УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ АРМИРОВАННЫХ ШПАЛ
DEVICE FOR COMPOSITE REINFORCED SLEEPER PRODUCTION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к железнодорожному транспорту, более конкретно - к устройствам (установкам) для изготовления шпал, а именно к устройствам для изготовления композиционных армированных шпал.
Уровень техники
Известно устройство для реализации способа изготовления литой шпалы по патенту РФ 2179923 «Способ изготовления литой шпалы для железных дорог широкой колеи». Устройство содержит пресс-форму (матрицу), ограничительный кожух (рубашку), фигурную нагружающую плиту и пресс. Шпала изготавливается прессованием под высоким давлением композиции из древесных волокон, жидкой вискозы и продуктов переработки автотракторных шин. Устройство обеспечивает возможность утилизации отходов деревообрабатывающей промышленности и утилизацию изношенных резино-металлических элементов автотранспорта. Однако применяемое устройство не позволяет использовать его для получения современных композиционных пластиковых шпал путем переработки промышленных и бытовых отходов пластика. Кроме того, устройство не может быть использовано для изготовления шпал со строго позиционируемыми армирующими элементами, которые позволяет формировать заданные механические характеристики шпалы. Так же данное устройство неприменимо для получения шпал с закладными элементами, обеспечивающими точный монтаж рельсового пути, поскольку в процессе формообразования действие нагружающей плиты приводит к смещению слоев прессуемого материала.
Известно устройство по патенту РФ №2520463 "Способ и экструзионное устройство для изготовления балочных элементов закрытого профиля, главным образом трубчатых балок, и балочный элемент закрытого профиля, изготовленный этим способом". Устройство содержит экструдер с корпусом и шнековым валом, формирующими канал прессования, нагревающим узлом и питателями, подающими смесь для формирования композиционных балочных элементов. Конструкция устройства позволяет изготавливать балочные элементы различного профиля, в том числе и балки, оптимизированные по соотношению масса/прочность. Недостатком устройства является то, что создание композиционных балок с его использованием допускает применение только армирующих элементов малых размеров, хаотично распределенных по объему формируемого изделия. Например, армирующими элементами могут быть фрагменты волокна, полотна, щепы, но не длинномерные, крупногабаритные стержни, трубы или пластины. Кроме того, устройство не позволяет использовать закладные элементы в формируемом изделии.
Известно устройство по United States Patent 6336265 "Composite railroad cross tie and method of manufacturing same", содержащее профилированную головку экструдера, повторяющую сечение формируемой шпалы, зубчатые подающие ролики, нагреватели и впускной канал для подачи термопластического материала. Устройство позволяет формировать шпалу, армированную деревянным брусом, покрывая его поверхности пластическим материалом толщиной 4-20 мм. Устройство позволяет использовать армирующий деревянный сердечник из натуральной древесины или переработанной щепы по типу ориентированной стружечной плиты (OSB), фанераы и тому подобное. Использование устройства позволяет проводить глубокую капсулизацию древесного армирующего бруса, однако не пригодно для изготовления цельнопластиковой шпалы с точно установленными закладными узлами и несколькими армирующими элементами малого поперечного сечения, расположенными в заданных местах формируемого изделия.
Из патента Российской Федерации RU 2540641 "Композиция и способ для производства железнодорожных шпал" известно устройство для получения композиционных шпал методом экструзионного прессования в форму, повторяющую сечение готовой шпалы. Устройство содержит дозирующий бункер, смеситель, ленточный транспортер, насос-экструдер, разъем экструдера-фильеру и пресс-форму. Устройство позволяет изготавливать шпалы из переработанного вторичного пластика с добавкой волокнистого армирующего материала. Недостатками указанного устройства являются то, что его использование не позволяет изготавливать композиционные шпалы, содержащие закладные элементы крепления. Кроме того, устройство не может быть использовано для получения шпал с длинномерными армирующими элементами, например, стержнями, пластинами, коробами, расположенными в заданных местах формируемого изделия.
Раскрытие изобретения
Технический результат изобретения состоит в том, что предлагаемое устройство обеспечивает поточное, качественное, безопасное, экологичное и энергоэффективное изготовление композиционных шпал, содержащих закладные крепежные элементы и армированных элементами, строго позиционированными по объему шпалы.
