Подшпальная прокладка и способ ее изготовления, устройство железнодорожной шпалы с закрепленной в ней подшпальной прокладкой и способ соединения подшпальной прокладки с железнодорожной шпалой
SLEEPER PAD AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE, CONSTRUCTION OF RAILWAY SLEEPER WITH SLEEPER PAD FIXED IN IT AND METHOD FOR CONNECTING SLEEPER PAD WITH RAILWAY SLEEPER

Настоящая группа изобретений относится к подшпальной прокладке (амортизатору), предназначенной для амортизации шпалы во время прохождения железнодорожного состава с целью продления жизненного цикла балластного слоя за счёт снижения жёсткости подрельсового основания и уменьшение давления на балласт, которая прикрепляется со стороны подошвы шпалы, в частности, подошвы бетонной или железобетонной шпалы, опирающейся на балластный слой (балластную призму), а также к способу изготовления подшпальной прокладки, к устройству железнодорожной шпалы с закрепленной в ней подшпальной прокладкой и способу соединения подшпальной прокладки с железнодорожной шпалой.
Балластный слой относится к верхнему строению пути, как правило, состоит из щебня и/или гравия и предназначен для восприятия давления от шпал, на которые, в свою очередь, через посредство промежуточных скреплений и рельсов передают нагрузку колеса подвижного состава, и по возможности равномерно распределять это давление на поверхность земляного полотна, служить связующей средой для отдельных шпал в целях оказания сопротивления горизонтальным силам, появляющимся в колее при движении поезда как вдоль пути (угон пути), так и поперек пути (сдвиг пути), отводить воду с поверхности пути после дождей и таяния снега. Наличие подшпальных прокладок позволяет демпфировать динамические добавки сил инерции, возникающие при движении подвижного состава по рельсам из-за наличия непрерывных и изолированных неровностей пути и колес, повышать комфорт проезжающих в поезде пассажиров и снижать загрязнение балласта из-за износа и окалывания трущихся щебенок.
Подшпальная прокладка, также именуемая подкладкой под шпалу и подшпальным амортизатором, представляет собой упругий слой, который относится к верхнему строению железнодорожного пути и располагается с нижней стороны железнодорожной шпалы на балластном слое.
Подшпальная прокладка обеспечивает возможность адаптации к поверхности балластного слоя за счет частичного вдавливания щебенок в прокладку. Благодаря этому увеличивается площадь контакта поверхности, воспринимающей нагрузку, и уменьшаются контактные напряжения в частицах балласта (щебенках). В частности, могут быть уменьшены сжимающие напряжения в балласте, особенно в области его контакта со шпалой, поскольку площадь контактной поверхности увеличена за счет вдавливания частиц щебня в подшпальный амортизатор. Кроме того, за счет вдавливания частиц щебня в подшпальный амортизатор увеличивается сопротивление сдвигу шпалы в горизонтальной плоскости.
Известны прокладки под шпалу, содержащие продолговатые (на всю ширину прокладки) симметричные выступы, расположенные на плоской поверхности прокладки перпендикулярно основанию, поверхность которых в поперечном сечении имеет грибовидный профиль (патент US 7278588, опубл. 11.05.2006) [1], (патентный документ DE 102004011610 А1, опубл. 29.09.2005) [2],
Недостатком данных прокладок является форма выступов, которая не дает возможность увеличить замкнутое геометрическое соединение с подошвой шпалы по всех направлениях, в связи с чем в направлении оси выступов, равноудаленной от высоты и ширины выступов, сцепление со шпалой осуществляется только за счет адгезии. Кроме того, место соединения ножки продолговатого грибовидного выступа с плоской поверхностью прокладки образует прямой угол, являющийся концентратором напряжения, снижающим долговечность прокладки.
Известна прокладка под шпалу, содержащая продолговатые выступы, расположенные на плоской поверхности прокладки перпендикулярно основанию, поверхность которых в поперечном сечении имеет грибовидный профиль (патентный документ EP 1186709 В1, опубл. 13.03.2002) [3].
Недостатком данных прокладок является форма выступов, аналогичных гарпуну с острыми концами по бокам, которая является концентратом напряжений в бетоне, что снижает долговечность самой шпалы, в которой эти выступы закреплены. Кроме того, указанная форма не создает замкнутое геометрическое соединение с подошвой шпалы во всех направлениях, в связи с чем в направлении оси выступов, равноудаленной от высоты и ширины выступов, сцепление со шпалой осуществляется только за счет адгезии.
В дальнейшем под бетоном понимается изделие, содержащее бетон, в том числе железобетон.
