Способ геометрической компенсации температурных перемещений рельсового пути и устройство для его осуществления
METHOD OF GEOMETRICAL COMPENSATION OF TEMPERATURE DISPLACEMENTS OF RAIL TRACK AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к компенсации температурных и силовых перемещений бесстыкового рельсового пути скоростных магистралей, содержащих блоки автоматической компенсации температурных перемещении бесстыкового рельсового пути, программное управление, сезонные вставки, боковые накладки, болтовые соединения, и может быть использовано для компенсации перемещений звеньевого, стыкового пути.
Известен блок компенсации рельсового стыка железнодорожного пути, содержащий состыкованные с зазором рельсы, торцы которых симметричны относительно линии стыковки, косо срезаны под углом 60°, соединены болтовыми накладками с установленными в зазоре вкладышами, которые закреплены с возможностью их возвратно-поступательного движения относительно угла среза рельсов с приводом от кинематической шарнирно-рычажной системы [1].
Недостатком являются сложная кинематическая цепь, включающая набор малогабаритных деталей, снижающих надежность и безопасность эксплуатации подвижного состава. Другим недостатком являются ограниченные возможности размеров компенсации и незначительная длина между блоками компенсации стыков (до 33 метров), обеспечивающая непрерывность рельсовой нити.
Известен способ автоматической компенсации температурных перемещений бесстыкового рельсового пути, принятый за прототип, содержащий остряковые рельсы, зазор между ними, остряковую платформу, пружинные упоры, блок программного управления (БПУ), датчики требуемой информации [2].
Недостатком способа является ограниченная возможность увеличения длины бесстыкового пути, необходимость установки сезонных уравнительных рельсовых вставок и применения комбинированного строения в сочетании с участками звеньевого пути [3].
Целью изобретения является увеличение длины бесстыковых рельсовых нитей, размеров компенсируемых температурных и силовых перемещений, упрощение трудоемких операций по замене сезонных рельсовых вставок без демонтажа пути, автоматизация, механизация, использование искусственного интеллекта, сокращение времени и разработка способа многократной замены.
1. Способ геометрической компенсации температурных перемещений рельсового пути, включающий рельсовые нити, болтовые соединения, шпалы, остряковые рельсы, зазор между ними, остряковую платформу, сезонные вставки, блок программного управления (БПУ), отличающийся тем, что компоновку рельсового пути осуществляют установкой на границах между подвижными концевыми плетями на обеих нитях поперечных направляющих с подвижным в поперечном направлении блоком геометрической компенсации перемещений, на котором жестко закрепляют параллельно оси пути от 2 до 10 парных рядов ложементов в последовательности длин Б<С<Д, а поперечный шаг между парными рядами устанавливают равным размеру рельсовой колеи, а продольный шаг между ложементами устанавливают равным шагу шпальной решетки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в парные ряды ложементов с обеих сторон устанавливают рельсовые вставки одинаковой длины на уровне поверхности катания рельсового пути, которые маркируют в соответствии с нарастающей длинной Б<С<Д и так далее, а боковыми зазорами между парными рядами обеспечивают свободное прохождение гребней колесных пар.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что рельсовые вставки и парные ряды ложементов в которых их укладывают и закрепляют, маркируют одним индексом в последовательности длин Б<С<Д, при этом маркировку каждой следующей пары рельсовых вставок начинают с наименьшей длины которую увеличивают пропорционально величине компенсируемого одностороннего зазора устройства по способу автоматической компенсации температурных перемещений бесстыкового рельсового пути в пределах Е/2 от 50 до 250 мм.
