УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ЩЕБЕНОЧНОГО ОСНОВАНИЯ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ
DEVICE FOR COMPACTION OF BROKEN STONE UNDERLAYER OF RAILWAY TRACK

Изобретение относится к устройству для уплотнения щебеночного основания рельсового пути с передвигающейся по машинной рамой, которая передвигается по рельсовому пути с помощью движущегося по рельсовому пути на ходовых роликах и оснащенного виброприводом для возбуждения колебания в параллельной рельсовому пути плоскости стабилизационного агрегата, причем стабилизационный агрегат, предпочтительно, оснащен обхватывающими головку рельса зажимными роликами, и причем стабилизационный агрегат шарнирно соединен с помощью установочного привода с машинной рамой с возможностью установки по высоте и выполнен с возможностью создания дополнительной нагрузки на рельсовый путь. Машина содержит обкатываемые на рельсах ролики с гребнем и зажимные ролики, причем ролики с гребнем для перемещения стабилизационного агрегата по рельсам практически без люфта подгоняются к рельсам с помощью телескопических осей.
Известными стабилизационными агрегатами, так называемыми динамическими стабилизаторами пути, в настоящее время являются вибрационные агрегаты, оснащенные механическим виброприводом, располагающим двумя зеркально перевернутыми вращающимися эксцентричными массами. При этом обе вращающиеся эксцентричные массы соединены шестернями таким образом, чтобы обеспечивалось зеркально перевернутое вращение масс вокруг соответствующих осей. При такой системе компоненты силы вибрации в вертикальном направлении взаимно уничтожаются, а компоненты силы вибрации в горизонтальном направлении, т.е. в плоскости, параллельной рельсам поперек продольного направления рельсов, усиливаются. Груды камней, как, например, железнодорожного щебня, в частности, эффективно уплотняются под воздействием горизонтальных колебаний, прежде всего, в том случае, когда частота выбирается таким образом, чтобы щебень приобретал упруго-жидкие свойства, что имеет место при частотах более 30 Гц. Динамические стабилизаторы пути служат для компенсации нерегулярных начальных оседаний пути на щебеночном основании путем целенаправленного управляемого предупреждения, для чего они устраняются заранее. Стойкость геометрического положения пути тем самым заметно повышается. В этой связи известен также совместный монтаж двух последовательно установленных эксцентричных вибрационных агрегатов в одном стабилизационном агрегате, причем оба вибрационных агрегата в этом случае для синхронизации по частоте и по фазе обычно соединены карданным валом. Воизбежание свободного вращения стабилизационного агрегата на рельсе и появления при этом в известных условиях следов дробления или чрезмерного износа на рельсах агрегаты необходимо статически подпирать относительно машинной рамы с помощью гидроцилиндров, а в дополнение к роликам с гребнем предусматривать также зажимные ролики, практически удерживающие стабилизационный агрегат на рельсовом пути без люфта.
Для управления энергией, вложенной в нижнее строение пути, известно регулируемое исполнение вращающихся эксцентричных масс, причем перемещение эксцентричной массы наружу при постоянной частоте приводит к увеличению динамически действующих сил. Существуют также измерительные устройства, показывающие отклонение от имеющегося заданного положения пути в продольном направлении полотна железной дороги. Точно так же используются измерительные устройства для измерения наклона поперечного уровня пути, например, с помощью инклинометров или физических маятников. Точно так же известно динамическое устройство постоянного действия для измерения сопротивления поперечному сдвигу, основывающееся на принципе измерения гидравлической приводной мощности механического вибрационного агрегата и ее сравнения с мощностью трения рельсового пути на щебне. При этом мощность трения рассчитывается на основе измерения дополнительной нагрузки как нормальной силы и коэффициента трения на щебне, именуемого также сопротивлением поперечному сдвигу. Таким образом, сопротивление сдвигу измеряется при этом не непосредственно, а косвенно. Сопротивление поперечному сдвигу является определяющей величиной, критической для безопасности с точки зрения сдвига сплошных сварных рельсов. Обычно сопротивление поперечному сдвигу определяется при пути сдвига 2 мм. Типичные амплитуды колебаний рельсового пути при динамических стабилизаторах пути составляют около 2-3 мм. Сопротивление поперечному сдвигу при укладке пути является одной из основных величин, критических для безопасности, и обычно определяется с помощью трудоемких измерений на отдельных шпалах, как правило, при нежелательном путевом заграждении.