Известна подшпальная прокладка, содержащая сквозные отверстия, расположенные на плоской поверхности прокладки (полезная модель RU 188195, опубл. 02.04.2019) [4].
Согласно описанию, наличие отверстий препятствует смещению и выскальзыванию прокладки из-под шпалы, за счет того, что, отверстия прокладки соответствуют минимальному размеру фракции щебня, применяемого для балластного слоя железных дорог, щебень, попадая в отверстия прокладки и застревая в них, препятствует ее смещению в горизонтальной плоскости и при этом не требует специального крепления к шпале, например, в виде приклеивания, крепления к шпале различными специальными приспособлениями, крепления за счет изменения конструкции шпалы и т.д.
Данные отверстия по отношению к отверстиям в предлагаемой прокладке имеют другое назначение. Они предназначены для удержания подкладки на поверхности балластного слоя (балластной призмы) за счет вхождения элементов этого слоя в отверстия прокладки.
Конечно, отверстия в предлагаемой прокладке могут также препятствовать смещению прокладки относительно балластного слоя, однако основное их назначение, это быстрая и точная ориентация прокладки относительно контура бетонной поверхности в процессе соединения прокладки со шпалой.
Недостатком указанной конструкции подшпальной прокладки является именно отсутствие элементов крепления к шпале, что может привести к ее смещению и снижению ее амортизационных свойств в процессе эксплуатации пути и, в особенности, при его периодической выправке.
Известна подшпальная прокладка, предназначенная для соединения со шпалой, выполненная в виде двухслойной (двухкомпонентной) полимерной пластины, слои которой соединены между собой, содержащая в одном слое вертикально расположенные элементы крепления, предназначенные для геометрического замыка ния и адгезионного сцепления со шпалой, в которой элементы крепления выполнены в виде тел вращения грибообразной формы, в которой ножка каждого элемента крепления содержит два плавно расширяющихся вогнутых участка в направление опорной и головной части эле мента крепления, сопряженные с цилиндрическим участком, расположенным между ними, расположенный выше конический участок поверхности с обратным конусом, сопряженный с плавно расширяющемся вогнутым участком, расположенным ближе в верхней части ножки, имеющей плоский участок на верхней части (патент DE 69714932 T2, опубл. 30.09.1997) [5].
Недостатком данного устройства является наличие на элементах крепления круговой острой кромки, образованной конической поверхностью с обратным конусом и плоской поверхнос тью верхней части, создающей концентратор напряжений в бетонной шпале, выполнение тел элементов крепления полыми, что усложняет их изготовление и препятствует образованию в центральной части вершины выступа плоского участка поверхности, а также отсутствие отверстий для ориентации подшпальной прокладки в процессе ее соединения с бетонной шпалой.
Известен способ изготовления прокладки под железнодорожную шпалу, в котором между первым эластичным слоем и вторым эластичным слоем расположен армирующий слой, при этом второй эластичный слой образует внешнюю поверхность прокладки, а армирующий слой содержит волокнистый материал (патент АТ 506529 В1, опубл. 15.05.2010) [6].
Недостатком данного способа является высокая трудоемкость, наличие многовременных затрат и дополнительные производственные расходы, связанные с многостадийностью процесса, включающего изготовление двух слоёв прокладки и их последующее соединение с армирующим слоем, содержащим волокнистый материал, а также само наличие дополнительного армирующего слоя, что увеличивает себестоимость подшпальной прокладки.
Известен подшпальный амортизатор для железнодорожной шпалы, опирающейся на балластную призму, содержащий первый слой и второй слой, причем первый слой расположен в или на втором слое и образует систему сцепления, предназначенную для совмещения и соединения с железнодорожной шпалой, при этом первый слой содержит профилированный элемент, который снабжен, по меньшей мере, одной выемкой, причем в установленном положении на железнодорожной шпале профилированные элементы вытянуты в направлении рельсового пути или под углом к рельсовому пути, лежащим в пределах 30 -60°(см. патент RU 2704761 C1, опубл. 30.10.2019) [7].
Аналогичная конструкция описана в патенте на изобретение АТ 505117 В1 [8].
Из [7] известен также способ получения подшпального амортизатора (прокладки), содержащего первый слой и второй слой, причем первый слой образует систему сцепления, предназначенную для совмещения/соединения с железнодорожной шпалой, причем первый слой образован множеством профилированных элементов, которые снабжены, по меньшей мере, одной выемкой, причем профилированные элементы проходят в направлении рельсового пути или под углом к рельсовому пути, лежащим в пределах 30-60°, при этом длина выемки профилированного элемента в продольном направлении превышает протяженность профилированного элемента в поперечном направлении, перпендикулярном продольному направлению, при этом указанный способ включает в себя следующие стадии:
- подготовку первого слоя;
- подготовку второго слоя;
- совмещение и соединение профилированных элементов со вторым слоем.
