ПРУЖИННАЯ КЛЕММА РЕЛЬСОВОГО СКРЕПЛЕНИЯ

Полезная модель относится  к верхнему строению железнодорожного пути, в частности к устройству крепления рельсов к железобетонным шпалам.
Известна конструкция пружинной клеммы, которая выполнена из прутка круглого сечения, изогнутого с образованием П-образной в плане формы. У клеммы сформирован прямолинейный нарельсовый участок, который через дуговые участки соединен с двумя прямолинейными боковыми участками. В свою очередь боковые участки соединены дуговыми участками с прямолинейными нашпальными участками, которые переходят в концевые участки, отогнутые к нарельсовому участку (пат. РФ №2185471).
Недостаток известной конструкции пружинной клеммы связан с низкой усталостной прочностью. Клеммы в процессе эксплуатации испытывают значительные циклически изменяющиеся напряжения. Максимальные напряжения возникают в сечениях, наиболее удаленных от точек приложения сил, действующих на клемму, то есть в сечениях, расположенных на дуговых участках, соединяющих боковые участки с нашпальными. Возникающие в этих сечениях значительные циклически изменяющиеcя напряжения при определенном количестве циклов нагружения приводят к преждевременному разрушению клеммы.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является конструкция пружинной клеммы для крепления рельсов к железобетонным шпалам, которая выполнена из прутка упругого материала круглого поперечного сечения с образованием В-образной формы в плоскости клеммы. Клемма содержит прямолинейный нарельсовый участок, концы которого плавно переходят в боковые протяженные участки, а расположенные за ними дуговые нашпальные участки соединены с отогнутыми внутрь клеммы концевыми участками. При этом часть каждого дугового нашпального участка, расположенная ближе к концевому участку, выполнена с изгибом в плоскости, перпендикулярной плоскости клеммы, а величина кривизны изгиба соизмерима с радиусом прутка клеммы (пат. РФ № 2252287).
Недостаток известной конструкции пружинной клеммы, поперечное сечение которой по всей её длине представляет собой круг постоянного диаметра, связан со сравнительно низкой усталостной прочностью. В процессе эксплуатации клемма испытывает значительные циклически изменяющиеся напряжения изгиба и кручения. Эти напряжения принимают максимальные значениям в зонах, расположенных на дуговых нашпальных участках в сечениях, наиболее удаленных от точек приложения сил, действующих на клемму. Представленные в работе (Железков О.С., Виноградов А.Г. «Исследование внутренних силовых факторов, возникающих в пружинных клеммах при их установке» / Производство конкурентоспособных метизов. Сб. науч. тр. Вып. 3. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. С. 117-120) результаты исследований показывают, что наибольшие напряжения от совместного действия изгибающего и крутящего моментов, действующих на клемму в процессе эксплуатации, возникают в поперечных сечениях, расположенных на дуговых нашпальных участках. В работе («Технология производства упругих клемм рельсовых скреплений ЖБР-65: пути совершенствования» / Федин В.М., Борц А.И., Кузнецов В.В. и др. // Вести ВНИИЖТ. 2005, № 5. С. 21-27) представлены результаты испытаний клемм В-образной формы круглого поперечного сечения на циклическую нагрузку, а также данные об их разрушении в процессе эксплуатации в условиях Горьковской железной дороги. Представленные данные подтверждают тот факт, что наиболее опасные сечения в клеммах известной конструкции располагаются на дуговых нашпальных участках.
Другой недостаток известной конструкции связан с тем, что часть каждого дугового нашпального участка выполнена с изгибом в плоскости, перпендикулярной плоскости клеммы. Процесс изготовления клеммы подобной конструкции связан с повышенными затратами, так как необходимо выполнять дополнительную операцию гибки этих участков, для чего требуются специальный штамп, прессовое оборудование и обслуживающий персонал.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение срока эксплуатации пружинных клемм за счет обеспечения повышения усталостной прочности.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым техническим решением, заключается в обеспечении снижения циклически изменяющихся напряжений изгиба и кручения за счет изменения формы поперечного сечения на дуговых нашпальных участках.
d
h
d
Поставленная задача решается тем, что согласно предложению у  известной пружинной клеммы рельсового скрепления, выполненной из прутка упругого материала, изогнутого с образованием  прямолинейного нарельсового участка, плавно соединенного с двумя боковыми протяженными участками, которые дуговыми нашпальными участками соединены с концевыми участками, отогнутыми внутрь клеммы, при этом прямолинейный нарельсовый участок, боковые протяженные и концевые участки выполнены с круглым поперечным сечением одинакового диаметра , согласно изменению дуговые нашпальные участки выполнены с бочкообразным профилем в поперечном сечении, высота которого составляет (0,70÷ 0,75) диаметра  участков с круглым поперечным сечением.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен вид в плане на пружинную клемму с сечениями А-А и Б-Б.
