ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ ШПАЛА С РЕГУЛИРУЕМОЙ ШИРИНОЙ КОЛЕИ И УСТАНОВКОЙ КОНТРРЕЛЬСА ДЛЯ УКЛАДКИ В КРИВЫХ УЧАСТКАХ ПУТИ

Полезная модель относится к конструкции железнодорожного пути, в частности к верхнему строению пути и может быть использована в кривых участках, в том числе и в кривых малого радиуса, в которых ширина колеи определяется радиусом кривой.
Известны устройства железобетонного подрельсового основания, к которым относятся шпалы, плиты, лежни, рамы [1, 2, 3, 4, 5]. Однако, ни одна из этих конструкций не может быть использована с различной шириной колеи, так как конструктивно позволяет иметь ширину колеи одного размера, принятого для прямых участков. Из указанных видов подрельсовых оснований наибольшее распространение как в России, так и за рубежем, получили шпалы из предварительно напряженного железобетона. [1, 2, 3]
На подъездных и внутризаводских путях из-за дефицита территории и высокой плотности застройки применяют кривые малых радиусов. Горизонтальные силы между гребнями колес подвижного состава и головками рельсов в крутых кривых приводят к интенсивному износу колес и рельсов, распору рельсовой колеи и даже к сходам подвижного состава. По условиям вписывания подвижного состава в кривые малого радиуса требуется увеличивать ширину колеи, а также устанавливать контррельсы у внутренней рельсовой нити, а в отдельных случаях у внутренней и наружной.
Для борьбы с указанными негативными факторами согласно СНиП 32.01-95 (железные дороги колеи 1520 мм) при радиусе менее 250 м и СНиП 2.05.07-91 (промышленный транспорт) при радиусе менее 150 м со стороны внутренней рельсовой нити должны быть уложены контррельсы.
В кривых участках пути радиусом менее 350 м по условиям вписывания подвижного состава требуется устраивать уширение пути. Требование обеспечить установку независимого контррельса у внутреннего рельса кривой при использовании стандартных железобетонных шпал а также уширение колеи оказывается невозможным. В связи с этим до настоящего времени контррельсы как средство, обеспечивающее безопасность движения поездов при значительном сокращении износа рельсов используется только в случае применения конструкции верхнего строения пути только с деревянными шпалами.
В связи с этим использование железобетонных шпал в кривых малого радиуса является актуальным. Для этих целей необходимо иметь конструкцию шпалы с увеличенной подрельсовой зоной для установки металлической подкладки, на которой одновременно устанавливается рельс и независимый контррельс. Узел крепления рельса и контррельса с целью уширения колеи должен иметь возможность поперечного смещения относительно оси пути в пределах необходимого уширения. Таким образом, промежуточное рельсовое скрепление должно обеспечивать возможность такого перемещения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является конструкция железобетонной шпалы типа ШС-1 [2] (фиг.1).
Задача, на решение которой направлена предполагаемая полезная модель, состоит в разработке железобетонной шпалы с регулируемой шириной колеи и установленным на ней контррельсом, что позволяет применить прогрессивное подрельсовое основание из железобетона в кривых малого радиуса.
Предложена железобетонная шпала с регулируемой шириной колеи и установкой контррельса для укладки в кривых участках пути, состоящая из двух подрельсовых и среднего блоков, соединенных в одну цельнобрусковую шпалу с предарительно напряженной прутковой арматурой периодического профиля, в которой подрельсовые блоки выполнены различной длины и формы для установки внутреннего рельса с контррельсом и наружного одиночного рельса, при этом между буртиком шпалы со стороны торца и подкладкой с установленной на ней рельсом с контррельсом устроен зазор.
Зазор между буртиком шпалы со стороны торца и подкладкой с установленной на ней рельсом с контррельсом равен разнице между предельной шириной колеи в кривых малого радиуса и шириной колеи в прямом участке пути.
Буртики шпалы с одного ее конца смещены к торцу и середине шпалы для размещения увеличенной длины подкладки, служащей для закрепления рельса с контррельсом.