Подготовка профилированного элемента может предусматривать его вырезание или вырубку из пластины, полученной, например, методом литья или экструзии. В частности предусмотрено, что выемки вырубаются в профилированном элементе. Впрессованные таким способом выемки могут предпочтительно использоваться в готовом подшпальном амортизаторе в качестве системы сцепления. Более того, в процессе производства подшпального амортизатора или во время подачи подшпального амортизатора такие выемки могут быть эффективно использованы для подачи профилированного элемента или подшпального амортизатора, например, с помощью средств подачи, входящих в зацепление с выемками и подаваемым профилированным элементом или подшпальным амортизатором. Соединение может выполняться, например, прессованием, в частности, непрерывным или прерывистым способом прессования двух слоев. Согласно одному из вариантов осуществления описываемого изобретения вулканизация первого и/или второго слоя выполняется во время или после прессования.
По меньшей мере, двухслойная конструкция обеспечивает преимущество, состоящее в том, что она позволяет получить два слоя -
и, в частности, совершать с ними различные манипуляции - по отдельности, а это существенно упрощает технологию производства подшпального амортизатора.
Недостатком данного способа является сложность изготовления, при котором для получения профильных элементов замкнутой формы используют заготовки в виде полос, в каждой из которых вырезают или вырубают или иным способом изготавливают сквозные отверстия, с последующим соединением полос между собой, что приводит к многостадийности процесса, требует дополнительные приспособления для вырубки или вырезания сквозных поперечных от верстий и операции для исключения или уменьшения концентрации напряжений в бетоне путем сглаживания острых участков формы между отверстием и наружной поверхностью выступов.
Согласно описанию [7] выступы, образующие геометрическое замыкание их с бетоном шпалы, могут иметь другие формы, например, тавровой или двутавровой балки, гофрированную или зигзагообразную. Согласно описанию одного из вариантов осуществления изобретения [7] предусмотрено, что профилированный элемент, помимо наличия выемки, характеризуется наличием концевой заделки в форме свода, грибовидной и/или изогнутой формы на своем конце, обращенном в сторону от первого слоя, при этом выемки характеризуются, по существу, квадратной, дугообразной и скругленной формой.
Описание конкретной формы выступов, позволяющих выполнить их одновременно с формированием слоев и их сцеплением между собой без дополнительных операций, в [7] отсутствует.
В описании [7] также отсутствуют сквозные технологические отверстия в прокладке, обеспечивающие ориентацию данной прокладки относительно бетонной шпалы с помощью металлических закладных элементов, обеспечивающих сокращение времени на ориентацию ее относительно подошвы бетонной шпалы, и фиксацию от сдвига при соединении со шпалой, особенно в процессе её изготовления.
Известна железобетонная шпала, имеющая упругие элементы из полимерного материала, расположенные на подошве шпалы в подрельсовых ее частях, в которой упругие элементы выполнены в виде прокладок, закрепленных в шпале путем втапливания их в свежеуложенный бетон при формовании шпал (см. патент на полезную модель RU 76649 U1, опубл. 27.09.2008) [9].
Из чертежа [9] следует наличие двух сквозных отверстия, проходящих через полимерный материал и бетон шпалы. Сведения о назначение этих отверстий в [9] не содержаться. Можно только предположить, с учетом того, что они проходят сквозь тело бетонной шпалы вертикально, что они предназначены для снижения влажности в балластном слое путем вентиляции.
К недостаткам [9] относится отсутствие геометрического замыкания в соединении прокладки со шпалой, что приводит к снижению долговечности прокладки.
Известно также, что в процессе прессования или литья под давлением высокополимерный эластичный материал получает геометрическую модификацию поверхности в качестве первоначальной формы. Для этого в процессе прессования или литья под давлением из высокополимерного эластичного материала формируются шиповидные и/или ребристые возвышения. После охлаждения высокополимерного эластичного материала с шипами и/или ребристыми возвышениями он обрабатывается инструментом горячей штамповки. На шиповидные и/или ребристые возвышения, расположенные примерно вертикально, давя т горячим формовочным инструментом и, таким образом, деформируют шиповидные и/или ребристые возвышения с получением грибовидных и/или Т-образных и/или изогнутых форм возвышений. Благодаря небольшому давлению инструмента горячей штамповки возвышения в верхней части получают больший диаметр (см. патент DE 10 2004 011 610 A1, опубл. 29.09.2005) [10].