4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в положительной области температур для компенсации перемещений между торцами остряковых рельсов с обеих сторон в обеих рельсовых нитях устанавливают максимальный зазор, перемещают блок геометрической компенсации, устанавливают в ось рельсового пути укороченные рельсовые вставки, соответствующие по длине температурному диапазону, величине удлинения и длине нитей, а при компенсации зазоров в отрицательной области, остряковые рельсы сдвигают до нулевого зазора, перемещают блок геометрической компенсации, устанавливают удлиненные рельсовые вставки, при этом, в обеих случаях, обеспечивают компенсацию максимальных перемещений.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что рельсовые вставки требуемой длины после установки в ось рельсового пути закрепляют окончательно болтами в ложементах крутящим моментом, обеспечивают при этом сопротивление продольному сдвигу от 10-200 н/см, устраняют боковой люфт, регулируют прокладками размер колеи, соединяют с остряковыми и магистральными рельсами стыковыми накладками, а блок геометрической компенсации в направляющих защемляют от поперечных перемещений электрическим тормозом или ручным рычажным приводом.
6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в зависимости от длины бесстыковых рельсовых нитей, температуры рельсов и допускаемых напряжений осуществляют многократную замену рельсовых вставок в течении сезона, компенсируют зазоры, уменьшают НДС рельсов, для чего перемещают от 2 до 10 раз блок геометрической компенсации перемещений в ручном или автоматическом режиме по команде БПУ через интервал температур исчерпывающий возможности перекрытия зазоров устройства по способу автоматической компенсации температурных перемещений бесстыкового рельсового пути по способу автоматической компенсации температурных перемещений бесстыкового рельсового пути.
7. Устройство для осуществления способа по п. 1, включающее остряковые рельсы, остряковую платформу, рельсовые вставки, стыковые накладки, крепежные болты, отличающееся тем, что оно снабжено направляющими поперек пути с обеих сторон устройства по способу автоматической компенсации температурных перемещений бесстыкового рельсового пути с установленными на них блоками геометрической компенсации перемещений, с возможностью многократного размерного пошагового поперечного перемещения в автоматическом или ручном режиме относительно оси рельсового пути.
8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что блок геометрической компенсации перемещений снабжен параллельными оси рельсов парными рядами ложементов с поперечным шагом, равным шагу колеи, с продольным шагом между ложементами, равным шагу шпальной решетки, которые снабжены винтами для крепления рельсовых вставок.
9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что оно снабжено электрическим и дублирующим ручным рычажным приводом, штурвалом, тормозами для перемещения и фиксации рабочего положения блока геометрической компенсации перемещений рельсового пути, после размещения и закрепления рельсовых вставок.
Сокращения, принятые в описании изобретения:
ОР - остряковый рельс;
ОП - остряковая платформа;
БПУ - Блок программного управления;
БРП - Бесстыковой рельсовый путь;
БАК - Блок автоматической компенсации температурных перемещений; бесстыкового рельсового пути.
БГК - Блок геометрической компенсации перемещений;
НДС - Напряженно-деформационное состояние рельсов.
На фиг. 1 показана компоновочная схема бесстыкового рельсового пути.
На фиг. 2 показан вид сбоку рельсового пути.
На фиг. 3 показан вид по стрелке А.
На фиг. 4 показан разрез Б-Б.
Устройство для осуществления способа состоит из следующих основных деталей: БАК 1 (фиг. 1), ОР 2, стыкового соединения 3, концевой плети 4, рельсовых вставок 5, БГК 6, неподвижной плети 7, направляющих 8 (фиг. 3), стыковых накладок 9, мотор-редуктора 10, тормоза 11, штурвала 12, реечного привода 13, основания БАК 14, ложементов 15 (фиг. 4), гайки 16, укороченных накладок 17, винтов 18, гайки 19, шарика 20, подрельсовых прокладок 21, прокладок 22, БПУ 23, датчика движения 24, конечных переключателей 25, датчика температуры окружающей среды 26, датчика температуры рельсов 27, рычажной системы 28, массы 29, Б, С, Д - маркировка рельсовых вставок и ложементов.
Линия проводов, связывающая с БПУ, 10 - мотор-редуктор, 11 - тормоз, 24 - датчики движения и положения, 25 - линия конечных переключателей, 26 - датчик температуры окружающей среды, 27 - датчик температуры рельсов.
