ШПАЛА

Полезная модель относится к области железнодорожного строительства, а более конкретно - к верхнему строению железнодорожного пути, и может быть использована при изготовлении шпал из композитного материала.
Известны различные шпалы, отличающиеся выполнением тех или иных конструктивных элементов и материалом для их изготовления.
Ранее получили, например, широкое распространение деревянные шпалы (например, Ефименко Ю.И. и др. Общий курс железных дорог. М., «Академия», 2005, с. 55-56). Такие шпалы относительно хорошо выдерживают статические и динамические нагрузки, однако они сильно подвержены воздействию грибков и атмосферным воздействиям и поэтому недолговечны, требуют частого наблюдения и обслуживания для предотвращения аварий. Использование для повышения их долговечности консервантов, преимущественно креозота, делает их экологически опасными. Такие шпалы неперспективны и с точки зрения уничтожения лесных запасов для производства шпал.
Получили распространение также бетонные (например, RU 2353724 С1, 2009) и железобетонные (например, RU 2293810 С1, 2007) шпалы. Однако такие шпалы имеют значительный вес, неудобны в установке, эксплуатации и обслуживании, имеют высокую себестоимость изготовления. Кроме того, они обладают повышенной жесткостью, со временем растрескиваются, имеют низкую коррозионную стойкость, что при эксплуатации приводит к появлению дефектов пути и уменьшению срока его службы до ремонта. Такие шпалы требуют частого наблюдения и обслуживания.
Улучшение основных эксплуатационных характеристик шпал обеспечивает использование в качестве их материала полимерных композиций. Известны шпалы с различными полимерными композициями. Известна, например, шпала, выполненная в форме бруса, в качестве композитного материала которой использована полимерно-песчаная смесь (RU 112204 U1, 2012). Известны шпалы из композитного материала на основе полистирола и полиолефиновых компонентов (например, US 6191228 В1, 2001). Такие шпалы имеют низкую себестоимость изготовления, обладают хорошими показателями прочности, износостойкости и высокой точностью геометрических характеристик. Общим недостатком таких шпал является недостаточная устойчивость к продольным и поперечным смещениям при эксплуатации.
Для повышения такой устойчивости используют различные технические приемы, преимущественно заключающиеся в выполнении в нижней (опорной) грани шпалы углублений, например, в виде ячеек.
2
Известна, например, шпала, выполненная трапецеидальной формы из композиционного полимерного материала и содержащая металлическую арматуру, в которой поверхность ее нижней грани выполнена в виде ячеистой сотовидной структуры с ячейками площадью 14-20 см под элементы балласта верхнего строения пути (RU 132452 U1, 2013). Наличие ячеек повышает сцепление с балластом верхнего строения пути, однако большой размер ячеек не позволяет обеспечить наилучшее сцепление из-за эффекта проскальзывания фракций (частей) балласта одна относительно другой. Выполнение ячеек только на одной из граней не позволяет достичь наибольшего сцепления шпалы с балластом. Кроме того, наличие ячеек снижает прочностные характеристики шпалы, для повышения которых используют дополнительную металлическую арматуру.
Из известных шпал наиболее близкой к предложенной является шпала, выполненная в форме удлиненного прямоугольного параллелепипеда из полимерного композита, образованного армирующим наполнителем, в качестве которого выбран тальк, и полимерной матрицей, представляющей собой смесь полимеров, в качестве которых выбраны полиэтилен высокой плотности, полиэтилен низкой плотности, полипропилен и линейный полиэтилен низкой плотности (US 20050031848 А1, 2005). В этой шпале все грани выполнены сплошными. Для полимерного композита помимо полиэтилена высокой плотности (HDPE), полиэтилена низкой плотности (LDPE), полипропилена (РР) и линейного полиэтилена низкой плотности (LLDPE) могут использоваться также поливинилхлорид (PVC), этиленвинилацетат (EVA), полиэтилен с высоким молекулярным весом (HMW) и акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS). При этом возможны их различные комбинации.