Согласно [10], в процессе прессования или литья под давлением высокополимерный эластичный материал получает геометрическую модификацию поверхности в качестве первоначальной формы. Для этого в процессе прессования или литья под давлением из высокополимерного эластичного материала формируются шиповидные и/или ребристые возвышения. После охлаждения высокополимерного эластичного материала с шипами и/или ребристыми возвышения он обрабатывается инструментом горячей штамповки. На шиповидные и/или ребристые возвышения, расположенные примерно вертикально, слегка прессованным давлением давят горячим формовочным инструментом и, таким образом, деформирует шиповидные и/или ребристые возвышения в грибовидные и/или Т-образные и/или изогнутые возвышения. Благодаря легкому давлению инструмента горячей штамповки возвышения в верхней части получают больший диаметр. Если высокополимерный эластичный материал, изготовленный этим методом, связать с бетоном таким образом, чтобы он мог беспрепятственно проникать между всеми возвышениями, то создается композитная система, которая гарантирует, что после отверждения бетона будет обеспечена прочная связь между высокополимерным эластичным материалом и бетоном.
К недостаткам [10] в отношении подшпальной прокладки следует отнести то, что она является однослойной, что не дает возможности подобрать высокополимерный эластичный материал с такой жёсткостью, чтобы обеспечить одновременно его виброустойчивость к колебаниям во время прохождения железнодорожного состава , надежность и долговечность опоры на балластный слой.
Кроме того, к недостаткам [10] относится то, что грибовидные выступы у основания содержат прямой или острый угол, что создает концентрацию напряжений в прокладке в этих местах, снижающую ее долговечность, а отсутствие двух отверстий в прокладке приводит к увеличению времени ее ориентации в позицию для внедрения в бетонную полужидкую или жидкую массу, при этом в процессе внедрения, при отсутствии отверстий в прокладке и закладных элементов в бетонной массе прокладка может сместиться относительно ее проектного положения.
Ближайшим аналогом устройства и способа изготовления подшпальной прокладки, а также устройства шпалы с подшпальной прокладкой и способа соединения подшпальной прокладки с бетонной шпалой являются устройства и способы, описанные в [9].
Техническая задача заявленного изобретения заключается в создании подшпальной прокладки, предназначенн ой, в частности, для железнодорожной шпалы, опирающейся на балластную призму, способа получения подшпальной прокладки, создании железнодорожной шпалы, соединенной с подшпальной подкладкой, а также способа соединения ее с железнодорожной шпалой, содержащей бетон, в которых устранены указанные недостатки аналогов.
Технический результат изобретения заключается в повышении надежности, долговечности соединения подшпальной прокладки со шпалой и в повышении производительности при ее изготовлении и соединении со шпалой, за счет отсутствия на поверхностях выступов и переходных поверхностей между выступами и поверхностью прокладки, на которой они расположены, не скругленных углов, а также за счет наличия в прокладке двух отверстий для ориентации относительно бетонной массы шпалы в проектное положение и фиксации ее в этом положении при виброуплотнении бетонной массы под нагрузкой через прокладку, обеспечивающих отсутствие возможности ее смещения от этого положения до получения готового композитного изделия.
Технический результат изобретения в отношении способа изготовления двухкомпонентной подшпальной прокладки заключается в повышении производительности за счет совмещения в одном процессе формования выступов и соединения слоев прокладки.
Технический результат изобретения в отношении способа изготовления бетонной шпалы с подшпальной прокладкой заключается также в повышении производительности и качества соединения за счет ориентации прокладки относительно контура бетонной массы с помощью двух отверстий в подшпальной прокладке, предназначенных для ориентации прокладки относительно бетонной массы с помощью закладных элементов в ней, расположенных на расстояни и, равном межосевому расстоянию в прокладке, и имеющих наружные размеры, соответствующие диаметру этих отверстий, за счет чего обеспечивается отсутствие возможности смещения прокладки относительно проектного положения в процессе внедрения прокладки в бетонную массу и виброуплотнения бетона с нагрузкой через прокладку.
На фиг. 1 представлен общий вид подшпальной прокладки со стороны выступов (в изометрии).
На фиг. 2 – увеличенный фрагмент подшпальной прокладки со стороны выступов.
На фиг. 3 – чертеж подшпальной прокладки (вид со стороны выступов).
На фиг. 4 – чертеж подшпальной прокладки (вид со стороны без выступов).
На фиг. 5 – чертеж выступа с размерами радиусов скруглений.
На фиг. 6 – чертежи выступов с размерами, в зависимости от места расположения.