Вертикальная жесткость пути определяется измерением силы, которую необходимо затратить для определенной просадки пути. Измерительные устройства, предусмотренные для этого, базируются на принципе создания статической нагрузки, обычно с помощью гидроцилиндров, воздействующих на колесные пары подвижного железнодорожного состава. В этом случае величина силы в результате просадки определяет вертикальную жесткость, являющуюся важным мерилом для оценки качества рельсового пути и его характеристики при повторно действующих массах поезда. Большие колебания жесткости пути приводят к нерегулярным просадкам под действием масс поезда и тем самым к соответствующим дефектам геометрии пути. Поскольку вертикальные жесткости весьма далеки от линейных, статически измеренная вертикальная жесткость является лишь условно информативной.
Если исходить из уровня техники вышеуказанного типа, то в основу изобретения положена задача создания устройства вышеописанного типа, имеющего более простую компактную конструкцию и допускающего при этом особенно эффективную стабилизацию рельсового пути на щебеночном основании. Согласно одному из усовершенствованных вариантов осуществления изобретения сопротивление поперечному сдвигу и вертикальная жесткость рельсового пути должны измеряться максимально просто. Кроме того, следует избегать установки резонансных частот в рельсовом пути, т.е. по мере возможности сокращать периоды времени для установки резонансной частоты.
Изобретение решает поставленную задачу за счет того, что вибрационный привод содержит по меньшей мере один образованный гидроцилиндром виброцилиндр, управляемый клапаном пропорционального регулирования или сервоклапаном.
Благодаря мерам согласно изобретению по сравнению с уровнем техники получается существенно более простая конструкция, поскольку вместо каждых двух установленных и зеркально перевернутых эксцентричных валов достаточно предусмотреть лишь по меньшей мере один виброцилиндр. Таким образом, могут отпасть также передача и карданный привод для привода эксцентричного вала. Кроме того, может отпасть трудоемкая регулировка эксцентрика для установки ударной силы, устанавливаемой при виброцилиндре просто заданием соответствующей амплитуды. Благодаря изобретению могут отпасть трудоемкое механическое возбуждение колебаний с помощью зеркально вращающихся эксцентричных масс и трудоемкая регулировка силы вибрации путем гидравлической регулировки этих эксцентричных масс. Сила вибрации в изобретении определяется амплитудой и частотой особенно компактно сконструированных виброцилиндров и таким образом вибрирующей массой. Гидроцилиндр виброцилиндра опирается, например, на стабилизационный агрегат, а поршень гидроцилиндра образует и/или несет вибрирующую массу (вибрирующие массы). Управление виброцилиндром или его регулирование осуществляется с помощью смонтированного на цилиндре клапана пропорционального регулирования или сервоклапана. Желательные амплитуда и частота задаются управлением или регулированием.
Для осуществления при этом возможно более точного управления или регулирования, а в дальнейшем также для упрощения заключений о сопротивлении поперечному сдвигу предпочтительно, чтобы виброцилиндр был оснащен датчиком, измеряющим положение поршня, приданного гидроцилиндру. Определение при этом непосредственного положения поршня или положения приданного поршню поршневого штока или приданной поршню массы и т.п. является компетенцией специалиста.
Точно так же рекомендуется, чтобы гидроцилиндру виброцилиндра для определения статического или динамического сопротивления поперечному сдвигу рельсового пути был придан датчик давления, измеряющий гидравлическое давление. Сила вибрации может быть увеличена за счет вспомогательных масс, смонтированных на штоках цилиндра. Для этого виброцилиндру вибропривода, в частности гидроцилиндру и/или его поршню, для увеличения динамической силы придана по меньшей мере одна вспомогательная масса.
Для увеличения вибрационной энергии вибропривод может содержать два или же несколько соединенных гидроцилиндров с соответствующими интегрированными измерителями хода поршня.
Виды вибрации, для возбуждения которых используются вибропривод и/или установочный привод, предпочтительно, свободно задаются управлением или регулированием. Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения вибропривод образован по меньшей мере одним синхронизирующим цилиндром, в частности, с двумя поршневыми штоками. С помощью такого устройства можно добиться того, чтобы обе рельсовые колеи пути во время стабилизации нагружались одинаково, соответственно снабжались одинаковым количеством энергии.
Дополнительно рекомендуется, чтобы стабилизационный агрегат шарнирно соединялся с машинной рамой с возможностью регулирования по высоте, предпочтительно, посредством вертикально направленных гидравлических установочных цилиндров и устанавливался с возможностью создания дополнительной нагрузки на рельсовый путь, а также с возможностью возбуждения колебаний, причем установочные цилиндры образуют также виброцилиндр, регулируемый клапаном пропорционального регулирования или сервоклапаном. При этом установочные цилиндры, в свою очередь, предпочтительно, оснащены каждый по меньшей мере одним датчиком, измеряющим положение поршня, а для определения статической и динамической вертикальной жесткости рельсового пути, предпочтительно, датчиками давления, измеряющими гидравлическое давление. Все клапаны пропорционального регулирования или сервоклапаны, предпочтительно, постоянно смонтированы на соответствующих цилиндрах непосредственно с тем, чтобы по мере возможности минимизировать возможные потери давления и колебания в подводящих линиях. Давления в вертикальных и горизонтальных цилиндрах измеряются датчиками давления.
