СОЕДИНИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РЕЛЬСОВОЙ ЦЕПИ

Решение относится к железнодорожной отрасли, в частности к элементам электрических рельсовых цепей.
Уровень развития техники в данной области известен из нескольких решений, указанных ниже:
1. Известно решение (патент РФ на полезную модель №32123, приоритет от 26.12.2002 г.), в котором рельсовый пружинный соединитель выполнен в виде дугообразной пластины, на концах которой закреплены шаберы в качестве средства зачистки контактирующих поверхностей (шейки рельса) от ржавчины. Недостатком решения является его малый ресурс из-за того, что упругие свойства пружины утрачиваются при нагреве соединителя (пружина является токопроводом), что может произойти при росте величины тока в электрической цепи.
2. Известно решение (патент РФ на полезную модель №32124, приоритет от 6.02.2003 г.), в котором пружина и токопроводная пластина разделены, на токопроводной пластине закреплены шаберы в качестве контактных элементов, причем шаберы выполнены из токопроводного износостойкого высокопрочного материала. Недостатком решения является высокая стоимость изделия, что связано с материалом шабера, это материал из группы твердых сплавов, что достаточно дорого.
3. Наиболее близким решением на текущий момент по мнению заявителя является решение (патент РФ на полезную модель №33126, приоритет от 16.07.2003 г.), в котором твердосплавной материал шабера содержит медь, а на пластине между шаберами выполнена перемычка из материала, электропроводность которого выше, чем электропроводность материала токопроводной стальной пластины (иначе электрическое сопротивление материала перемычки ниже, чем материала пластины), на которой закреплены шаберы. В самом простом случае материалом перемычки является припой на основе латуни или медь. При этом твердость материала шабера значительно (на 50% и более) выше твердости рельса.
Недостатком решения является высокая стоимость изготовления соединителя. Она связана с применяемым материалом шабера и перемычки.
Техническим результатом предлагаемого решения является снижение стоимости изготовления соединителя.
Цель достигается применением для шабера более дешевого материала, обеспечивающего необходимый ресурс соединителя.
Таким образом, заявляемый объект, как и прототип, содержит пружину и токопроводную (стальную) пластину, на которой припаяны шаберы.
Однако заявляемый объект отличается от прототипа тем, что шаберы выполнены из материала, твердость которого незначительно (например, меньше чем на 50%) превышает твердость материала рельса на его шейке (допускается твердость на шейке не рельса не выше 35 НВ). В частности, шаберы могут быть закреплены механически, приклеены, наклепаны, запрессованы, отштампованы и т.д.
Между шаберами также может быть выполнена перемычка из материала с малым электрическим сопротивлением.
На фиг.1 показана принципиальная схема соединителя. На фиг.2, 3, 4, 5 и 6 показаны варианты исполнения соединителя.
Устройство соединителя следующее. Токопроводная пластина 1 с пружиной 2 и шаберами (электроконтактными вставками) 3 размещается на рельсовом стыке в пазухе между стыкуемыми рельсами 4 и 5 и рельсовой накладкой 7. Позиционирование соединителя осуществляется на рельсовых болтах, например, с помощью отверстия 7 в пластине 7, через которое проходит рельсовый болт 8. При затяжке гаек на рельсовых болтах рельсовая накладка 6 давит на пружину 2, та через пластину 1 прижимает шаберы 3 к шейкам рельсов 4 и 5. Шаберы на пластине могут быть закреплены разными способами, например:
- припаяны припоем 9;
- приклеены клеем 10;
- заклепаны или развальцованы, позиция 11;
- запрессованы с натягом, фиг.5, или заглушкой.
При этом для увеличения площади электрического контакта могут в пазухи закладываться токопроводные среды 13. Для снижения электрического сопротивления соединителя между шаберами на внешней (ближе к рельсам) стороне токопроводной пластины или на ее внутренней стороне может быть выполнена перемычка 14 из материала, имеющего электросопротивление меньше, чем материал токопроводной пластины.