Однако такая шпала недостаточно устойчива на пути из-за низкого сцепления ее нижней и боковых сплошных (гладких) граней с верхним балластом пути, что снижает ее эксплуатационную эффективность. При этом со временем под действием атмосферных процессов и динамических нагрузок от подвижных единиц железнодорожных составов снижается прочность крепления рельсов к шпалам, уменьшается стабильность положения рельсошпальной решетки и ухудшается балансировка рельсового пути.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, состоит в создании шпалы, лишенной недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении эксплуатационной эффективности шпалы за счет улучшения ее устойчивости на верхнем балласте пути с одновременным обеспечением ее высоких прочностных характеристик и их высокой стабильности при различных условиях эксплуатации.
Это достигается тем, что в шпале, выполненной в форме удлиненного прямоугольного параллелепипеда из полимерного композита, образованного армирующим наполнителем, в качестве которого выбран тальк, и полимерной матрицей, представляющей собой смесь полимеров, в качестве которых выбраны полиэтилен высокой плотности, полиэтилен низкой плотности, полипропилен и линейный полиэтилен низкой плотности, в ее нижней и боковых гранях по всей их поверхности выполнены углубления с размерами, выбранными из условия обеспечения возможности захода в них отдельных фрагментов фракций верхнего балласта пути при размещении на нем шпалы, при этом отношение суммарной площади отверстий всех углублений на каждой из этих граней к площади грани выбрано от 0,06 до 0,1, а смесь полимеров дополнительно включает поливинилиденхлорид. Полимеры и тальк могут содержаться в полимерном композите при следующем соотношении компонентов: полиэтилен высокой плотности от 30 до 35 мас.%, полиэтилен низкой плотности от 15 до 20 мас.%, полипропилен от 15 до 20 мас.%, линейный полиэтилен низкой плотности от 8 до 12 мас.%, поливинилиденхлорид от 8 до 12 мас.%, тальк от 10 до 12 мас.%. В качестве входящих в состав смеси полимеров могут быть использованы переработанные полимеры из отходов соответствующих производств. Каждое из углублений может быть выполнено в форме пирамиды с прямоугольным основанием на соответствующей грани шпалы. Углубления могут быть расположены рядами, при этом углубления в каждом из рядов смещены вдоль ряда симметрично относительно углублений смежного с ним ряда.
Указанный технический результат обеспечивается всей представленной в формуле заявленной полезной модели совокупностью существенных признаков, которая достаточна для решения указанной технической проблемы и для достижения указанного технического результата. При этом все характеризующие устройство признаки, включающие конструктивные элементы и материал для его изготовления, находятся в конструктивном единстве и функционально взаимосвязаны.
На чертеже показан вид на одну из боковых граней шпалы, в которой выполнены углубления.
Шпала выполнена в форме удлиненного прямоугольного параллелепипеда из полимерного материала. Она имеет соприкасающиеся с фракциями верхнего балласта пути нижнюю (опорную) и две боковые 1 грани, а также верхнюю грань под рельсы и две торцевые грани (на чертеже показана только боковая грань 1). Полимерный материал образован армирующим наполнителем и полимерной матрицей, представляющей собой смесь полимеров. В качестве армирующего наполнителя выбран тальк. В качестве полимеров выбраны полимеры преимущественно из ряда полиолефинов. В состав смеси входят полиэтилен высокой плотности (HDPE), полиэтилен низкой плотности (LDPE), полипропилен (РР), линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE) и поливинилиденхлорид (PVDC). Их содержание в полимерном композите преимущественно может быть при следующем соотношении: HDPE 30-35, LDPE 15-20, РР 15-20, LLDPE 8-12, PVDC 8-12, тальк 10-12 мас.%. В качестве входящих в состав смеси полимеров могут быть использованы переработанные (вторичные) полимеры из отходов (пленка для упаковки пищевых и непищевых продуктов, пластиковые емкости для пищевых и непищевых продуктов, пластиковые корпуса различных изделий и проч.). В нижней и обеих боковых гранях 1 шпалы по всей их поверхности выполнены углубления 2. Размеры каждого из них выполнены из условия обеспечения возможности захода в них отдельных фрагментов фракций верхнего балласта пути, преимущественно щебеночного, при размещении на нем шпалы. Отношение суммарной площади отверстий всех углублений 2 на каждой из этих граней к ее площади выбрано от 0,06 до 0,1. Каждое из них преимущественно может быть выполнено в форме пирамиды с прямоугольным основанием. При этом каждое образованное углублением 2 отверстие в соответствующей грани является основанием пирамиды в форме прямоугольника, ориентированного большей стороной вдоль длины шпалы, который имеет, например, размеры 1×1,5 см. Углубления 2 могут преимущественно располагаться в несколько рядов, в которых углубления 2 смещены вдоль ряда симметрично относительно углублений 2 смежного с ним ряда. На нижней грани шпалы, имеющей размеры 23×18×278 см, может быть выполнено, например, пять рядов, а на каждой из боковых граней - по четыре ряда. Глубина углублений 2 может составлять 3-4 мм.
