6).
1820 Żeliwo nie było zadowalającym materiałem na szyny, ponieważ było kruche i łamało się pod dużymi obciążeniami. Wynaleziona przez Johna Birkinshawa szyna z kutego żelaza rozwiązała te problemy. Kute żelazo (zwykle określane po prostu jako "żelazo") było materiałem plastycznym, co czyniło go bardziej odpowiednim na szyny żelazne.
1831 Amerykański wynalazca Robert Livingston Stevens (7) dodaje do konstrukcji szyny kolejowej szeroką stopę. Choć jako twórcę pomysłu podaje się niekiedy jego ojca, to Robert pierwszy wprowadził szyny o tym przekroju w torach kolei Camden & Amboy, której był prezesem.
1856 Wprowadzenie konwertorowego procesu Henry’ego Bessemera, umożliwiającego tanią produkcję stali, było początkiem epoki wielkiej ekspansji kolei, która rozpoczęła się pod koniec lat sześćdziesiątych XIX wieku. Stalowe szyny wytrzymywały kilkakrotnie dłużej niż żelazo. Umożliwiły produkcję cięższych lokomotyw, pozwalając na dłuższe pociągi i zwiększając wydajność transportową kolei.
Kolejne udoskonalenia i wynalazki w dziedzinie hutnictwa w drugiej połowie dziewiętnastego wieku doprowadziły do tego, że stal stała się standardem dla wszystkich typów kolei szynowych. Pierwsze szyny wykonane ze stali powstały w 1857 r., kiedy Robert Forester Mushet przetopił złom stalowy z nieudanej próby Bessemera w tyglach w hucie Ebbw Vale i zostały ułożone eksperymentalnie na stacji kolejowej Derby na linii Midland Railway w Anglii.
1889 Pierwsza znana relacja z produkcji podkładów stalowych w linii London & North Western Railway. Do lat 90. XX wieku podkłady stalowe nie cieszyły się popularnością. Obecnie są one stosowane głównie w celu przedłużenia żywotności istniejących torów na trasach drugorzędnych. Mają one znaczną przewagę w przypadku słabych składów i złych warunków podsypkowych.
lata 50.-60. XX wieku Łączenia torów od początku były newralgicznym i pochłaniającym sporo pracy punktem. Po starszych eksperymentach z wykorzystaniem długich spawanych (8) szyn po II wojnie technika ta rozwinęła się. Początkowo umieszczano je na podkładach z twardego drewna, a potem - betonowych. Na przykład pierwszą długą szynę spawaną (prawie 1,6 km) na brytyjskiej linii East Coast Main Line położono w 1957 roku na południe od Carlton-on-Trent, opierając ją na gumowych podkładkach zapobiegających pełzaniu szyn. Od lat 60. długie spawane szyny były wprowadzane na dużą skalę.
lata 70. XX wieku Wprowadzanie szyn bezstykowych ciągłych (9). Stało się to możliwe dzięki zastosowaniu zgrzewania elektrycznego, spawania termitowego i łukowego. Jazda po torze bezstykowym jest spokojna i cicha, bez znanego z szyn uderzeń na stykach. Spawane szyny bezstykowe są obecnie powszechnie stosowane na większości linii kolejowych. Stanowią one jeden z podstawowych warunków wstępnych dla wprowadzenia usług dużych prędkości. Wadą torów spawanych w sposób ciągły jest ograniczona swoboda rozszerzania i kurczenia się szyn pod wpływem zmian temperatury.
Klasyfikacja szyn
Szyny walcowane są wykorzystywane do tworzenia powierzchni kolejowej magistrali, linii metra, linii tramwajowych, bocznic, systemów transportu wewnętrznego przedsiębiorstw przemysłowych, torów służących do przesuwu suwnic nabrzeżnych, pomostowych, bramowych, budowlanych i innego typu. Szyny stalowe są dostępne w wielu rozmiarach standardowych, dobieranych zależnie od końcowego zastosowania, a wykonane są z włókien węglowych i stali niskostopowych. Istnieje wiele różnych typów szyn, które klasyfikuje się według ich zastosowania i kształtu profilu.