В предлагаемой шпале пустотобразователи для закладных деталей в бетоне шпалы на одном подрельсовом блоке установлены с учетом размещения узла крепления рельса с контррельсом, а на другом- для размещения одиночного рельса.
Предлагаемая железобетонная шпала представлена на фиг.1 Шпала состоит из двух подрельсовых блоков 1 и 2, различающихся по длине и форме и среднего блока 3. Все три блока представляют цельнобрусковую шпалу, армированную как и шпала ШС-1 предварительно напряженной арматурой периодического профиля. Длина и форма блока 1 изменена в связи с тем, что на нем закрепляется общая подкладка с рельсом и контррельсом (фиг 2), а на другом - отдельно стоящий рельс.
На подрельсовую площадку блока 1 (фиг 1) устанавливается общая подкладка 4 (фиг.2) для установки путевого рельса 5, контррельса 6. Подкладка 4 представляет собой единую опорную поверхность, на которой приварены реборды 7 для соединения рельса с подкладкой и упоры 8 для закрепления контррельса 6. Желоб между рабочими гранями путевого рельса и контррельса (а) должен обеспечивать проход всех гребней колес подвижного состава, катящихся по внутренней рельсовой нити кривого участка пути. Величина этого желоба регулируется с помощью шайб 9. При установке ширины колеи рельс на внутренней стороне кривой смещается к торцу шпалы за счет зазора (С) (фиг 1) на разницу ширины колеи в кривой малого радиуса (например, 1540 мм) и шириной колеи в прямом участке (например, 1520 мм). Зазор между торцом общей металлической подкладки и буртиком железобетонной шпалы (С) должен обеспечивать это смещение (например, 1540-1520=20 мм). Закрепление подкладки осуществляется с помощью закладных болтов, установленных в бетон и специальных закладных деталей (фиг 3), установленных в отверстия 10 металлической подкладки 4 (фиг 2). Установка необходимой ширины колеи в зависимости от радиуса кривой достигается за счет того, что узел крепления внутреннего рельса с контррельсом в кривом участке пути перемещается в полевую сторону на величину необходимого уширения. Такое перемещение обеспечивается за счет того, что подкладка по концам имеет прямоугольные отверстия со сторонами 46×65 мм. На закладной болт, шуруп или стержень закладной детали надевается прямоугольный вкладыш с отверстием, размеры вкладышей показаны на фиг.3. Величина эксцентриситета центра отверстия относительно середины закладной детали составляет разницу между средней шириной колеи в диапазоне изменения ширины колеи, в нашем случае (1540+1520):2=1530 мм и установленной шириной колеи на конкретной кривой, например 1540 мм. В этом случае эксцентриситет составит 1540-1530=10 мм. Расчеты эксцентриситета отверстия и расстояния от центра отверстия до краев закладной детали представлены в таблице 1.
Табл.1
Ширина колеи (мм)
Расстояние от центра закладной детали до краев (мм)
Разница между средним значением ширины колеи и ее текущим значением (мм)
Расстояние от центра отверстия до левого края закладной детали (мм)
Расстояние от центра отверстия до правого края закладной детали (мм)
1520
65:2=32.5
1530-1520=10
32.5-10=22.5
32.5+10=42.5
1525
65:2=32.5
1530-1525=5
32.5-5=27.5
32.5+5=37.5
1530
65:2=32.5
1530-1530=0
32.5+0=32.5
32.5+0=32.5
1535
65:2=32.5
1535-1530=-5
32.5+5=37.5
32.5-5=27.5
1540
65:2=32.5
1540-1530=-10
32.5+10=42.5
32.5-10=22.5
Таким образом, для регулировки 5 значений ширины колеи1520, 1525, 1530, 1535 и 1540 мм потребуется 3 типоразмера закладных деталей, так как при ширине колеи 1535 и 1540 мм используются закладные детали для ширины колеи 1520 и 1525 мм, развернутые на 180°. Эти же вкладыши используются и в переходных кривых для обеспечения плавного перехода от ширины колеи 1540 мм до ширины колеи в прямом участке 1520 мм. Ширина колеи в кривых малого радиуса и ширина желоба устанавливается в соответствии с нормативными документами [5], регулировка ширина желоба обеспечивается использованием регулировочных шайб.
