ШПАЛА

Полезная модель относится к области железнодорожного строительства, а более конкретно - к верхнему строению железнодорожного пути, и может быть использована при изготовлении шпал из композитного материала.
Известны различные шпалы, отличающиеся выполнением тех или иных конструктивных элементов и материалом для их изготовления.
Ранее получили, например, широкое распространение деревянные шпалы (например, Ефименко Ю.И. и др. Общий курс железных дорог. М., «Академия», 2005, с. 55-56). Такие шпалы относительно хорошо выдерживают статические и динамические нагрузки, однако они сильно подвержены воздействию грибков и атмосферным воздействиям и поэтому недолговечны, требуют частого наблюдения и обслуживания для предотвращения аварий. Использование для повышения их долговечности консервантов, преимущественно креозота, делает их экологически опасными. Такие шпалы неперспективны и с точки зрения уничтожения лесных запасов для производства шпал.
Получили распространение также бетонные (например, RU 2353724 С1, 2009) и железобетонные (например, RU 2293810 С1, 2007) шпалы. Однако такие шпалы имеют значительный вес, неудобны в установке, эксплуатации и обслуживании, имеют высокую себестоимость изготовления. Кроме того, они обладают повышенной жесткостью, со временем растрескиваются, имеют низкую коррозионную стойкость, что при эксплуатации приводит к появлению дефектов пути и уменьшению срока его службы до ремонта. Такие шпалы требуют частого наблюдения и обслуживания.
Улучшение основных эксплуатационных характеристик шпал обеспечивает использование в качестве их материала полимерных композиций. Известны шпалы с различными полимерными композициями. Известна, например, шпала, выполненная в форме бруса, в качестве композитного материала которой использована полимерно-песчаная смесь (RU 112204 U1, 2012). Известны шпалы из композитного материала на основе полистирола и полиолефиновых компонентов (например, US 6191228 В1, 2001). Известна шпала, выполненная со сплошными гранями, имеющая форму удлиненного прямоугольного параллелепипеда из полимерного композита, образованного армирующим наполнителем, в качестве которого выбран тальк, и полимерной матрицей, представляющей собой смесь полимеров, в качестве которых выбраны полиэтилен высокой плотности, полиэтилен низкой плотности, полипропилен и линейный полиэтилен низкой плотности (US 20050031848 А1, 2005). В этой шпале все грани выполнены сплошными. Для полимерного композита помимо полиэтилена высокой плотности (HDPE), полиэтилена низкой плотности (LDPE), полипропилена (РР) и линейного полиэтилена низкой плотности (LLDPE) могут использоваться также поливинилхлорид (PVC), этиленвинилацетат (EVA), полиэтилен с высоким молекулярным весом (HMW) и акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS). При этом возможны их различные комбинации. Такие шпалы обладают хорошими показателями прочности, износостойкости и высокой точностью геометрических характеристик.
Общим недостатком таких шпал является недостаточная устойчивость к продольным и поперечным смещениям при эксплуатации на пути из-за низкого сцепления ее нижней и боковых сплошных граней с верхним балластом пути, что снижает ее эксплуатационную эффективность. При этом со временем под действием атмосферных процессов и динамических нагрузок от подвижных единиц железнодорожных составов, снижается прочность крепления рельсов к шпалам, уменьшается стабильность положения рельсошпальной решетки и ухудшается балансировка рельсового пути.
Для повышения такой устойчивости используют различные технические приемы, преимущественно заключающиеся в выполнении в нижней (опорной) грани шпалы углублений, например, в виде ячеек.
Известна, например, шпала, выполненная трапецеидальной формы из композиционного полимерного материала и содержащая металлическую арматуру, в которой поверхность ее нижней грани выполнена в виде ячеистой сотовидной структуры с ячейками площадью 14-20 см под элементы балласта верхнего строения пути (RU 132452 U1, 2013). Наличие ячеек повышает сцепление с балластом верхнего строения пути, однако большой размер ячеек не позволяет обеспечить наилучшее сцепление из-за эффекта проскальзывания фракций (частей) балласта одна относительно другой. Такая шпала недостаточно устойчива на пути из-за низкого сцепления ее нижней и особенно боковых сплошных (гладких) граней с верхним балластом пути. Кроме того, наличие ячеек снижает прочностные характеристики шпалы, для повышения которых используют дополнительную металлическую арматуру.