Технический результат достигается тем, что предложено устройство для изготовления композиционных армированных шпал, содержащее пресс-форму, экструдер, фильеру экструдера и транспортер. Устройство дополнительно содержит группу пресс-форм, механически соединенных между собой, при этом все пресс-формы закреплены на вращающихся дисках с полуосями, приводимых в движение электроприводом с программным компьютерным управлением по сигналам датчиков положения и параметров техпроцесса, каждая пресс-форма оснащена торцевыми шиберными заслонками и имеет теплообменник, соединенный трубопроводом с теплообменником другой пресс-формы, устройство содержит стержни-фиксаторы закладных элементов армирующих сборок, выполненные с возможностью их позиционирования синхронизированно с изменением положения пресс-форм, а транспортер предназначен для перемещения армирующих сборок в пресс-форму и выполнен в виде желоба-кондуктора с толкателем-загрузчиком, при этом фильера экструдера оснащена подвижным разъемом.
Выполнение устройства в виде группы механически соединенных между собой пресс-форм, закрепленных на вращающихся дисках с полуосями, позволяет реализовать конструкцию устройства для изготовления армированных шпал по типу револьверных литьевых машин, характеризующихся высокой производительностью при низкой материалоемкости конструкции и высокой компактности. Реализация замкнутой траектории перемещения пресс-форм относительно общей оси вращения минимизирует транспортные энергозатраты, что положительно сказывается на себестоимости продукции.
Роторные литьевые машины револьверного типа хорошо известны в области переработки полимерных материалов литьем под давлением (см., например, а. с. СССР №388901 "Револьверная литьевая машина"), но в устройствах для изготовления композиционных армированных шпал их применение авторам не известно. Исходя из требования о соблюдении единства прототипа, этот признак не может быть исключен, ибо он придает существенное отличие в достижении технического результата по сравнению с прототипом.
Перемещение пресс-форм на вращающихся дисках с полуосями посредством электропривода с программным компьютерным управлением позволяет гибко управлять технологическим процессом формирования шпал, корректируя время перемещения пресс-форм в зависимости от свойств полимерных материалов, режимов их пластификации, теплофизических характеристик пресс-форм, армирующих элементов. Программное управление позволяет гибко перенастраивать процесс формования шпал в зависимости от состояния окружающей среды, что существенно сокращает брак продукции и временные затраты на переналадку оборудования.
Компьютерное управление движением по сигналам датчиков положения и параметров техпроцесса позволяет не только строго позиционировать взаимное положение узлов конструкции, например, пресс-формы и разъема фильеры экструдера, но и отслеживать в реальном времени протекание процесса формообразования шпал, внося в автоматическом режиме коррективы в программу управления устройством, например, сокращая цикл выдержки для остывания при снижении температуры теплоносителя в теплообменнике.
Оснащение каждой пресс-формы торцевыми шиберными заслонками позволяет производить загрузку армирующих сборок, подключать разъем фильеры экструдера, капсулизировать пресс-форму до застывания полимера и выполнять извлечение из пресс-формы готовой продукции. Шиберные заслонки могут быть выполнены, например, с электромеханическим приводом, что позволяет управлять ими в автоматическом режиме, строго синхронизируя их положение (закрыто/открыто) с этапами технологического процесса.
Наличие теплообменника в каждой пресс-форме, соединенного трубопроводом с теплообменником другой пресс-формы, позволяет обеспечить экономное расходование тепловой энергии. Тепло, забираемое от пластической массы на стадии охлаждения шпалы, передается теплоносителем для прогрева пресс-формы, поступающей под заливку. Такое конструктивное решение позволяет избежать преждевременного локального застывания пластической массы и предотвращает возникновение пустот, раковин и других дефектов несплошности. При этом нет необходимости в перегреве пластической массы в экструдере, что позволяет экономить тепловую энергию и снизить себестоимость изготовления продукции.
Применение для перемещения армирующих сборок в пресс-форму транспортера в виде желоба-кондуктора позволяет проводить точное позиционирование армирующих сборок по отношению к торцевому окну пресс-формы, что предотвращает возможность разрушения при перемещении. Использование толкателя-загрузчика обеспечивает однозначность установки армирующих сборок, что положительно сказывается на воспроизводимости механических характеристик изготавливаемых шпал.
