КРЕСТОВИНА ДЛЯ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ ЗАВОДСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
FROG FOR CROSSING OF INDUSTRIAL RAILWAY

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к проектированию конструкций крестовин с запасом металла на износ для рельсовых пересечений, эксплуатируемых в условиях сравнительно невысоких скоростей, реализуемых на заводских железных дорогах.
Известна конструкция крестовины для пересечений заводских железных дорог (RU №2384665, E01B 7/10. 2009), содержащая передний и задний вылеты, сердечник и два усовика, образующие горло крестовины, зону перекатывания колес с усовиков на сердечник, ограниченную с одной стороны горлом крестовины, с другой - сечением сердечника, равным ширине головки рельса (далее просто - зона перекатывания), возвышение продольного профиля поверхностей катания, включающее в себя средний участок, выгнутый выпуклостью вверх, и две вогнутые кривые по концам, сопрягающие его с передним и задним вылетами крестовины. Возвышение профиля крестовины в этой зоне ставит целью увеличение дополнительного объема металла на износ на участке крестовины, где этот износ происходит особенно интенсивно и определяет срок службы всей конструкции в целом. Возвышение представляет собой вертикальную неровность типа «бугор», от формы и параметров которой зависят условия прохода колес по крестовине подвижного состава. Анализ уравнения, предложенного в конструкции аналога для описания формы этого возвышения, показал, что данное уравнение составлено без учета радиусов колес экипажей, проходящих по переводу. Такая форма неровности при входе на нее колеса не исключает возможности появления «ступеньки», которая с первого дня эксплуатации является возбудителем вибраций и колебаний подрессоренной части вагонов, что повышает уровень динамического взаимодействия колес с крестовиной и ускоряет износ поверхностей катания тех и других.
Недостатком конструкции является то, что выбранная в ней форма возвышения не гарантирует сохранения условий плавного прохода по крестовине подвижного состава, что приводит к снижению срока службы крестовины.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является конструкция крестовины для пересечений заводских железных дорог (RU №2382131, E01B 7/10. 2009), содержащая передний и задний вылеты, сердечник и два усовика, образующие горло крестовины, зону перекатывания колес с усовиков на сердечник, ограниченную с одной стороны горлом крестовины, с другой - сечением сердечника, равным ширине головки рельса, возвышение продольного профиля поверхностей катания, включающее в себя средний участок, выгнутый выпуклостью вверх, и две вогнутые кривые по концам, сопрягающие его с передним и задним вылетами крестовины так, что радиусы кривизны в точках сопряжений с вылетами равны радиусу колес подвижного состава. От аналога данная конструкция отличается тем, что она обеспечивает более благоприятные условия входа колеса на возвышение профиля. Идентичность радиусов кривых сопряжений неровности с вылетами крестовины обеспечивает максимальную площадку контакта колеса с крестовиной и сводит к минимуму контактные напряжения, а следовательно, интенсивность износа поверхности катания крестовины и колес подвижного состава. Колесо входит на неровность типа «бугор» по непрерывной плавной кривой без образования «ступенек», что обеспечивает минимальный уровень динамического взаимодействия и позитивно влияет на износостойкость взаимодействующих элементов. Но такие идеальные условия взаимодействия колес с крестовиной обеспечиваются только в первый период эксплуатации крестовины, не превышающий половины срока ее эксплуатации. В последующий период на крестовине образуется волнообразная поверхность. Причем объективная возможность формирования волнообразного износа, который является наиболее характерным эксплуатационным дефектом крестовин, снижающим сроки их службы, заложена в самой конструкции прототипа. Дело в том, что в ней сопрягающие кривые постоянного радиуса выходят за пределы зоны перекатывания. Участок возвышения продольного профиля увеличен по сравнению с длиной зоны перекатывания в каждую сторону на длину тангенса угла, в который вписаны кривые сопряжений. В процессе эксплуатации средний участок возвышения в пределах зоны перекатывания будет изнашиваться в 3-4 раза быстрее, чем его концевые участки, выходящие за пределы данной зоны, и это неизбежно приведет к образованию волнообразного износа на поверхности всего участка возвышения профиля, когда его концевые участки будут представлять собой вертикальные неровности типа «бугор», а зона перекатывания - неровность типа «впадина». Причем с учетом соотношения интенсивностей износа в зоне перекатывания и за ее пределами разность отметок вершин «бугров» и дна «впадины» будут постепенно увеличиваться, ухудшая параметры волнообразной неровности со всеми вытекающими отсюда последствиями. Таким образом, рассматриваемая конструкция крестовины обеспечивает повышение срока ее службы лишь частично за счет улучшения условий прохода по ней подвижного состава только на первом этапе работы.