Из известных шпал наиболее близкой к предложенному является шпала, выполненная в форме удлиненного прямоугольного параллелепипеда из полимерного композита, содержащего полиэтилен высокой плотности и полиэтилен низкой плотности, в нижней и боковых гранях которой по всей их поверхности выполнены углубления с размерами, выбранными из условия обеспечения возможности захода в них отдельных фрагментов верхнего балласта пути при размещении на нем шпалы (RU 174683 U1, 2017). В этой шпале каждое из углублений выполнено преимущественно в форме пирамиды с прямоугольным основанием. Отношение суммарной площади отверстий всех углублений на каждой из этих граней к площади грани выбрано от 0,06 до 0,1, а полимерный композит преимущественно имеет следующее соотношение компонентов: полиэтилен высокой плотности от 30 до 35 мас. %, полиэтилен низкой плотности от 15 до 20 мас. %, полипропилен от 15 до 20 мас. %, линейный полиэтилен низкой плотности от 8 до 12 мас. %, поливинилиденхлорид от 8 до 12 мас. %, тальк от 10 до 12 мас. %. Выполнение углублений осуществляется преимущественно путем прокатки между снабженными зубцами вальцами, что недостаточно технологично. Наличие значительного количества компонентов в полимерном композите, требующее дополнительных операций при его приготовлении, также является фактором, не позволяющем достичь высокой технологичности шпалы при ее изготовлении. Нижняя и боковые грани с углублениями в этой шпале являются в плоскости грани гладкими, поскольку не имеют каких-либо выступов, что уменьшает сцепление шпалы с верхним балластом и снижает в горизонтальной плоскости устойчивость пути при воздействии статических и динамических нагрузок от единиц подвижного состава и изменении условий окружающей среды, а также снижает необходимую стабильность положения рельсошпальной решетки. Кроме того, выполнение углублений прямоугольными с плоскими боковыми стенками, в отличие, например, от углублений со скругленными краями боковых стенок, может привести к снижению срока эксплуатации шпалы без потери ее прочностных характеристик из-за большего повреждающего воздействия фрагментов фракций верхнего балласта на плоскую поверхность. Поэтому такая шпала имеет недостаточно высокую эксплуатационную эффективность и недостаточно технологична в изготовлении.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, состоит в создании шпалы, лишенной недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении эксплуатационной эффективности шпалы с одновременным повышением ее технологичности при изготовлении, в том числе за счет улучшения устойчивости шпалы на верхнем балласте пути при эксплуатации, обеспечения ее прочностных характеристик, достаточных для эффективной эксплуатации, и высокой стабильности прочностных характеристик при различных условиях эксплуатации, а также упрощения ее изготовления.
Это достигается тем, что в шпале, выполненной в форме удлиненного прямоугольного параллелепипеда из полимерного композита, содержащего полиэтилен высокой плотности и полиэтилен низкой плотности, в нижней и боковых гранях которой по всей их поверхности выполнены углубления с размерами, выбранными из условия обеспечения возможности захода в них отдельных фрагментов верхнего балласта пути при размещении на нем шпалы, боковые грани каждого из углублений выполнены цилиндрической формы, при этом вокруг выходного отверстия каждого из них выполнен круглый буртик, а полиэтилен высокой плотности и полиэтилен низкой плотности, в качестве которых использованы переработанные полимеры из отходов соответствующих производств, содержатся в полимерном композите при следующем соотношении его компонентов: полиэтилен высокой плотности от 15 до 25 мас. %, полиэтилен низкой плотности от 75 до 85 мас. %. Высота круглого буртика может быть выбрана равной величине глубины углубления. Внешний диаметр круглого буртика может быть выбран равным от 1,1 до 1,4 диаметра углубления.
Указанный технический результат обеспечивается всей представленной в формуле заявленной полезной модели совокупностью существенных признаков, которая необходима и достаточна для решения указанной технической проблемы и для достижения указанного технического результата. При этом все характеризующие устройство признаки, включающие конструктивные элементы и материал для его изготовления, находятся в конструктивном единстве и функционально взаимосвязаны.
