ШПАЛА

Полезная модель относится к области железнодорожного строительства, а именно к конструкциям подрельсовых оснований технологический путей, укладываемых в районах промышленных предприятий, в которых обращается подвижной состав с повышенными поездными нагрузками.
Известна конструкция шпалы (RU №102621, Е01В 3/42, 10.03.2011 г.), содержащая верхнюю и нижнюю постели, выполненная из железобетона, но снабженная демпфирующими элементами из древесины, установленными в местах опирания на нее рельсов для смягчения динамических нагрузок, передаваемых от колес подвижного состава на основание. Снижение уровня динамического взаимодействия между колесами экипажей и рельсошпальной решеткой уменьшает интенсивность износа металлических элементов пути и подвижного состава, что особенно важно для путей на железобетонных шпалах, где из-за жесткости подрельсового основания этот уровень динамического взаимодействия особенно высок.
Недостаток конструкции дает о себе знать на заводских путях, по которым обращаются экипажи с нагрузками на ось в 2-2,5 раза превышающими нагрузки дорог общего пользования. Под этими нагрузками происходят остаточные деформации рельсовых подкладок. Изогнутые подкладки врезаются в древесину. Короткие ее куски не просто истираются. Они расщепляются и рассыпаются, теряя свои демпфирующие свойства в первые же дни эксплуатации.
Недостатком конструкции, ограничивающим область ее применения, является чрезвычайно низкая износостойкость демпфирующих элементов из-за их сравнительно небольших геометрических размеров.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению, является конструкция шпалы (RU №2340716, Е01В 3/02, 10.12.2008 г.), содержащая верхнюю и нижнюю постели, накрытая сверху жестко закрепленной на ней металлической полосой с двумя подкладками, зафиксированными в местах опирания рельсов, и крепежные детали для соединения этих элементов между собой. Шпала, выполненная из цельного бруса, позволяет более полно использовать характеристики прочности и износостойкости древесины, чем короткие деревянные фрагменты, вставленные в углубления бетонной шпалы конструкции аналога. Металлическая полоса распределяет нагрузку от рельсов почти на всю длину шпалы. Это сводит к минимуму сжимающие напряжения в шпале и интенсивность износа древесины. Кроме того, полоса совместно с подкладками надежно сопротивляется изгибу. Отсутствие остаточных деформаций полосы и подкладок также способствует сохранности древесины.
Однако, само наличие металлических полос является причиной негативных факторов, снижающих эффективность работы шпалы и ее технико-экономические показатели в сравнении с деревянными шпалами традиционной конструкции. Эти факторы заключаются в следующем:
1. В процессе эксплуатации под металлической полосой износ древесины происходит с образованием углубления в шпале, соответствующего размерам и форме самой полосы в плане. Во время атмосферных осадков это углубление заполняется водой, которая впитывается в стенки и дно углубления. Повышение влажности древесины приводит к снижению ее характеристик прочности и износостойкости. Аналогичный процесс происходит в шпалах, не прикрытых полосой. Только там углубления образуются в пределах небольших участков - под подкладками. А в нашем случае полоса распространяется почти на всю длину шпалы. Увлажнение древесины происходит не только у концов, но и в средней ее части, где снижение прочностных свойств для шпалы, работающей на изгиб, при повышенных нагрузках, особенно опасно для ее несущей способности.
2. Шпала, у которой рельсовые нитки не изолированы друг от друга не может быть использована на путях, предназначенных для включения в систему электроцентрализации и автоблокировки. В рассматриваемой конструкции металлическая полоса нарушает эту изоляцию, что исключает возможность ее применения в сфере автоматического управления перевозочными процессами. Это вступает в противоречие с современными тенденциями по автоматизации транспорта.
3. Элементарные расчеты показывают, что даже под повышенными нагрузками металлическая полоса обладает излишними запасами прочности, что при рациональном распределении материала конструкции позволит получить экономию за счет снижения ее металлоемкости.
Таким образом, недостаток конструкции заключается в том, что один из ее элементов, - металлическая полоса, - не в полной мере отвечает своему функциональному назначению повышения срока службы деревянной шпалы, исключает возможность использования конструкции в системах автоматизированного управления транспортными процессами и снижает экономичность конструкции в целом.
При разработке полезной модели решалась задача создания конструкции деревянной шпалы повышенной износостойкости и экономичности в изготовлении, пригодной для укладки в пути, предназначенные для включения в системы электрической централизации и автоблокировки.
Технический результат достигается тем, что шпала, содержащая верхнюю и нижнюю постели, накрытая сверху жестко закрепленной на ней металлической полосой с двумя подкладками, зафиксированными в местах опирания рельсов, и крепежные детали для соединения этих элементов между собой, шпала обращена нижней постелью вверх, а металлическая полоса разделена на две одинаковые части, каждая из которых имеет ширину не менее ширины шпалы, а длина L и толщина Н определяются из следующих соотношений:
max
где P - максимальная вертикальная сила, передаваемая на шпалу от подвижного состава, н;
b - ширина шпалы, мм;
Д
[σ] - допускаемое напряжение на сжатие древесины шпалы, МПа;
max
M - максимальный изгибающий момент, возникающий в опасном сечении при совместном изгибе подкладки вместе с полосой, н мм;
n
b - ширина металлической полосы, мм;
C
[σ] - допускаемые растягивающие напряжения при изгибе стали, МПа;
h - толщина подкладки в опасном сечении, мм.