Недостаток конструкции заключается в том, что допущенное в ней несоответствие длины участка возвышения профиля длине зоны перекатывания создает благоприятные условия для формирования на поверхности крестовины волнообразного износа, снижающего ее срок службы.
При работе над изобретением решалась задача продления сроков службы крестовины за счет исключения возможности образования в процессе эксплуатации неровностей на ее поверхностях катания.
Технический результат достигается тем, что в крестовине для пересечений заводских железных дорог, содержащей передний и задний вылеты, сердечник и два усовика, образующие горло крестовины, зону перекатывания колес с усовиков на сердечник, ограниченную с одной стороны горлом крестовины, с другой - сечением сердечника, равным ширине головки рельса, возвышение продольного профиля поверхностей катания, включающее в себя средний участок, выгнутый выпуклостью вверх, и две вогнутые кривые по концам, сопрягающие его с передним и задним вылетами крестовины так, что радиусы кривизны в точках сопряжений с вылетами равны радиусу колес подвижного состава, сопрягающие кривые выполнены с переменными радиусами, постепенно возрастающими от мест их сопряжений с вылетами крестовины к границам среднего участка, а длина всех трех участков возвышения профиля в сумме равна длине зоны перекатывания и находится в пределах этой зоны.
Суть предлагаемого технического решения раскрывается с помощью чертежей:
- фиг.1. Вид крестовины для рельсового пересечения в плане;
- фиг.2. Продольный разрез предельно изношенной крестовины;
- фиг.3. Продольный разрез крестовины с запасом металла на износ;
- фиг.4. Схема входа колеса на возвышение профиля крестовины конструкции аналога;
- фиг.5. - Схема входа колеса на возвышение продольного профиля крестовины конструкции прототипа;
- фиг.6. - Форма возвышения продольного профиля крестовины предлагаемой конструкции.
Известно, что при проходе подвижного состава по крестовине справа налево (фиг.1) максимальные контактные напряжения в ней возникают в пределах зоны l перекатывания колес 1 с усовика 2 на сердечник 3. Эта зона заключена между сечением СГР сердечника 3, равным ширине головки рельса, и сечением СГ горла крестовины, образованного усовиками 2. Здесь выделенные толстыми линиями площадки 4 контакта колес 1 с крестовиной уменьшаются из-за наличия желобов 5, предназначенных для пропуска реборд 6 колес 1 через пересечения рельсовых ниток. Поэтому смятие и вертикальный износ усовиков 2 и сердечника 3 крестовин в этой зоне l идет существенно интенсивнее, чем на остальных ее участках переднего и заднего вылетов 7 и 8 крестовины, находящихся за пределами зоны l перекатывания.
В процессе работы крестовины под поездами в пределах зоны l перекатывания быстро образуется вертикальная неровность 9, (фиг.2), типа «впадина», и крестовина изымается из пути, как правило, по вертикальному износу металла именно в этой зоне l, хотя на остальных участках, в том числе на вылетах 7, 8, ее вертикальный износ не достигает и половины допускаемого. В связи с вышесказанным, в конструкциях аналога и прототипа при проектировании продольного профиля крестовин в зоне l создается дополнительный запас металла на износ в виде возвышения 10, (фиг.3), поверхности катания, образующего неровность типа «бугор».
Чтобы добиться максимального эффекта в увеличении эксплуатационного ресурса крестовины, форма возвышения 10 должна гарантировать плавный проход по крестовине подвижного состава в течение всего периода ее эксплуатации. Для этого ее износ должен происходить по принципу сглаживания возвышения 10 без образования локальных неровностей, которые повышают уровень динамического взаимодействия колес 1 с крестовиной, ускоряя износ и тех, и других.
