Соединение рельсового скрепления с основанием рельсового пути
CONNECTION OF RAIL FASTENING WITH TRACK BASE

Данное соединение относится преимущественно к строению железнодорожного пути, включающему узлы крепления рельсов к основаниям пути (плитам, шпалам), причем имеются в виду такие соединения рельсовых скреплений, которые включают шурупо-дюбельные пары, посредством которых плиты (пластины) рельсовых скреплений соединены с бетонными основаниями рельсового пути. При этом каждое шурупо-дюбельное соединение содержит зафиксированный в шпале дюбель  и завинченный в него шуруп.
Соединение относится также к винтовым соединениям вообще, используемым в областях механики и строительства для разъемного соединения съемной части конструкции к монолитному основанию конструкции.
Известно соединение, содержащее расположенный в отверстии подрельсовой плиты шуруп с надетой на нем электроизолирующей шайбой, при этом шуруп завинчен в винтовом дюбеле шпалы (RU 204998 U1, 22.06.2021).
Известен шуруп путевой, содержащий головку, стержень с цилиндрическими и коническим участками, при этом один цилиндрический участок содержит выступы и расположенную между ними и головкой шайбу, а на коническом участке выполнена резьба, переходящая на второй цилиндрический участок, отличающийся тем, что шаг резьбы составляет 12-13 мм, а рабочая высота профиля резьбы – 3-5 мм (RU 202162 U1, 05.02.2021.ООО "Управляющая компания "Кузбасстрансмет").
Известен шуруп крепежного узла рельсового скрепления, содержащий головку, сопряженные между собой цилиндрический участок и конический участок с резьбой, отличающийся тем, что конический участок выполнен протяженным до конца шурупа, а начало резьбы на коническом участке отстоит от конца цилиндрического участка, сопряженного с головкой. Длина конического участка превышает длину цилиндрического участка не менее чем в 16 раз. Начало резьбы на коническом участке отстоит от конца цилиндрического участка на расстояние, превышающее длину цилиндрического участка не менее чем в 3 раза (RU 161116 U1, 10.04.2016).
Известно винтовое соединение монтажной плиты рельсового скрепления, со шпалой, которое заменяет анкеры крепления рельса к шпале  (CN  205443809 U, 2016-08-10).
Известно соединение рельсового скрепления, содержащее заглубленные в шпалу дюбели, завинченные в них первый болтовой крепежный элемент и второй болтовой крепежный элемент, которые расположены в отверстиях опорной пластины, расположенной между шпалой и рельсом (CN 212771759 U, 2021-03-33).
Известно устройство для крепления рельса рельсового пути, содержащее закрепленный в основании пути дюбель, в который ввинчен шуруп, имеющий граненую головку, взаимодействующую с анкером (RU 136441 U1, 10.01.2014).
Известен дюбель крепежного узла рельсового скрепления, который содержит верхнюю и нижнюю части, между которыми расположена средняя часть с внутренней и внешней винтовыми поверхностями, верхняя часть снаружи содержит ребра жесткости, причем она выполнена в виде двух участков - верхнего и нижнего, нижний участок верхней части выполнен в виде усеченного конуса, отличающийся тем, что верхний участок верхней части выполнен в виде усеченного конуса, причем минимальный диаметр верхнего участка верхней части выполнен больше максимального диаметра нижнего участка, а нижняя часть дюбеля выполнена цилиндрической (действующий патент RU 202756 U1, 04.03.2021. ОАО «РОССИЙСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ»). В зависимых пунктах формулы патента  RU 202756 U1, раскрыто, что дюбель выполнен из полимерного материала, его верхний участок и/или нижний участок верхней части выполнены сужающимися книзу,  внутренняя поверхность верхней части верхнего участка содержит продольные пазы прямоугольной, или трапецеидальной, или округлой формы, на нижней части дюбеля снаружи выполнены ребра жесткости, на торце верхней части снаружи выполнен буртик, ребра жесткости выполнены продольными, ребра жесткости выполнены квадратной формы или в форме двухмерной волны, или выполнены скошенными в сторону нижней части дюбеля, стенки участков винтовой поверхности средней части дюбеля выполнены с толщиной, находящейся в зависимости от радиуса поперечного сечения участка,  средняя часть дюбеля выполнена в виде усеченного конуса, переходящего в цилиндр.