d
h
d
b
-
a
-
Пружинная клемма рельсового скрепления (фиг.1) выполнена из круглого прутка диаметром  = 16÷17 мм стали марки 40С2А или 60С2А пластическим деформированием (штамповка участков под формирование дуговых нашпальных участков и пластическая гибка). Клемма содержит прямолинейный нарельсовый участок 1, концы которого плавно соединены с двумя боковыми протяженными участками 2, а расположенные за ними дуговые нашпальные участки 3 соединены с концевыми участками 4, отогнутыми внутрь клеммы. При этом дуговые нашпальные участки 3 выполнены с поперечным сечением бочкообразного профиля, высота  которого составляет (0,70÷0,75) диаметра  участков с круглым поперечным сечением;  максимальная ширина бочки,  ширина контакта со штамповым инструментом (см фиг.).
Клемма устанавливается на железобетонную шпалу таким образом, что  нарельсовый участок 1 ложится на верхнюю часть полки рельса, а дуговые нашпальные участки 3 входят в контакт с упорной прокладкой, установленной на шпале. При этом между концевыми участками 4 располагается резьбовая часть закладного болта (на фиг. не показана). На закладной болт одевается скоба (на фиг. не показана), которая нижними участками контактирует с концевыми участками 4 клеммы. При завинчивании гайки на резьбовой участок закладного болта нарельсовый участок 1 прижимает подошву рельса к шпале с определенной силой. При движении железнодорожного состава возникают силы трения между рельсом и шпалой, которые удерживают рельс от продольного смещения. Создание необходимых сил прижатия рельса к шпале и сохранение этих сил в процессе эксплуатации существенно влияют на надежность работы железнодорожного пути и затраты на его обслуживание.
d
Изготовлены опытные партии и проведены испытания пружинных клемм разработанной конструкции. Клеммы были изготовлены из горячекатаной стали марки 60С2А диаметром  = 17 мм. Вначале у заготовки, отрезанной от пруткового металла, штамповкой путем радиального деформирования плоскими пуансонами формировались два участка с бочкообразным сечением под будущие дуговые нашпальные участки. Затем с использованием специальных гибочных станков осуществлялся процесс пластической гибки с формированием соответствующих участков. Следует отметить, что форма и размеры полученных клемм соответствовали параметрам, которые заложены в предлагаемом техническом решении. После гибки клеммы подвергались термической обработке (закалке и отпуску).
h
h
h
h
h
h
d
В ходе отработки рациональных параметров и режимов деформирования изготавливались три партии клемм с различной высотой дуговых нашпальных участков. У первой партии высота   бочкообразного  сечения составляла  10 0,5 мм, у второй партии высота   = 120,5 мм и у третьей  = 140,5 мм. В процессе штамповки замерялись усилия формирования участков с бочкообразным сечением. Установлено, что максимальные усилия радиальной осадки возникают при изготовлении  первой партии при  = 100,5 мм. Они на 38÷44 % выше, чем при деформировании заготовки  на высоту бочки = 120,5 мм (второй партии). Таким образом, при менее 0,70имеет место существенный рост усилия штамповки, что приводит к снижению стойкости штампового инструмента, то есть к снижению срока эксплуатации.
h
h
Р
Р
min
max
Используя испытательную машину ЦДМ Пу-10, проведена серия  испытаний клемм второй и третьей партий ( = 120,5 мм  и   = 140,5 мм) на циклическую нагрузку. Кроме того, испытывались стандартные клеммы ЖБР-65. При испытаниях клеммы подвергались сжатию с изменение сжимающей силы от   = 22,5 кН  до  = 30,0 кН  с частотой 500 циклов в минуту, что соответствует реальным эксплуатационным условиям. Результаты экспериментов (5 клемм от каждой партии) представлены в таблице.
h
h
d
h
Анализ результатов испытаний показывает, что при использовании клемм с высотой бочкообразных участков  = 14 мм по сравнению со стандартными клеммами ЖБР-65 увеличение циклической прочности не превышает 4÷6%. Таким образом, при  более 0,75циклическая прочность повышается незначительно. В тоже время для клемм с бочкообразными участками высотой  = 12 мм циклическая прочность по сравнению с леммами ЖБР-65 увеличивается на 14÷16%.
Таблица
Результаты циклических испытаний
Форма сечения
Размеры,мм
Количество циклов до разрушения
Круг
<b></b><b><i>d </i></b><b></b>=17 мм
(1,96÷2,05) ×10<sup>6</sup>
Бочкообразное
<b></b><b><i>h</i></b><b></b> = 12 мм
(2,24÷2,33) ×10<sup>6</sup>
Бочкообразное
<b></b><b><i>h</i></b><b></b> = 14 мм
(2,08÷2,14) ×10<sup>6</sup>
Таким образом, применение разработанной конструкции обеспечивает повышение усталостной прочности клемм, а, следовательно, и увеличивает срок эксплуатации изделия.