Длина площадки опирания с подуклонкой в 1:20 общей подкладки на железобетонную шпалу должна обеспечивать длину общей подкладки [l] и дополнительного зазора (С) для обеспечения регулировки ширины колеи в зависимости от радиуса кривой.
Ширина буртика (δ) определяется прочностью его на скол под воздействием горизонтальных сил и должна составлять величину не менее принятой в типовой шпале ШС-1 (например, 38-40 мм) исходя из опыта долговременной эксплуатации этих шпал в различных эксплуатационных условиях.
В связи с изменениями в конструкции железобетонной шпалы и условий ее работы под поездной нагрузкой были выполнены расчеты по методике, изложенной в [2]. Эта же методика была использована и при проектировании железобетонной шпалы ШС-1, принятой в данной работе в качестве более близкого аналога.
Полученные результаты расчета были следующими:
По середине подрельсовой площадки шпалы
По середине шпалы
Предельный изгибающий момент, кН.м (тс.м)поусловию:
выносливости бетона в сжатой зоне выносливости наиболее растянутой арматуры трещиностойкости бетона в растянутой зоне Предельная поперечная сила, кН (тс) по условию трещиностойкости на нейтральной оси приведенного сечения шпалы
16,6(1,66) 43,9(4,39) 13,5(1,35)94,0(9,4)
-9,0(-0,90) -18,8(-1,88) -9,2(-0,92)60,0(6,0)
В сечении по середине подрельсовой площадки изгибающий момент составил 8,655 кН.м<13,5 кН.м а в сечении по середине шпалы изгибающий момент оказался -7,886 кН.м <-9.0 кГ.м. Таким образом обеспечивается выносливость бетона по условию трещиностойкости в растянутой зоне и по выносливости бетона в сжатой зоне.
Сопоставление наибольших эксплуатационных моментов с наименьшими предельными моментами по выносливости и трещиностойкости бетона в расчетных сечениях шпалы показывает, что при данных характеристиках пути и подвижного состава применение предлагаемой железобетонной шпалы с контррельсом в кривых участках пути малого радиуса является целесообразным и может быть допущено по условиям прочности.
Главным преимуществом предлагаемой железобетонной шпалы является возможность использования перспективной конструкции железобетонного подрельсового основания в кривых малого радиуса при различной ширине колеи. При этом при различной ширине колеи используется одна и та же конструкция железобетонного подрельсового основания.
К положительным качествам этой конструкции шпалы для закрепления рельса с контррельсом так же следует отнести:
1. Возможность закрепления рельса с контррельсом и узлами для регулировки ширины колеи, а также ширины желоба между рельсом и контррельсом.
2. Срок службы железобетонных шпал несравненно больше, чем деревянных и даже в два с лишим раза превосходит срок службы рельсов. При этом применение контррельсов увеличивает не только срок службы рельсов но и повышает безопасность движения поездов.
3. Увеличение срока службы рельсов наружной рельсовой нити в связи с тем, что горизонтальные направляющие усилия при вписывании колес подвижного состава передаются на контррельс.
4. Постановка контррельса исключает набегание гребня колеса на рабочую грань наружного рельса, что предотвращает сход подвижного состава по условию всползания гребня колеса на головку рельса.
5. Возможность регулировки ширины желоба между путевым рельсом и контррельсом в случае износа рабочей грани контррельса осуществляется путем постановки прокладок между контррельсом и упором.
Список литературы
1. Г.М.ШАхунянц «Железнодорожный путь». Москва «Транспорт», 1987.
2. Железобетонные шпалы для рельсового пути. Под ред. доктора техн. наук, проф. А.Ф.Золотарского. Москва, Транспорт, 1980.
3. В.М.Ермаков, А.А.Бекиш Современные конструкции железобетонных шпал и промежуточных скреплений для бесстыкового пути. Санкт-Петербург 2009.
4. Современные конструкции верхнего строения железнодорожного пути. Под редакцией проф. В.Г.Альбрехта и проф. А.Ф.Золотарского. Москва, «Транспорт», 1975.
5. Технические требования и нормы содержания железнодорожных путей промышленного транспорта. Москва, 2003.