Известно крепежное устройство (шуруп) для крепления опорной плиты к железнодорожной шпале, имеющий головную часть, резьбовую часть хвостовика и промежуточную часть, соединяющую головную часть с резьбовой частью хвостовика, при этом промежуточная часть и резьбовая часть хвостовика  имеют меньший диаметр, чем головная часть. Промежуточная часть в ее осевой концевой области, смежной с головной частью, имеет окружную часть, внешний диаметр которой несколько больше диаметра остальной части промежуточной части. Внешний диаметр периферийной части относительно внутреннего диаметра пружинной шайбы таков, что, когда пружинная шайба устанавливается на периферийную часть и охватывает ее, пружинная шайба упруго удерживается на промежуточной части до использования устройства, независимо от ориентации устройства (US 6318939 B1, 2001-11-20). Использование пружины под головкой шурупа в недостаточной мере препятствует отвинчиванию шурупа, работающего в опасных условиях больших вибраций от движения поездов по рельсовому пути.
Известно соединение рельсового скрепления с бетонным основанием рельсового пути, имеющее опорную пластину, в которой выполнено сквозное направляющее отверстие, в котором расположена изоляционная втулка, расположенный во втулке шуруп с надетым на него упругим элементом (пружиной) под головкой шурупа, при этом шуруп расположен в дюбеле, закрепленном в шпале, на которой расположена опорная пластина (PL 2551408 T3, 2014-10-31). В данном соединении предусмотрено, что в шпале закреплен рым-болт с резьбой на верхнем конце. Болт проходит снизу вверх нашпальные прокладки, плиту, эксцентричную втулку, пружину, шайбу и притянут к этим элементам гайкой, навинченный на верхний конец болта, при этом в процессе воздействия больших вибрационных нагрузок от движения поездов болт и пружина работают на сжатие и растяжение и усилие затяжки гайки постоянно изменяется. В результате на резьбе гайки возникает опасный момент вращения в горизонтальной плоскости.
Известно резьбовое соединение рельсового скрепления со шпалой, содержащее устройство фиксации рельса с помощью натяжного зажима (клеммы), выходящей из удерживающего элемента (анкера), размещаемого с возможностью съема на ребристой пластине, на которую опирается основание рельса. Упомянутая пластина размещается на упругом промежуточном слое, который резьбовым соединением  поддерживается в требуемом предварительно напряженном состоянии (WO 2005124025 А1, 2005-12-29). Болт данного соединения расположен в зоне анкера, между его ложементами под клемму, при этом в рабочем положении рельсового соединения доступ к головке болта затруднен.
Известно рельсовое скрепление, содержащее расположенные в отверстиях плиты рельсового скрепления болты, завинченные в дюбели, которые закреплены в шпале, при этом каждый дюбель имеет винтовые витки для фиксации дюбелей в бетоне шпалы (заявка WO 2019186097 А1, 03.10.2019). В этой заявке головка каждого болта опирается на круглую шайбу, расположенную на первой сверху прямоугольной пластине, которая охватывает с одной боковой стороны вторую нижерасположенную прямоугольную пластину, расположенную на выполненной из упругого диэлектрического материала первой прокладке, установленной на плите. При этом первая прямоугольная пластина на одной стороне имеет простирающийся вниз борт, контактирующий сбоку со второй пластиной, которая расположена ниже первой пластины, что существенно усложняет конструкцию крепления плиты к шпале и, соответственно, снижает надежность рельсового скрепления.