Путем измерения динамических амплитуд установочных цилиндров и гидроцилиндра поршневого вибратора могут определяться соответствующие силы, а в дальнейшем динамическая и статическая вертикальная жесткость. При этом статическая сила действует как смещение рабочей точки на вертикальной линии жесткости. Путем измерения горизонтальной силы могут измеряться статическое и динамическое сопротивления поперечному сдвигу. Поскольку действующая горизонтальная сила на цилиндр измеряется через гидравлическое давление, сопротивление сдвигу может измеряться непосредственно. Естественно, что параллельно могут подключаться также два виброцилиндра. Амплитудная и фазовая синхронизации нескольких виброцилиндров или стабилизационных агрегатов, последовательно установленных в продольном направлении рельсового пути, реализуются с помощью контуров регулирования посредством электроники. При этом согласно изобретению осуществляется простое измерение статического и динамического сопротивлений поперечному сдвигу, а также статической и динамической вертикальной жесткости.
Устройство согласно изобретению допускает особенно большие скорости регулирования системы. Сообразно этому традиционные эксцентричные системы с гидравлической регулировкой эксцентриков вследствие больших постоянных времени имеют значительную продолжительность регулирования. Благодаря непосредственному генерированию частоты колебания согласно изобретению может предотвращаться или особенно сокращаться прохождение резонансных частот при разгоне и остановке стабилизационного агрегата. Поскольку виброцилиндры имеют незначительные конструктивные размеры и высоту, практически они могут встраиваться по высоте очень близко к поверхности катания рельса, благодаря чему рельсам может передаваться почти чистая горизонтальная сила. Конвенциональные системы, известные из уровня техники, создаются из-за эксцентричных валов, установленных друг над другом, значительно более высокими, вследствие чего из-за наложения крутящих моментов рельсам передаются также вертикальные моменты, действующие на рельсы весьма нерегулярно и обусловливающие нежелательный побочный эффект. Благодаря незначительной конструктивной высоте вследствие использования виброцилиндров устройство согласно изобретению может беспрепятственно дооборудоваться даже при существующих путевых машинах, как-то: балластные плуги и т.п. Скорое время регулирования устройства согласно изобретению предотвращает продолжение вибрации после отключения эксцентричных валов и после их движения по инерции, что особенно неприятно именно в случае мостовых работ, поскольку при этом регулярно осуществляется прохождение диапазона собственных частот мостов.
Вид вибрации может выбираться свободно. Выбираться могут синусоидальные, треугольные, трапецеидальные, прямоугольные и т.п. виды колебаний, а также разные основные колебания с наложением высших гармоник. Вертикальная вибрация нагрузочных цилиндров приводит не только к улучшению регулируемости различий в просадке между левой и правой сторонами рельсового пути, а вообще к усилению уплотняющего действия и улучшению просадок, что к тому же повышает стойкость геометрического положения пути.
Изобретение схематично изображено со ссылкой на пример выполнения на чертежах, на которых
Фиг. 1 изображает вид сверху стабилизационного агрегата согласно изобретению,
Фиг. 2 - вид спереди стабилизационного агрегата согласно изобретению на Фиг.1,
Фиг. 3 - стабилизационный агрегат на Фиг. 1 и 2, сконструированный на машинной раме, в меньшем масштабе,
Фиг. 4 - схематично диаграмму вертикальной жесткости пути в зависимости от дополнительной нагрузки и
Фиг. 5 - схематично диаграмму силы поперечного сдвига в зависимости от амплитуды.
Устройство для уплотнения щебеночного основания рельсового пути 1 содержит машинную раму 2, являющуюся, в частности, частью путеукладочного поезда или т.п., передвигающуюся по рельсовому пути 1 с помощью движущегося по рельсовому пути 1 на ходовых роликах 3 стабилизационного агрегата 5, оснащенного виброприводом 4 для возбуждения колебания в параллельной пути плоскости Е, которая обозначена буквой G. Стабилизационный агрегат 5 смонтирован на раме 6 с возможностью передвижения по рельсовому пути 1 на ходовых роликах 3, оснащенных колесными ободами, а также оснащен охватывающими головку рельса зажимными роликами 7, снабженными поворотным приводом 8 для освобождения головки рельса с целью освобождения стабилизационного агрегата 5 от рельсового пути 1 и его отведения от последнего.
