***Tepelná dilatace kolejnic

Tepelná dilatace kolejnic je způsobená tepelnou roztažností oceli. Každá látka se při rostoucí teplotě roztahuje a při klesající teplotě smršťuje. Výjimek je málo (např. voda při určitých teplotách, viz tepelná anomálie vody). Nyní mluvme o "normálních" materiálech, které se vždy při zahřívání roztahují. Změna teploty však u různých látek způsobuje různé prodloužení (nebo smrštění).
Vliv teploty na tepelnou roztažnost je udávána teplotním koeficientem roztažnosti, který udává o jakou část z celkové délky se těleso z daného materiálu prodlouží při zahřátí o jeden stupeň Kelvina (jeden stupeň Kelvina se rovná jednomu stupni Celsia). Většina běžně používaných kovů má teplotní koeficient roztažnosti v hodnotách kolem 0,00002/K, např.:
ocel - 0,000016/K
měď - 0,000017/K
mosaz - 0,000018/K
hliník - 0,000024/K

Co prakticky znamená teplotní součinitel roztažnosti oceli? Pojďme trošku počítat. Při zahřátí ocelové kolejnice metrové délky o jeden stupeň Celsia se tento kus prodlouží o délku:
1000mm x 1K x 0,000016/K = 0,016 mm.
Takové prodloužení se jistě může zdát nicotné, jenže při rozdílu teplot kolejnice při mrazech v zimě (-30°C) a při sálajícím slunci v létě (+50°C), tedy při rozdílu teplot až 80°C a při délce kolejnice např. 1 km je již prodloužení značné:
1000 m x 80K x 0,000016/K = 1,28 m
V létě se kolejnice tepelnou dilatací prodlužují, v zimě se vlivem poklesu teploty smršťují. Ten rozdíl délek přes jeden metr již rozhodně není zanedbatelný. Neprojeví se však v plném rozsahu, protože i podloží trati vlivem změn teplot mírně dilatuje, jenže u podloží jsou nižší teplotní součinitele a především podloží nemá tak značný rozdíl teplot jako má samotná kolejnice vystavená v zimě mrazu a v létě sálajícímu slunci.

Řešení teplotní roztažnosti (dilatace) kolejnic na dráze
Jak jsem uvedl výše, kolejnice dilatují vlivem měnících se teplot a rozdíly délek vlivem dilatace jsou značné. To by mohlo vést v zimě k velkým mezerám mezi kolejnicemi a v létě k vyboulení kolejnic vlivem vysokých teplot v létě a k poškození geometrie koleje a tím i k vykolejení vlaků.

Ještě než začnu vysvětlovat opatření dráhy proti dilataci kolejnic, je třeba zmínit délky kolejnic dodávaných drahám. Kolejnice se vyrábějí válcováním ingotu za tepla. Délka jednotlivých vývalků je omezena délkou válcovacích tratí ve válcovnách. Dříve se vyráběly kolejnice délky 9 metrů, později 15 metrů, později 25 nebo 30 metrů. Uvědomme si, že k válcování kolejnic délky 30 metrů je potřeba válcovací dráha dlouhá zhruba 60 metrů!

Dříve se dilatace kolejnic řešila tak, že se kolejnice ukládaly při určité stanovené teplotě a na spojích kolejnic mezi jednotlivými vývalky se nechávaly tzv. dilatační mezery dlouhé několik milimetrů, které fungovaly tak, že v létě téměř zmizely a v zimě se při mrazech zvětšily. Proto se při jízdě vlaku ozývalo ono typické drncání: tdn-tdn, tdn-tdn... To drncání ale opotřebovávalo konce kolejnic, což je vidět na prvním přiloženém obrázku, kde je spojení kolejnic v detailu. V zimě mohlo toto namáhání vést dokonce k lomům kolejnic. Na přiloženém obrázku č. 1 je zřetelně vidět nadměrné opotřebení kolejnic na jejich koncích.

Dnes se již kolejnice svařují a dilatační mezery se téměř nepoužívají. Jak je to možné? Je to proto, že se používají železobetonové pražce, které mají zhruba třikrát větší hmotnost než pražce dřevěné a lépe odolávají silám přenášeným z kolejnic do štěrkového lože. Toto opatření vede k tomu, že štěrkové lože s betonovými pražci udrží geometrii koleje při změnách teplot mezi dnem a nocí i mezi létem a zimou. Je ale potřeba si uvědomit, že v kolejnicích tím vznikají nemalé tahové a tlakové síly, které kompenzují omezení dilatačních pohybů kolejnic. Ocel je naštěstí pružný materiál, takže se kolejnice vlivem tepelné dilatace v létě stlačují a v zimě napínají. Svařování kolejnic však není všelék. Někde kolejnice svařit nemůžeme (například u výhybek), jinde se prostě kolejnice musejí nechat dilatovat (například na koncích ocelových mostů), kde je rozdíl délek zima-léto docela citelný. Tam se však dnes již obvykle nedělají dilatační mezery, ale kolejnice se na koncích šikmo sbrousí a ohnou a vznikne tak dilatační spoj dvou šikmých konců kolejnic, viz přiložené obrázky č. 2 a 3.

Kvůli zabezpečovacímu zařízení stanic i tratí se kolejnice musí na některých místech přerušit a udělat v nich elektrické izolační spojky. To by ve svařované kolejnici vůbec nešlo starým způsobem udělat, protože by vznikla v kolejnici mezera s nekontrolovanou dilatací. Současná konstrukce izolační spojky se řeší tak, že se dva asi dvoumetrové kusy kolejnice slepí epoxydovým lepidlem, samozřejmě se z boku na kolejnici přilepí izolační příložky, skrz které se prošroubují šrouby skrz izolované vložky tak, aby se nenarušila izolace. Hotové izolační spojky kolejnic připravené na vevaření do kolejnic zachycuje poslední přiložený obrázek.