Посредством устройства способ осуществляется следующим образом. В соответствии с компоновкой бесстыкового рельсового пути (фиг. 1) на подрельсовом основании 14 (фиг. 2), перед и за БАК 1 на расстоянии крайнего положения остряковых рельсов 2 перемещающихся по стрелке К устанавливают поперечные направляющие 8 с обеих сторон, на которых размещают БГК 6. с возможностью поперечного перемещения по стрелке Г.
В автоматизированном варианте поперечное перемещение БГК по стрелке Г осуществляется по команде БПУ на включение мотор-редуктора 10 через реечный привод 13. При отсутствии электропитания предусмотрено ручное перемещение вращением штурвала 12.
На подвижной платформе 6 БГК в размер колеи жестко закреплены ложементы 15 гайками 16 (фиг. 4). Ложементы разной дины с буквенной маркировкой Б, С, Д, предназначенные для жесткого крепления в них рельсовых вставок 5 соответствующей длины с такой же буквенной маркировкой Б<С<Д, (показаны пунктиром на фиг. 1 и буквенным обозначением (фиг 3, 4). Рельсовые вставки имеют длину, соответствующую разности максимальной компенсации перемещений ОР с одной стороны БАК, равной Е/2 в пределах 50-250 мм с каждой стороны (фиг. 1).
Рельсовая вставка 5 с индексом Б имеет наименьшую длину, длина остальных увеличивается по мере увеличения количества от 2 до 10 пар, закрепляемых неподвижно на БГК с шагом от 50-250 мм. Длина рельсовых вставок и их количество определяется длинной бесстыковых рельсовых нитей, температурой, уровнем допускаемых напряжений и величиной требуемой компенсации.
На фиг. 1 представлена эпюра продольных сил в нитях бесстыкового пути. Участок 7 изображает основную неподвижную рельсовую плеть с эпюрой сил ЭFt+Fc, где Ft - сила температурных, Fc - сила продольных перемещений. Участок X отражает размер подвижных концевых плетей 4, на границе с которыми установлены БАК и БГК.
Для создания единой системы автоматизированной компенсации температурных перемещений по всей сети дорог без ограничений температуры и длины рельсовых нитей необходимо использовать стандартную разбивку общего диапазона изменения температур окружающей среды, и стандартных длин сварных рельсовых нитей необходимых для расчета количества многократно меняемых рельсовых вставок в данном регионе. Разбивка рабочего диапазона температур осуществляется в соответствии с многолетними статистическими данными замеров температуры рельсов.
Для устранения трудоемких монтажных операции при замене рельсовых вставок Б, С, Д и т.д. предусмотрена возможность их многократного перемещения от 2 до 10 раз за счет автоматического и механизированного передвижения БГК 6 в направляющих 8 с окончательно закрепленными в них рельсовыми вставками 5 в ложементах 15 винтами 18 завинчиваемыми в резьбовые втулки ложементов. Рельсовые вставки выполняют разной длины Б<, С<Д и т.д. рассчитанной для установки в каждом стандартном диапазоне температур с учетом установленной стандартной длины бесстыковых плетей.
Перемещение осуществляется автоматически от электропривода в зависимости от температуры на включение мотор редуктора 10 или вручную по команде БПУ.
Перед заменой рельсовых вставок в отрицательной области температур, например, короткой Б на удлиненную С до поперечного перемещения БГК необходимо ОР сдвинуть до нулевого зазора между их торцами, освободив место для прохождения более длинной рельсовой вставки С. Первоначальное положение рельсовой вставки Б показано пунктиром (фиг. 3). Перемещение БГК при замене вставки Б, показанной пунктиром, потребовалось для компенсации укорочения рельсов основной магистрали при низких температурах до величины допустимого продольного одностороннего перемещения ОР БАК (50-250 мм).
Продольное перемещение рельсовых вставок в ложементах при укорочении или удлинении рельсов в процессе эксплуатации обеспечивается за счет момента затяжки болтов 18, устраняющих поперечный люфт рельсовых вставок и обеспечивающих сопротивление осевому перемещению порядка 10-200 н/см [3].
При достижении, например вставки С (показано на фиг. 3) оси рельсов конечный выключатель 25 отключает мотор редуктор, включает тормоз 11, обеспечивает поперечную фиксацию рельсовых вставок. При отсутствии электропитания устанавливается ручная рычажная система.