Кроме того, стабилизационный агрегат 5 с помощью установочного привода 9 (два гидроцилиндра) шарнирно соединен с машинной рамой 2 с возможностью регулирования по высоте и выполнен с возможностью установки дополнительной нагрузки на рельсовый путь 1. Ходовые ролики 3 оснащены телескопическими осями 10, прижимающими ходовые ролики 3 к рельсам, благодаря чему могут компенсироваться вариации ширины колеи и обеспечивается безлюфтовое перемещение стабилизационного агрегата 5 по рельсовому пути поперек направления движения.
Для создания особенно простых и компактных строительных конструкций вибропривод 4 содержит по меньшей мере один образованный гидроцилиндром виброцилиндр 12, управляемый клапаном пропорционального регулирования или сервоклапаном 11. Виброцилиндр 12 образован синхронизирующим цилиндром с двумя поршневыми штоками 13, каждый из которых несет вспомогательную массу 14. Виброцилиндр 12 оснащен, измеряющим положение поршня гидроцилиндра датчиком 15, датчиком перемещения. Для этого датчик 15 или непосредственно измеряет положение поршня, поршневого штока, или же при известных условиях положение вспомогательной массы. Кроме того, гидроцилиндру виброцилиндра 12 для последующего расчета статистического и динамического сопротивлений рельсового пути 1 поперечному сдвигу придан датчик 16 давления, измеряющий гидравлическое давление.
Стабилизационный агрегат 5 с помощью вертикально направленных установочных гидроцилиндров, образующих установочной привод 9, шарнирно соединен с машинной рамой 2 с возможностью регулирования по высоте и установлен с возможностью создания (установки) дополнительной нагрузки на рельсовый путь, а также с возможностью возбуждения колебаний. Таким образом, с помощью установочных цилиндров устанавливается та сила, с которой стабилизационный агрегат 5 с опорой на машинную раму 2 прижимается к рельсовому пути 1. При этом установочные цилиндры образуют также виброцилиндр, регулируемый или управляемый клапаном пропорционального регулирования или сервоклапаном 11. Положение поршня установочного цилиндра, в свою очередь, измеряется датчиком 15, а установочным цилиндрам для определения статической и динамической вертикальной жесткости рельсового пути придается датчик 16 давления, измеряющий гидравлическое давление.
STAT
DYN
DYN
DYN
На Фиг. 4 схематично изображена диаграмма вертикальной жесткости рельсового пути. Она складывается из разных отдельных жесткостей, как-то: упругость рельсов, упругость промежуточного слоя, возможная упругость подошв шпал, упругость шпал, щебня, жесткость балластной постели и/или морозоустойчивого слоя и жесткость почвы под ними. Эта характеристика является весьма далекой от линейной, как это показано схематично изображенной кривой. Если вертикальная дополнительная нагрузка создает статическую силу, то рельсошпальная решетка садится под этой нагрузкой. Эта осадка измеряется посредством приданных цилиндрам датчиков 15 перемещения. Путем измерения давления цилиндров может быть определена также задействованная для этого сила. По этим данным в обратном порядке может рассчитываться вертикальная жесткость, приводимая в диаграмме. В этом случае при определенной статической дополнительной нагрузке F получается так называемая рабочая точка А. Поскольку рабочие цилиндры также динамически возбуждаются, в этой рабочей точке возникает динамическое колебание F силы, соответствующее вертикальному колебанию жесткости. В результате деления колебания жесткости на величину колебания F силы получается динамическая вертикальная жесткость S, приближенно соответствующая касательной, соответственно, наклону кривой в рабочей точке.
На Фиг. 5 схематично изображена диаграмма поперечного сдвига рельсового пути. По горизонтали нанесена амплитуда возбуждения вибрационного агрегата, соответственно, виброперемещение рельсового пути в щебеночном основании. Вписанная площадь под кривой соответствует работе, произведенной силами трения. По вертикали нанесена горизонтально действующая сила, которая должна создаваться для сдвига рельсошпальной решетки. Путь измеряется датчиком перемещения, смонтированным на виброцилиндре, сила определяется измерением гидравлического давления в цилиндре. В железнодорожном деле сопротивление поперечному сдвигу принято определять по силе сдвига, необходимой для сдвига рельсового пути из нулевого положения на 2 мм. Поскольку соответствующие параметры, такие как путь и сила измеряются, по результатам измерения можно определить статическое сопротивление поперечному сдвигу на 2 мм и наклон касательной в этой рабочей точке, а также динамическое сопротивление поперечному сдвигу.