Сущность предлагаемого технического решения разъясняется с помощью чертежей:
фиг.1. Общий вид деревянной шпалы предлагаемой конструкции.
фиг.2. Ее поперечное сечение А-А.
n
0
u
0
п
Шпала 1 содержит верхнюю 2 и нижнюю 3 постели. Самой широкой своей гранью, какой является ее нижняя постель 3, она обращена вверх, чтобы обеспечить возможность любому участку опирающейся на нее полосы 4 взаимодействовать с ней по возможности большей площади 5 контакта. В отличие от прототипа, в данной конструкции полоса 4 не распространяется на всю длину шпалы 1, а разделена на два участка 6 и 7. Ширина b каждого из них не менее ширины b шпалы 1. Опыт показывает, что когда рельс 8 опирается на шпалу 1 только через подкладку 9, ширина которой b меньше ширины b шпалы 1, то износ древесины происходит с образованием углубления 10, имеющего ширину b, равную ширине b подкладки 9. Оно показано на фиг.2 пунктиром. Стенки 11 постоянно удерживают внутри этого углубления 10 воду, скапливающуюся во время дождей. Вода постепенно пропитывает древесину, снижая ее характеристики прочности и износостойкости в подрельсовой зоне, где шпала 1 испытывает наибольшие сжимающие напряжения и подвергаются наиболее интенсивному механическому износу. Этот процесс хорошо изучен на путях общего пользования, но там он происходит на коротких участках в пределах рельсовых подкладок 9, а в конструкции прототипа углубление 10 распространяется почти на всю длину шпалу, включая ее среднюю часть 12 между рельсами 8 и снижает несущую способность шпалы 1 при работе на изгиб. В предлагаемой конструкции металлическая полоса 4 разделена на две одинаковые части 6 и 7, ширина b, каждой из которых не менее ширины b шпалы 1, чтобы износ древесины не приводил к образованию углубления 10. Остальные размеры частей 6 и 7 выполнены оптимальными с точки зрения прочности и металлоемкости. Длина L каждой из них вдоль шпалы 1 определена из условия прочности древесины на сжатие:
где  - максимальное сжимающее напряжение в подрельсовой зоне шпалы, МПа;
- допускаемое напряжение сжатия древесины шпалы, МПа.
max
где P - максимальная вертикальная сила, передаваемая на шпалу 1 от подвижного состава, н;
L - длина каждой части 6 и 7 полосы 4, мм;
b - ширина шпалы 1, мм;
В соответствии с (1):
откуда
Толщина металлической полосы 4 определена из условия прочности ее на изгиб:
где  - максимальное растягивающие напряжение полосы 4 при изгибе, МПа;
C
[σ] - допускаемые растягивающие напряжения при изгибе стали, МПа.
max
где M - максимальный изгибающий момент, возникающий в опасном сечении В-В при совместном изгибе подкладки 9 вместе с полосой 4, н мм;
3
W - момент сопротивления изгибу подкладки 9 совместно с полосой 4, мм;
n
где b - ширина металлической полосы 4, мм;
Н - толщина металлической полосы, мм;
h - толщина подкладки 9 в опасном сечении В-В, мм.
У подкладки 9 с подуклонной самое тонкое сечение В-В находится внутри колеи на краю опорной площадки 12 под рельс 8. Это и есть опасное сечение В-В.
В соответствии с (5):
После подстановки (7) в (8), получаем:
откуда
При выборе из сортамента стальной полосы 4 ее ширину b и толщину Н можно принимать как ближайшую большую к расчетной без последующей подгонки к номинальным размерам. Это позволит обойтись без дополнительных трудозатрат на механическую обработку полосы.
Устройство работает следующим образом:
В процессе эксплуатации деревянных шпал 1 предлагаемой конструкции на их поверхностях не будут образовываться углубления 10, удерживающие воду. Напротив, при проходе через шпалу 1 каждой колесной пары (на фиг. не показано) излишняя влага, содержащаяся в годичных слоях древесины будет выдавливаться в обе стороны из-под металлической полосы. Это предотвратит насыщение древесины влагой и будет способствовать сохранению ее физико-механических характеристик прочности и износостойкости. Изменение условий взаимодействия шпалы 1 с металлической полосой 4 и оптимизация соотношений прочности и металлоемкости последней повысит экономичность конструкции, а разделение металлической полосы 4 на две самостоятельные части 6 и 7 гарантирует взаимную изоляцию друг от друга рельсов 8 и обеспечит возможность применения шпал 1, предлагаемой конструкции на путях, предназначенных для ввода в системы электроцентрализации и автоблокировки.