На фиг.4. видно, что при входе на возвышение 10 профиля крестовины конструкции аналога колесо 1 сначала вступает во взаимодействие с возвышением 10 в точке A, расположенной не у «подножья» неровности, а на некоторой высоте h. При этом на участке AB остается зазор 12, показанный штриховкой, и на первом этапе эксплуатации крестовины поверхность катания на этом участке AB не изнашивается. Восхождение колеса 1 на неровность происходит не по плавной поверхности, а по «ступеньке» высотой h, т.е. требование плавности входа на неровность не соблюдается. Происходит это потому, что радиус ρ кривизны поверхности крестовины в начале возвышения 10 существенно меньше радиуса R колеса 1. Чтобы обеспечить плавное вхождение колеса 1 на возвышение 10, в конструкции прототипа, (фиг.5), радиусы ρ кривых 13 и 14, сопрягающих средний участок 15 возвышения 10 с передним 7 и задним 8 вылетами, приняты постоянными и равными радиусу R колес подвижного состава, т.е. ρ=R=const. Но для размещения сопрягающих кривых 13 и 14 постоянного радиуса R требуется много места. Сопрягающие кривые 13 и 14 выходят за пределы зоны l перекатывания на величину t с каждого ее конца. Практика показала, что износ металла крестовины в зоне l перекатывания происходит в 3-4 раза быстрее, чем за пределами этой зоны. Значит, в процессе эксплуатации достаточно быстро произойдет спрямление среднего участка 15 возвышения 10, а затем в пределах зоны l перекатывания будет образовываться вертикальная неровность 16 типа «впадина», как это показано штрихпунктиром на фиг.5, а на участках t, которые находятся за пределами зоны l и на которых интенсивность износа в 3-4 раза ниже, чем в зоне l, будут иметь место вертикальные неровности 17 и 18 типа «бугор». Каждое колесо 1, проходящее через зону перекатывания в направлении, указанном стрелкой, будет вынуждено преодолевать сначала неровность 17 типа «бугор», затем неровность 16 типа «впадина» и, наконец, снова неровность 18 типа «бугор». Можно убедиться в том, что при движении в обратном направлении колесо 1 будет преодолевать такую же последовательность вертикальных неровностей взаимно противоположных знаков, которые способствуют развитию волнообразной формы поверхности катания крестовины и ускоряют ее износ.
Чтобы избежать образования двух неровностей 18 и 19 типа «бугор» по разным сторонам неровности 16 типа «впадина» и тем самым предотвратить процесс формирования волнообразного износа, в крестовине предлагаемой конструкции, (фиг.6), длина участка возвышения (10) профиля равна длине l зоны перекатывания и находится в пределах этой зоны, сама крестовина содержит в зоне l перекатывания колес 1 с усовиков 2 на сердечник 3 возвышение 10 продольного профиля поверхностей катания, включающее в себя средний участок 15, выгнутый выпуклостью вверх, и две выгнутые кривые 13, 14 по концам, сопрягающие средний участок 15 с передним 7 и задним 8 вылетами крестовины так, что радиусы ρ кривизны в точках 19, 20 сопряжений равны радиусу R колес 1 подвижного состава. В отличие от прототипа, радиусы ρ сопрягающих кривых 13, 14 постепенно возрастают от величины R в точках 19, 20 сопряжения профиля с вылетами 7, 8 крестовины до бесконечности на границах 21, 22 среднего участка, где происходит переход профиля с вогнутого на выгнутый. Замена постоянных радиусов сопрягающих кривых 13, 14 переменными необходима для того, чтобы длину участка возвышения уменьшить до размеров зоны перекатывания. При этом ограничение минимального радиуса ρ вогнутых сопрягающих кривых 13, 14 радиусом R позволяет избежать схемы взаимодействия колеса 1 и крестовины, приведенной на фиг.4, нежелательной с точки зрения плавного вкатывания колеса 1 на вертикальную неровность возвышения 10.
Форма всех трех участков 13, 14, 15 возвышения 10 продольного профиля крестовины может быть описана общим уравнением параболы.
При современном уровне развития математики, вычислительной техники и технологии изготовления литейных моделей осуществимость конструкции, на наш взгляд, не может вызывать затруднений.
Устройство работает следующим образом. На первом этапе эксплуатации крестовины при движении по ней колес 1, каждое из них будет встречать только одну неровность - возвышение 10 типа «бугор», размеры которой совпадают с длиной зоны перекатывания l, а форма возвышения 10 выполнена с учетом распределения интенсивностей вертикального износа усовиков 2 и сердечника 3 в зоне перекатывания. Поскольку в соответствии с предлагаемым техническим решением образование локальных неровностей 16, 17, 18 в пределах зоны перекатывания l исключено, износ возвышения 10 профиля крестовины будет происходить по принципу «сглаживания» вплоть до спрямления траектории движения колес 1 вместе их перекатывания с усовиков 2 на сердечник 3 и обратно. После выработки запаса металла на износ работа крестовины ничем не отличается от работы крестовины традиционных конструкций.
Таким образом, задачу продления срока службы крестовины мы решили за счет предотвращения возможности образования на ней волнообразных неровностей 16, 17, 18, нарушающих плавность прохода подвижного состава, повышающих уровень динамического взаимодействия колес 1 с крестовиной и ускоряющих износ поверхностей катания как колес 1, так и самой крестовины.