2
Для эксплуатации устанавливают шпалу на верхний балласт пути так, чтобы его фрагменты охватывали боковые грани 1. При этом в выполненные в нижней грани и в боковых гранях 1 углубления 2 заходят отдельные фрагменты фракций балласта. Чтобы обеспечить надежное сцепление шпалы с верхним балластом, общая площадь отверстий всех углублений 2 на соответствующей грани должна быть достаточно большой и составлять не менее 0,06 от площади этой грани. При меньшем значении не будет достигаться необходимая надежность сцепления. Однако оно не должно превышать величины 0,1, поскольку при этом не смогут быть обеспечены необходимые прочностные характеристики шпалы, в которой ее целостная структура «нарушена» из-за наличия углублений 2. Важно, чтобы фракции балласта не заполняли полностью углубления, а лишь заходили в них своими отдельными фрагментами (краями), в противном случае необходимое сцепление шпалы с балластным слоем не будет достигаться. Это условие легко выполняется выбором размеров углублений 2, например, площади отверстий около 1,5 см при размерах фракций 2,5-6 см. Соблюдение этих требований обеспечивает высокие вертикальную и горизонтальную устойчивость пути при воздействии статических и динамических нагрузок от единиц подвижного состава и изменяющихся условиях окружающей среды и необходимое стабильное положение рельсошпальной решетки. Обеспечить высокие прочностные показатели и другие необходимые эксплуатационные характеристики шпалы с выполненными в ней углублениями 2, нарушающими ее целостность, позволяет выбор оптимального состава полимерного композита. Введение в состав полимерного композита поливинилиденхлорида в сочетании с выбранными другими пластиками дает возможность компенсировать снижение этих характеристик и показателей. Поливинилиденхлорид является продуктом аддитивной полимеризации винилиденхлорида. Его температура размягчения составляет 185-200°C. Он легок в обработке, обладает высокой степенью де-структурирования, например, в три раза большей, чем у поливинилхлорида (PVC). Особенностью изделий из этого пластика является их высокая механическая прочность. При его использовании в смеси с другими полимерами он придает смеси выраженно высокие физико-механические свойства. Экспериментально обнаружено, что такой эффект дают даже небольшие по массе (объему) добавки в полимерный композит. Оптимальными величинами являются 8-12 мас.%, ниже которых этот эффект проявляется в меньшей степени, чем это требуется, а превышение приводит к охрупчиванию материала и снижению его эластичности. При этом важно оптимальные сочетания этого компонента с другими пластиками и армирующим наполнителем. Эмпирическим путем, подтвержденным экспериментально, установлено, что оптимальными с точки зрения достижения технического результата для шпалы с выполненными в ней углублениями 2 является сочетание указанных выше компонентов с указанным их соотношением. Так, например, при соотношении этих компонентов: HDPE 30, LDPE 15, РР 15, LLDPE 8, PVDC 8, тальк 10 мас.% модуль упругости и модуль разрыва шпалы с таким полимерным композитом составили 1210 и 15,0 МПа соответственно. При соотношении: HDPE 35, LDPE 20, РР 20, LLDPE 12, PVDC 12, тальк 12 мас.% они составили 1190 и 14,1 МПа соответственно. При соотношении: HDPE 33, LDPE 17, РР 18, LLDPE 10, PVDC 10, тальк 11 мас.% они составили 1654 и 18,6 МПа соответственно. В шпале, выполненной из полимерного композита в соответствии с выбранным прототипом, в которой выполнены аналогичные углубления 2, они составили 1155 и 12,9 МПа соответственно (при норме 1170 и 13,8 МПа соответственно).