Подшпальная прокладка 1 состоит из полимерного двухслойного материала (двухкомпонентная) и предназначена для соединения со шпалой. Смежные слои прокладки соединены между собой и отличаются по степени жёсткости.
Один слой содержит вертикально расположенные выступы 2, выполненные в виде тел вращения грибообразной формы. Переходные участки поверхностей каждого выступа от одного тела вращения к другому на всех поверхностях, а также на переходных участках между выступами и поверхностью прокладки, на которой они расположены, выполнены скругленными (фиг.2, 5 и 6). Выступы выполнены монолитными, скругленные переходные участки выполнены на всех переходных участках, в том числе на верхней и нижней частях выступов, а также на переходных участках между основаниями выступов и поверхностью, на которой они расположены. В средней части прокладки вдоль длинной стороны выполнены два сквозных отверстия 3.
Слой, содержащий вертикально расположенные выступы, предназначен для гашения вибраций, возникающих при движении подвижного состава.
Слой, свободный от выступов, предназначен для сцепления с балластом и имеет жёсткость, достаточную для защиты слоя с выступами и бетонной шпалы от воздействия острых граней ще бенок.
Подшпальная прокладка может быть выполнена прямоугольной или - с одной стороны прямоугольной, а с другой – трапециевидной, в зависимости от формы опорной поверхности шпалы.
Расстояния между выступами на прямоугольном участке прокладки являются одинаковыми, при этом все размеры выступов по высоте и боковые размеры у всех выступов одинаковые, то есть выступы выполнены идентичными.
На трапециевидном участке прокладки, за исключением высоты, размеры выполнены ступенчато уменьшающимися пропорционально уменьшению ширины трапециевидного участка.
Оптимальное количество выступов на 100 см2 прокладки для достижения максимального технического результата составляет 23 шт., которые равномерно распределены на прямоугольной поверхности прокладки.
Длина прокладки находится в пределах 450-1350 мм, ширина – 250- 300 мм, толщина, без учета выступов, – 4-50 мм.
Полимерный слой, свободный от выступов, имеет величину жёсткости, соответствующую номинальному статическому модулю упругости в диапазоне от 0,05 до 2 Н/мм3, что соответствует коэффициенту постели кгс/м3.
Формование выступов и соединение слоев производят в одном процессе. Для этого используется форма с выдвижными элементами для формирования грибообразных выступов.
В форму закладывают заготовки слоев в виде двух сырцов (подготовленные листы полимерных заготовок, предварительно полученных в смесителе и раскатанных на вальцах), далее форму закрывают и под определёнными давлением и температурой, которые определяются экспериментально, в зависимости от используемых полимерных материалов, за счёт нагрева материала запускается процесс соединения листов между собой с одновременным формированием выступов грибовидной формы.
После окончания процесса формирования и соединения верхнюю часть формы поднимают, при этом выдвижные элементы, формирующие грибообразные выступы, в начале подъема остаются вместе со сформированными выступами в нижней части формы. В процессе подъема верхней части формы указанные выдвижные элементы раздвигаются в поперечном направлении, обеспечивая высвобождение из них выступов. После этого верхнюю часть формы останавливают и выдвижные элементы поднимают в верхнюю часть формы до плотного соединения между собой и верхней частью формы.
Готовое изделие удаляется, в форму закладывают следующие заготовки, после чего верхнюю часть форму перемещаю вниз. При этом элементы, формирующие грибообразные выступы, остаются неподвижными до тех пор, пока не переместятся в углубления формы. После этого элементы, формирующие грибообразные выступы, перемещаются вместе с верхней частью формы.
Желательно, чтобы поверхности углублений имели такую же форму, как и наружные поверхности элементов, формирующих грибообразные выступы. Предпочтительнее всего, чтобы эти поверхности были выполнены в виде усеченного конуса, а элементы, формирующие грибообразные выступы, состояли как минимум из двух осесимметричных частей.
Отверстия 3 для ориентации прокладки и удерживания ее от смещения в процессе внедрения в бетон могут быть выполнены путем вырубки или в форме - одновременно с формированием прокладки, путем изготовления в форме выступов для образования указанных отверстий.
Изготовление бетонной шпалы с подшпальной прокладкой осуществляют следующим образом.
В форму для изготовления шпалы устанавливают на расстоянии друг от друга, соответствующем расстоянию между отверстиями 3 в прокладке, два закладных элемента такой длины, чтобы они выступали над поверхностью бетона, в форму заливают бетонную массу, прокладку ориентируют путем надевания отверстиями 3 на выступающие концы.