Применение стержней-фиксаторов обеспечивает строгое геометрическое позиционирование закладных элементов в пресс-форме, что важно для обеспечения заданных допусков расположения крепежных элементов в готовом изделии. Синхронизация перемещения стержней-фиксаторов с изменением положения пресс-форм при движении по заданной траектории позволяет избежать разрушения армирующих сборок и технологической оснастки в процессе загрузки-выгрузки пресс-форм.
Оснащение фильеры экструдера подвижным разъемом позволяет автоматизировать стыковку экструдера и пресс-формы, что положительно сказывается на производительности устройства и безопасности его эксплуатации. Подвижный разъем может быть выполнен, например, самозапирающимся, для предотвращения утечек пластического материала в период смены заполненной пресс-формы на пресс-форму, подготовленную для заливки.
Краткое описание чертежей
Для пояснения работы устройства на Фиг. 1, для примера, показана его общая схема, а на Фиг. 2 - вид с разрезом по сечению А-А. На Фиг. 3 - укрупненный фрагмент со схемы на Фиг. 1.
Осуществление изобретения
Устройство для изготовления композиционных армированных шпал, например, методом экструзионного литья под давлением, выполнено в виде установки револьверного типа, содержащей горизонтальный барабан с вращающимися пресс-формами. На Фиг. 1 показан общий вид устройства с частичным разрезом по вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения. Для уточнения конструкции устройства дан вид с разрезом по поперечному сечению А-А, представленный на Фиг. 2. Отдельные части устройства показаны укрупнено, как, например, узел подачи армирующих элементов, представленный на Фиг. 3.
Устройство содержит накопитель армирующих сборок 1, например, бункерного или конвейерного типа. Армирующая сборка 2 изготавливается на подготовительном участке и включает в себя армирующие стержни 3, например, из бамбука или углепластика, позиционирующие элементы 4, обеспечивающие заданное расположение армирующих стержней в процессе литья под давлением и закладные элементы 5, предназначенные, например, для резьбового соединения шпалы и рельса. Армирующая сборка 2 фиксируется в накопителе 1 при помощи электромагнитных замков 6. Для позиционирования армирующей сборки 2 перед подачей в зону прессования используется желоб-кондуктор 7. Перемещение армирующей сборки 2 в зону прессования осуществляется толкателем 8 с приводом 9.
Для крепления элементов устройства используется жесткая рамная конструкция 10 с подшипниковыми узлами 11 и полуосями 12, на которых вращается барабанный узел, образованный силовыми дисками 13 и пресс-формами 14 для литья под давлением. Пресс-формы 14 снабжены рубашками-теплообменниками 15 для охлаждения или прогрева пресс-форм 14. Торцы пресс-форм 14 закрыты силовыми фланцами 16, оснащенными шиберными заслонками 17.
Стержни-фиксаторы 18 предназначены для точного позиционирования закладных элементов 5 армирующей сборки 2 при ее установке в пресс-форму 14. Для перемещения по стержней-фиксаторов 18 используется привод 19.
Рубашки теплообменников 15 оснащены гидроразъемами 20 предназначенными для подачи/слива теплоносителя при стыковке с базовыми гидроразъемами 21, установленными на базовой раме устройства. Для попарного соединения рубашек теплообменника охлаждаемых/нагреваемых пресс-форм 14 используются трубопроводы 22.
Экструдер 23 используется для подачи пластической массы в пресс-форму 14, посредством разъема 24.
Привод 25, например, шаговый двигатель и механическая передача 26 предназначены для поворота на заданный угол барабанного узла с пресс-формами 14. Позиционирование барабанного узла с пресс-формами 14 осуществляется по сигналам датчика положения 27, сигналы которого передаются на управляющую ЭВМ 28.
Толкатель с приводом 29 служит для извлечения из пресс-формы 14 на рольганг 30 готового изделия 31.