Известен крепежный узел рельсового скрепления, содержащий шуруп, закрепленный в шпале дюбель, имеющие сопрягающиеся между собой по две цилиндрические поверхности и размещенные между ними конические поверхности с началом резьбы на конической поверхности, причем длины частей с цилиндрическими поверхностями шурупа и дюбеля превышают длины их участков с коническими поверхностями. Длина части шурупа с не имеющей резьбы цилиндрической поверхностью превышает длину его части с конической поверхностью не менее чем в два раза. Общая длина указанных частей шурупа превышает длину его части с не имеющей резьбы цилиндрической поверхностью не менее чем в 2,9 раза. При предельно низком расположении шурупа длина части его цилиндрической поверхности без резьбы, размещенной в соответствующей цилиндрической части дюбеля, составляет не менее 0,18 длины шурупа без его головки, а при его максимальном вывинчивании в эксплуатации при выправке пути по уровню эта длина составляет не менее 0,6 длины не имеющей резьбы цилиндрической поверхности (RU 26501 U1, 10.12.2002).
Известно шурупо-дюбельное соединение рельсового скрепления, соединяющее плиту рельсового скрепления со шпалой, содержащее металлическую подрельсовую плиту со сквозными отверстиями и расположенные в отверстиях плиты крепежные элементы, выполненные в виде шурупов, ввернутых в установленные в шпале электроизолирующие дюбели, причем соединение оснащено вставками, каждая из которых содержит основание с отверстием для прохода крепежного элемента и выступом для фиксации в отверстии металлической плиты (RU 130315 U1, 20.07.2013).
прототип
Известно шурупо-дюбельное соединение рельсового скрепления с бетонной шпалой, содержащее две пары шуруп-дюбель, причем шуруп, имеет головку и винтовую нарезку, каждый виток которой выполнен коническим с тупым концом, образованным прямой гранью, расположенной под прямым углом к продольной оси шурупа, а дюбель имеет полые изнутри входной раструб и винтовую часть, каждый виток которой выполнен изнутри и снаружи скругленным, при этом дюбель каждой пары монолитно соединен с бетонной шпалой, на которой установлена плита рельсового скрепления, соединенная с дюбелем и завинченным в него шурупом, расположенным в отверстии плиты так, что головка шурупа расположена над плитой (RU 2559185 С2, 10.08.2015 - ).
В патентеRU2559185С2 дюбель имеет цилиндрический корпус, имеющий со стороны головки стержневой участок, который предпочтительно примыкает к бортику дюбеля снизу, на его продолжении  дюбель имеет наружную резьбу, с помощью которой он вывинчивается из шпалы или завинчивается в нее, ниже стержневого участка выполнена внутренняя резьба для приема шпального шурупа, причем дюбель имеет стержневой участок внутри, в переходе к внутренней резьбе, спиралеобразный уступ, сокращающий внутренний диаметр на части длины стержневого участка и проходящий по меньшей мере по части окружности (RU 2559185 С2, 10.08.2015).
В известном шурупо-дюбельном соединении, раскрытом в патенте RU 2559185 С2 каждый шуруп соединения расположен в контуре петли клеммы, постоянно работающей на гашение динамических нагрузок в условиях вибрации, возникающих от знакопеременных нагрузок на подошве рельса. Этим нагрузкам напрямую подвержены шурупы, что не исключает возможность их ослабления и опасного расшатывания соединения.
Техническим результатом представленного в данном описании изобретения является повышение надежности соединения, работающего в тяжелых климатических условиях в режиме повышенных динамических нагрузок.
Технический результат получен соединением рельсового скрепления с основанием рельсового пути, содержащим закрепленную на основании пути плиту, расположенный по меньшей мере в одном отверстии плиты один шуруп, завинченный в винтовой дюбель, который монолитно закреплен в основании, каждый шуруп имеет головку и винтовую нарезку, дюбель вверху имеет фланец и входной раструб, а внизу дюбель имеет нижнюю винтовую часть, каждый виток которой выполнен снаружи скругленным, причем над фланцем дюбеля, на шурупе последовательно расположены снизу вверх нашпальные прокладки разной жесткости, плита рельсового скрепления, гранёная шайба, грани которой находятся в контакте с направляющими плиты, электроизолирующая втулка с нижней частью, плоская шайба и гроверная шайба, упирающаяся в головку шурупа, при этом электроизолирующая втулка выполнена ступенчатой, указанная нижняя часть втулки расположена без зазора в отверстии гранёной шайбы, а нижняя часть втулки расположена с зазором в отверстии плиты, причем полость дюбеля выполнена герметичной.