При замене рельсовых вставок, например, длинной С на короткую Б, при положительных температурах до поперечного перемещения БГК необходимо ОР раздвинуть до предельного допустимого значения, резервируя место для установки укороченной рельсовой вставки, компенсирующей удлинение магистральных рельсов при нагреве.
После установки вставок в исходное положение их закрепляют с магистральными и ОР стыковыми накладками 9, обеспечивая жесткость, устойчивость и сплошность пути.
Кроме того, осуществляют жесткую фиксацию поперечного положения БГК за счет тормоза 11, работающего в автоматическом и ручном режиме, за счет массы на конце рычага 30. Для поперечного перемещения можно использовать автоматизированный привод от стрелочных переводов, что значительно упростит доводку изобретения.
Увеличивая разность длин рельсовых вставок и их количество от 2 до 10 с многократной заменой, компенсируя каждый раз величину зазоров с обеих сторон БАК по 300-500 мм, можно увеличить дину рельсовых нитей при 10 кратной замене до 30-50 км и более.
Многократная замена рельсовых вставок обеспечивает уменьшение НДС в рельсах, что способствует изменению напряженного состояния с объемного на плоское, изменяет уровень амплитуды и характер цикла знакопеременного нагружения, увеличивает надежность и долговечность рельсов.
Расчеты показывают, что применяя высокопрочные и облегченные рельсы в комплексе с ранее полученными патентами на способы фрикционной [5] и автоматической [2] компенсации зазоров совместно с предлагаемым способом геометрической компенсации открываются перспективы значительного увеличения линейных параметров бесстыковых рельсовых нитей вплоть до сохранения их непрерывности на всем протяжении пути.
Автоматика БПУ представляет собой надежный образец применения типовых датчиков движения, положения, температуры, конечных переключателей с программным обеспечением последовательности и моментов их включения.
Рельсовые вставки выполняют с зауженной подошвой под размер головки рельса, что обеспечивает надежное закрепление их в ложементах 15. Подрельсовая прокладка 21 и прокладка 22 обеспечивают регулировку вертикального и поперечного положения рельсовых вставок.
Эксплуатация рельсового пути представляет одну из сложнейших дорогостоящих технических проблем, связанных с постоянным контролем и поддержанием стыковых зазоров в установленных пределах, контролем уровня напряжений растяжения и сжатия в рельсах, уровня затяжки закладных и стыковых болтов, неоднократной сезонной постановкой и заменой уравнительных пролетов, мониторингом смещения рельс, профилактикой выбросов угонов с упреждением постоянных угроз, требующих содержания огромного штата обслуживающего персонала [4].
Стоимость обслуживания верхнего строения пути составляют 40% от общих затрат на его содержание.
Внедрение предлагаемого изобретения открывает возможность автоматизации сложных дорогостоящих и опасных процессов, не допускающих субъективных и спонтанных решений. Разработка предлагаемого комплекса мероприятий, внедрение компактных узлов и механизмов компенсации зазоров по предлагаемому способу позволит использовать их для установки в местах концентрации аварийных проявлений, выявленных в процессе многолетней эксплуатации, упредить вероятность случайных аварий, сосредоточить и автоматизировать узлы управления зазорами и напряженным состоянием в рельсах в одном месте на больших промежутках. Использование БГК позволит значительно увеличить возможности температурной компенсации бесстыкового рельсового пути в неограниченном диапазоне изменения температур и длины пути с большими промежутками размещения станций автоматического управления параметрами пути, повысить надежность и безопасность скоростного движения.
Литература
1. Патент №2254408 С2 МПК ЕО1В 11/32 от 11.11.2002.
2. Патент №2685491 С1 МПК EOJB 11/12 от 22.06.2018.
3. Бесстыковой путь. Москва «Транспорт» 2000.
4. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути. МПС России. М.: Транспорт, 2000. 223 с.
5. Патент №2686597 С1 МПК EO1B 11/32 от 22.06.2018.