1. Szyny kolejowe
Szyny są elementem nawierzchni kolejowej, po którym bezpośrednio poruszają się koła taboru. Przekrój poprzeczny szyny przystosowany jest do przejmowania obciążeń przekazywanych z kół taboru i przekazywania ich na podkład. W przekroju poprzecznym szyny wyróżnia się trzy obszary:
- główka - bezpośrednio współpracująca z kołami taboru,
- szyjka - łącząca główkę ze stopką i nadająca szynie odpowiednią sztywność,
- stopka - przekazująca obciążenia na podkład, zapewniająca szynie stabilne oparcie.
Obecnie na normalnotorowych liniach kolejowych w Polsce podstawowo stosuje się szyny typu 60E1 i 49E1. W użyciu są także produkowane wcześniej szyny UIC60 i S49, nieznacznie różniące się szczegółami przekroju poprzecznego. Liczba w oznaczeniu szyny jest równa w przybliżeniu masie jednego metra szyny. Dawniej stosowany lżejszy typ szyn S42 jest wycofywany z eksploatacji w trakcie remontów - napraw głównych nawierzchni.
W tor klasyczny zasadniczo wbudowuje się szyny o długościach 25 m lub 30 m. Tor bezstykowy buduje się z szyn długich, powstających poprzez zgrzewanie w zgrzewalni stacjonarnej szyn o długościach 25 m, 30 m lub 70 m w szynę o długości 200 m lub 210 m. Szyny produkowane w długości 120 m mogą być bezpośrednio wbudowane w tor bezstykowy.
Obecnie w Polsce szyny produkowane są z dwóch gatunków stali szynowej węglowo-manganowej: R260 i R350HT. Stal szynowa R260 charakteryzuje się twardością w skali Brinella zawierającą się w przedziale 260…300 HBW i minimalną wytrzymałością na rozciąganie 880 MPa, podczas gdy stal szynowa R350HT charakteryzuje się twardością z przedziału 350…390 HBW i minimalną wytrzymałością na rozciąganie 1175 MPa.
2. Szyny przejściowe
Łączenie szyn o profilu 49E1 i 60E1 wykonuje się za pomocą szyny przejściowej. Szyna przejściowa składa się z trzech elementów: odcinka szyny o profilu 60E1, odkuwki o długości 450 mm (przejście z profilu 60E1 do 49E1) i odcinka szyny o profilu 49E1. Wszystkie trzy elementy zgrzewane są elektrooporowo. Ze względu na konieczność zachowania prostoliniowości krawędzi tocznej główki szyny, szyna przejściowa nie jest symetryczna, w związku z czym jest wykonywana jako lewa i prawa.
3. Szyny specjalne i inne
Istnieje duża grupa szyn o specjalnych zastosowaniach kolejowych lub pozakolejowych. Są to m.in.:
- Szyny/kształtowniki szynowe stosowane do budowy rozjazdów kolejowych w miejscu przecinania się torów. Są to kształtowniki klockowe (na krzyżownice kolejowe), kształtowniki iglicowe (ruchome części rozjazdu do nadawania pojazdowi kierunku) i kierownice - te nie przenoszą ruchu pojazdów, ale mają za zadanie zapobieżenie wykolejeniu się składu na rozjeździe;
- Szyny rowkowe (tramwajowe). Mogą być typu blokowego (bez wydzielonej szyjki) lub "normalne" - kształtem zbliżone do kolejowych, ale z dodatkowym rowkiem na prowadzenie kołnierza koła;
- Szyny podsuwnicowe i dźwigowe do budowy jezdni suwnic przemysłowych oraz dźwigów lub żurawi (portowych, budowlanych itp).
M.U.