2
Шпалы, выполненные в соответствии с полезной моделью, изготавливается, например, следующим образом. Пластиковые отходы поступают на входной контроль, при этом удаляют материалы, не используемые в составе полимерного композита - в основном это металлические и бумажные материалы. Допускается наличие металла и бумаги не более 1% каждого по отношению к объему смеси полимеров. Пластиковые отходы сортируют по типам пластика, требуемого для полимерного композита - полиэтилен высокой плотности, полиэтилен низкой плотности, полипропилен, линейный полиэтилен низкой плотности, пливинилиденхлорид. Допускается наличие иных пластиков общим объемом не более 15% по отношению к объему смеси полимеров. Сортированный пластик взвешивают для определения необходимого процентного соотношения. Подготовленную таким образом механическую смесь пластиков направляют в измельчитель (шредер) для предварительного измельчения. Далее проводят преимущественно в автоматическом режиме очистку смеси в вихретоковом магнитном сепараторе для удаления металлических составляющих. Дробят части смеси в дробилке (грануляторе). Добавляю в смесь тальк. Затем перемешанные пластиковые гранулы с добавкой талька, смешанные в требуемых пропорциях, нагревают до температуры размягчения смеси, которая немного меньше температуры ее плавления, преимущественно до температуры не выше 240°C. Нагретую смесь прессуют в форме под давлением не менее 60 кг/см, из которой после остывания выдавливают заготовку в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами преимущественно 23×18×278 см. На каждую заготовку лазером или маркером наносят идентификационный номер. Далее преимущественно в автоматическом режиме проводят рентгеновский контроль заготовок на наличие недопустимых пустот и трещин с последующей необходимой отбраковкой заготовок. Далее в каждой заготовке на ее нижней грани и обеих боковых гранях путем прокатки между снабженными зубцами вальцами выполняют углубления 2, заданные форма и размеры которых определяются формой и размерами зубцов. После этого проводят выборочные испытания шпалы из партии изготовленных шпал на излом.
3
3
-5
-5
5
Пример реализации. Партия шпал выполнена в соответствии с полезной моделью. При изготовлении шпал использованы переработанные полимеры. Поливинилиденхлорид включен в смесь полимеров в количестве 10 мас.%. Размеры каждой шпалы - ширина 23 см, высота 18 см, длина 278 см. Вес - 119 кг. Углубления 2 в нижней и боковых 1 гранях имеют на их поверхности поперечные размеры 1×1,5 см (размеры отверстий), их глубина - 3,5 мм. Количество углублений 2 на нижней грани - 330 в пяти смещенных один относительно другого рядов по 66 углублений 2 в каждом ряду, на каждой из боковых граней 1 - 264 в четырех смещенных один относительно другого ряда по 66 углублений 2 в каждом ряду. Отношение суммарной площади отверстий всех углублений 2 на нижней грани шпалы к площади этой грани составило 0,0774, а на каждой из боковых граней 1 - 0,0791. Шпалы прошли лабораторные, стендовые и полигонные испытания на экспериментальном железнодорожном кольце г. Щербинка на соответствие техническим условиям ТУ ВДМА663500.145-01. По результатам испытаний, проведенных АО «ВНИИЖТ», получены следующие величины показателей: плотность материала 1100 кг/м (при норме не менее 850 кг/м), условная прочность при растяжении 10,5 Мпа (при норме не менее 8 МПа), модуль упругости (МОЕ) 1654 МПа (при норме не менее 1170 МПа), модуль разрушения (MOR) 18,6 МПа (при норме не менее 13,8 МПа), коэффициент термического расширения 7,7×10 см/см/°C (при норме не менее 1,35×10 см/см/°C), сопротивление поперечному сдвигу шпалы в щебеночном балласте после пропуска 10 тонн брутто 3,5 кН (при норме не менее 3 кН).
Шпала, выполненная в соответствии с полезной моделью, обладает более высокой эксплуатационной эффективностью по сравнению с аналогичными известными. Она обладает повышенной устойчивостью на верхнем балласте пути, при этом обеспечивается высокие вертикальная и горизонтальная устойчивость пути при действии статических и динамических нагрузок от подвижного состава и изменении состояния окружающей среды, в том числе изменений температуры. Имеет высокие прочностные характеристики и их высокую стабильность. Это позволяет эффективно использовать ее при различных условиях эксплуатации. Она долговечна (срок службы превышает 50 лет) и удобна в обращении при изготовлении рельсового пути и при его ремонте.