Работает устройство следующим образом. При прохождении подвижного состава через рельсовый стык перемещение (вибрации) рельсов и соединителя приводит к зачистке шейки рельса от образовавшейся ржавчины и других продуктов взаимодействия рельсов с окружающей средой. В результате зачистки образуются чистые (ювенильные) металлические контактные площадки на шейке рельса и электрический ток (сигнальный или тяговый) из рельса 4 через шабер 3, через токопроводную пластину 1 (или перемычку 14), через следующий шабер 3 подается на рельс 5.
Для обеспечения указанной работы твердость материала шаберов и материала рельса (для термообработанных рельсов твердость различна на головке, шейке и подошве рельса, в частности она не может на шейке рельса быть более 35 НВ) могут соотноситься по разному. Например, шабер может быть выполнен из таких токопроводных материалов как медь или алюминий. Но в силу своей низкой твердости они быстро износятся, т.е. соединитель будет иметь низкий ресурс. Целесообразно чтобы ресурс шаберов был равен ресурсу рельса (от 10 до 25 лет в зависимости от условий эксплуатации) или был равен времени эксплуатации рельсов между их технологическими заменами (инвентарные рельсы эксплуатируются 3-12 месяцев). Следовательно, твердость материала рельса и материала шабера должны быть соизмеримы или твердость материала шаберов должна незначительно быть выше твердости материала шейки рельса. Проверка показала, что незначительно, это вполне достаточно, если твердость шабера будет на 10÷50% выше твердости рельса. Такую твердость имеет много конструкционных материалов, например инструментальные (У7), пружинные (60ХГСА) стали и т.д.
Но при этом следует из них выбирать те, которые обладают меньшим электрическим сопротивлением для того, чтобы иметь меньшее электросопротивление соединителя.
В таблице 1 приведено обоснование соотношения твердостей шабера и шейки рельса для обеспечения гарантированного ресурса соединителя сроком 1 год.
Таблица 1
Процент превышения твердости шабера над твердостью шейки (35 НВ) рельса
5
10
20
30
40
50
60
Ресурс изделия до износа шабера, год
0,8
1,0
1,10
1,12
1,20
1,30
1,57
Из данных таблицы 1 видно, что при превышении твердости менее, чем на 10% требуемый ресурс не обеспечивается. Иметь ресурс более 1,3 года нецелесообразно. В силу этого ресурс обеспечивается при превышении твердости шабера над твердостью шейки рельса на 10÷50%.
С позиций достижения технического результата заявляемого решения установлено, что при одинаковых конструктивных размерах шаберов изготовление его по заявляемому решению позволят экономить по отношению к твердосплавному шаберу от 18 до 32 рублей на каждом соединителе. При годовом потреблении соединителей (на сети железных дорог РФ в год вводится в эксплуатацию около 300 тысяч штук таких соединителей) экономия составляет 5,4-9,6 млн. рублей.
В частности, оптимальные свойства по твердости (и износостойкости) и электросопротивлению можно получить при изготовлении шабера методом порошковой металлургии из стального порошка. При этом можно обеспечить в материале шабера достаточно высокую пористость (позиция 16 - поры). Открытые поры 17, оказавшиеся на поверхности шабера выполняют роль режущих лезвий (шабрение - это процесс микрорезания лезвием или трения с образованием явления «шелушения» более мягкого материала частицами в виде отслаивающихся чешуек).
Явление пористости шабера можно использовать для обеспечения консервации ювенильной поверхности контактной площадки от агрессивного воздействия окружающей среды. Для этого нужно материал-консервант (это специальные текучие материалы, масла или токопроводные смазки и среды) поместить в материал шабера. Наиболее просто (например, методом вакуумной пропиткой) материал-консервант электропроводный разместить в порах электрода, изготовленного методом порошковой металлургии. В этом случае при шабрении материал шейки рельса на контактной площадке будет сразу «смазываться» выделяющейся из пор смазкой, что будет снижать величину переходного сопротивления и обеспечивать защиту контактной площадки от ржавления за счет нанесения консервационной смазки.