Цилиндрическая стенка дюбеля имеет снаружи ребра жесткости, расположенные по периметру стенки, а в стенке раструба изнутри дюбеля выполнены канавки, которые расположены продольно оси дюбеля на высоте h раструба.
Полость дюбеля с расположенным в ней шурупом герметизирована отвержденной композицией, введенной в полость дюбеля в жидком состоянии.
На фиг. 1 показан шуруп соединения.
На фиг. 2 – дюбель соединения.
На фиг. 3 – дюбель в аксонометрии.
На фиг. 4 – вид на дюбель сверху по стрелке А на фиг.2.
На фиг. 5 – вид на дюбель снизу по стрелке Б на фиг.2.
На фиг.6 – соединение рельсового скрепления с основанием рельсового пути в рабочем положении.
На фиг.7 показан продольный разрез соединения по В-В на фиг.6.
Соединение рельсового скрепления с основанием рельсового пути осуществлено двумя шурупо-дюбельными соединениями (на чертежах показано одно соединение), посредством которых одна плита 18 рельсового скрепления (фиг.7) соединена с основанием рельсового пути – бетонной шпалой 16.
Каждый шуруп 1 (фиг.1, 6, 7) имеет головку 2 и винтовую нарезку 3, каждый виток 4 которой (фиг.7) выполнен коническим в поперечном сечении с плоской вершиной, расположенной под прямым углом к оси симметрии конического витка нарезки 3 шурупа. Шуруп (имеющий диаметр D) в рабочем положении соединения завинчен в дюбель 5, имеющий полые изнутри входной раструб 6 и винтовую часть 7, каждый виток 8 которой выполнен снаружи закругленным, а изнутри ответным по форме каждому витку 4 шурупа 1.
Входной раструб 6 (фиг.2) выполнен ступенчатым, имеет по высоте больший диаметр D1 (фиг.4) и меньший диаметр d2 и между этими диаметрами расположена ступень 9. Верхний торец дюбеля имеет фланец 10. Снаружи раструб 6 имеет расположенные по его периметру ребра 11 жесткости, монолитно выполненные с раструбом 6 и фланцем 10 по всей высоте h раструба. Изнутри дюбель имеет выполненные в его стенке продольные канавки 12 (фиг.3, 4), каждая из которых расположена напротив ребра 11 жесткости. Внизу дюбель имеет монолитно выполненную с его стенкой нижнюю цилиндрическую стенку 13 (фиг.2, 7) с плоским торцом 14 (фиг.5), при этом стенка 13 имеет конические ребра 15 жесткости (фиг.2). Внутренняя полость дюбеля выполнена герметичной. В одном из исполнений соединения предусмотрено, что пазухи между внутренней поверхностью дюбеля и винтовой частью шурупа заполнены в жидком состоянии отвержденной композицией. В рабочем положении, шуруп 1 соединения, завинченный в дюбеле 5 соединения (фиг.6), соединен через дюбель со шпалой - основанием 16 рельсового пути, в котором закреплен дюбель, при этом основанием могут быть бетонная плита или бетонная шпала.
В рабочем положении соединения между фланцем 10 дюбеля (фиг.7) и головкой 2 шурупа, на шурупе расположены друг над другом снизу вверх, две нашпальные прокладки 17 разной жесткости, чугунная плита 18 рельсового скрепления, гранёная шайба 19 с прямыми противоположными гранями, нижняя часть 22 ступенчатой электроизолирующей втулки 23, плоская шайба 28 и гроверная шайба 20, имеющая косой разрез 21. При этом в отверстии верхней нашпальной прокладки 17 и в отверстии  плиты 18  расположена нижняя часть 22 ступенчатой электроизолирующей втулки 23.