Устройство работает следующим образом. По команде управляющей ЭВМ 28 срабатывают электромагнитные замки 6 удерживающие ближайшую к желобу-кондуктору 7 армирующую сборку 2, расположенную в накопителе 1. Происходит перегрузка армирующей сборки 2 в желоб-кондуктор 7, а в накопителе 1 выполняется последовательное перемещение сборок 2 в позицию, обеспечивающую последующую загрузку в желоб-кондуктор 7. По следующей команде ЭВМ 28, со стороны желоба-кондуктора 7 открывается шиберная заслонка 17 пресс-формы 14 расположенной в позиции I, как показано на Фиг. 2. После подтверждения открытия шиберной заслонки, например, сигналом концевого датчика, ЭВМ 28 подает команду на привод 9 толкателя 8, осуществляющего перемещение армирующей сборки 2, находящейся в желобе-кондукторе 7, во внутреннюю полость пресс-формы 14. После завершения перемещения сборки 2, толкатель 8 возвращается в исходное состояние, закрывается шиберная заслонка 17 пресс-формы 14 расположенной в позиции I. По команде ЭВМ 28 включается привод вращения 25, который посредством механической передачи 26 проворачивает полуось 12 так, чтобы пресс-форма 14 с установленной армирующей сборкой 2 переместилась в позицию II (см. Фиг. 2). При этом высокоточное позиционирование обеспечивается сигналом датчика положения 27. Затем ЭВМ 28 выдает команду на привод 19 для перемещения стержней-фиксаторов 18 в положение, обеспечивающее строгое позиционирование закладных элементов 5 сборки 2, находящейся в пресс-форме 14, размещенной в позиции II (см. Фиг. 2). Разъем 24 фильеры экструдера 23 герметично соединяется с силовым фланцем 16 указанной пресс-формы 14, после чего подается команда на открытие шиберной заслонки 17 и нагнетание пластической массы из экструдера 23 во внутреннюю полость пресс-формы 14. После заполнения внутреннего объема пресс-формы, программно ЭВМ 28 выдает команду на закрытие шиберной заслонки 17 и на привод 25 для поворота полуоси 12 так, чтобы заполненная пресс-форма 14 переместилась в позицию III (см. Фиг. 2). При этом гидроразъемы 20 рубашки охлаждения соединяются с базовыми гидроразъемами 21 для подачи/отвода теплоносителя, например, воды. При этом поступающий теплоноситель, проходит по рубашке теплообменника 15 пресс формы 14, установленной в позиции III (см. Фиг. 2) охлаждает пластическую массу и в нагретом состоянии через трубопровод 22 поступает в рубашку теплообменника 15 пресс-формы 14, установленной в позиции I. Прогрев пресс-формы перед заливкой позволяет улучшить процесс последующего формообразования шпалы.
После перехода пластической массы в твердое состояние, по команде управляющей ЭВМ 28 выполняется поворота полуоси 12 так, что пресс-форма 14 из позиции III переместилась в позицию IV (см. Фиг. 2). Разъемы 20 и 21 расстыковываются. Привод 19 по команде ЭВМ 28 извлекает стержни-фиксаторы 18 из пресс-формы 14, находящейся в позиции IV, одновременно с этим перемещаются механически связанные стержни-фиксаторы 18 в положение, обеспечивающее строгое позиционирование закладных элементов 5 сборки 2, находящейся в противоположной пресс-форме 14, размещенной в позиции II. После этого открываются обе шиберные заслонки 17 пресс-формы находящейся в позиции IV и толкатель 29 перемещает на рольганг 30 готовое изделие (шпалу) 31.
При необходимости повышения производительности установки количество пресс-форм в устройстве может быть увеличено. При этом могут быть оптимизированы технологические режимы изготовления шпал, например, за счет увеличения длительности временных интервалов между заполнением пресс-форм и извлечением готового изделия.
Практическая реализация устройства не вызывает сложностей, поскольку на современном уровне развития техники могут быть изготовлены все элементы устройства.
Использование устройства позволяет изготавливать композиционные армированные шпалы с различными типами армирующих элементов, как на макро, так и на микроуровне. Например, на микроуровне в состав полимерной смеси может быть введена микрофибра, в качестве макро армирующих элементов могут быть использованы стержни из дерева, бамбука, углепластика. Кроме того, устройство позволяет быстро изменять характеристики выпускаемых шпал путем применения элементов армирующих сборок с различными механическими свойствами. Устройство позволяет существенно упростить монтаж и эксплуатацию шпал за счет точного позиционирования закладных элементов крепления в готовом изделии.
Устройство может быть эффективно применено в как в рельсовом транспорте, так и в строительной индустрии, например, для изготовления балок с заданным распределением прочностных и деформационных характеристик.