Две противоположные грани граненой шайбы 19 контактируют с двумя направляющими 24 плиты (фиг.6,7) с возможностью относительного скольжения. Поскольку направляющие 24 монолитно выполнены с плитой 18, то после отвинчивания каждого шурупа 1 плита 18 может смещаться вправо или влево относительно неподвижного шурупа, закрепленного в основании 16. Между поверхностью отверстия плиты 18 и поверхностью нижней части 22 втулки 23 имеется зазор 25.
Шайба 19 имеет зубья 26 (фиг.7), плита 18 имеет зубья 27. Зубья 26 и 27 находятся в зацеплении друг с другом в рабочем положении соединения. Между зубьями имеются канавки, которые выполнены закругленными так, что в поперечном разрезе эти зубья образуют волнообразную линию (не показана) с равным шагом между вершинами зубьев и углублениями между вершинами зубьев. Вышеупомянутая плоская шайба 28 расположена между гроверной шайбой 20 и верхней частью втулки 23.
Работает соединение следующим образом. Нагрузки от подошвы рельса рельсового пути передается на плиту 18 рельсового скрепления (фиг.6, 7), при этом плита воспринимает на себя нагрузки сжатия и нагрузки отрыва, действующие в противоположных направлениях. В случае нагрузок сжатия, которые направлены вниз, они гасятся основанием 16 рельсового пути через нашпальные  прокладки 17. В случае нагрузок отрыва, нагрузки передаются на шуруп, удерживаемый в рабочем положении дюбелем 5. При этом шуруп 1  работает на растяжение, а гроверная шайба 20 работает на сжатие, она не изменяет свое рабочее зафиксированное положение и состояние сжатия, в котором она находится в рабочем стабильном положении. При возникновении усилия отрыва плиты 18 и шурупа 1 от основания 16, шуруп удерживается в дюбеле витками винтовой нарезки шурупа, расположенными в канавках дюбеля. Отрыву дюбеля от основания 16 препятствует фланец 10 дюбеля, упирающийся в нижнюю нашпальную прокладку 17.
При работе элементов соединения в совокупности с работой элементов рельсового скрепления повышается надежность соединения плиты рельсового скрепления с бетонным основанием рельсового пути за счет стабилизации элементов соединения, исключающей расшатывание соединения и появления в нём люфтов, что положительно влияет на безопасность рельсового пути и движения поездов.
В процессе длительной работы рельсового скрепления, изнашиваются боковые поверхности головок рельсов рельсового пути и ширина колеи рельсового пути увеличивается. Для приведения головок рельсов в рабочее проектное положение, рельсы смещают в соответствующие стороны поперек рельсового пути. Перед смещением рельсов отвинчивают шурупы 1, извлекают из рельсового скрепления боковой изолятор и клемму и смещают рельс в заданную сторону поперек рельсового пути вместе с плитой 18 (фиг.7). При смещении плиты (в пределах от 1 мм до 6 мм) уменьшается или увеличивается зазор 25 между поверхностью отверстия плиты 18 и поверхностью нижней части 22 втулки 23. При этом после смещения плиты шайба 19 своими зубьями 26 входит в зацепление со смежными (другими) зубьями 27 плиты 18 и в этом положении шуруп 1 завинчивают в рабочее положение. При этом все элементы соединения прижимаются друг к другу прилегающими смежными поверхностями в процессе затяжки шурупа. В рабочем положении завинченный в дюбель 5 шуруп 1 сжимает указанные элементы соединения, включая гроверную шайбы 20, и прижимает элементы соединения и рельсового скрепления к основанию 16 рельсового пути.
Аналогичным образом работает упомянутое второе соединение плиты 18 рельсового скрепления с основанием пути, которое расположено на другом конце плиты 18 (не показано). В результате каждое соединение, используемое в рельсовом скреплении для соединения плиты рельсового скрепления с основанием рельсового пути, обеспечивает существенное повышение надежности соединения.