На фиг. 1 показан вид на одну из боковых граней шпалы, в которой выполнены углубления с круглыми буртиками. На фиг. 2 показан разрез шпалы с углублением и круглым буртиком на одной из боковых граней шпалы.
Шпала выполнена в форме удлиненного прямоугольного параллелепипеда из полимерного материала. Она имеет соприкасающиеся с фракциями верхнего балласта пути нижнюю (опорную) и две боковые грани 1, а также верхнюю грань под рельсы и две торцевые грани. Полимерный материал образован наполнителем и полимерной матрицей, представляющей собой смесь полимеров. В качестве наполнителя служат примеси и включения, содержащиеся в переработанных (вторичных) полимерах из отходов (немытые пленка для упаковки пищевых и непищевых продуктов, пластиковые емкости для пищевых и непищевых продуктов, пластиковые корпуса различных изделий). При этом в качестве полимеров для полимерного композита выбраны переработанные полиэтилен высокой плотности и полиэтилен низкой плотности из отходов соответствующих производств. Их содержание в полимерном композите составляет: полиэтилен высокой плотности от 15 до 25 мас. %, полиэтилен низкой плотности от 75 до 85 мас. %. В нижней и обеих боковых гранях 1 шпалы по всей их поверхности выполнены углубления 2 цилиндрической формы. Вокруг выходного отверстия каждого из них выполнен круглый буртик 3. Размеры каждого из углублений 2 выбираются из условия обеспечения возможности захода в них отдельных фрагментов фракций верхнего балласта пути, преимущественно щебеночного, при размещении на нем шпалы. Углубления 2 с круглыми буртиками 3 располагаются преимущественно в несколько рядов, в которых углубления 2 с круглыми буртиками 3 смещены вдоль ряда симметрично относительно углублений 2 с круглыми буртиками 3 смежного с ним ряда. На нижней грани шпалы, имеющей размеры преимущественно 23×18×276 см, может быть выполнено, например, пять рядов, а на каждой из боковых граней 1 - по четыре ряда. Высота каждого круглого буртика 3 равна, например, величине глубины углубления 2 и составляет от 2 до 6 мм, а преимущественно 3 мм. Внешний диаметр каждого круглого буртика 3 равен, например, от 1,1 до 1,4 диаметра углубления 2, который равен, например, от 2 до 6 см, а преимущественно 4 см.
Для эксплуатации устанавливают шпалу на верхний балласт пути так, чтобы его фрагменты охватывали боковые грани 1. При этом в выполненные в нижней грани и в боковых гранях 1 круглые углубления 2 заходят отдельные фрагменты фракций балласта, а между круглыми буртиками 3 располагается часть других фракций балласта. Это обеспечивает надежное сцепление с верхним балластом, достаточную устойчивость положения шпалы в вертикальном направлении и исключительно высокую устойчивость в горизонтальной плоскости. Для эффективной «работы» круглых буртиков 3 достаточно, чтобы их высота равнялась величине глубины углублений 2 или была близка к ней, при этом желательно, чтобы величина внешнего диаметра круглых буртиков 3 не была меньше 1,1 или больше 1,4 от величины диаметра углубления 2, поскольку иначе может несколько снижаться необходимая устойчивость шпалы в горизонтальной плоскости, что определено экспериментальным путем. Прочностные характеристики шпалы могут ухудшаться в процессе эксплуатации из-за разрушающего действия фрагментов фракций балласта на боковые стенки углублений 2. Однако это явление минимизировано за счет выполнения стенок углублений 2 цилиндрическими. При этом не требуется дополнительно принимать меры по повышению прочностных характеристик шпалы, например, за счет специального подбора компонентов полимерного композита. Такая конструкция шпалы обеспечивает высокие вертикальную и горизонтальную устойчивость пути при воздействии статических и динамических нагрузок от единиц подвижного состава и изменяющихся условиях окружающей среды и необходимое стабильное положение рельсошпальной решетки. Достаточно высокие прочностные показатели и другие необходимые эксплуатационные характеристики шпалы с выполненными в ней углублениями 2 и круглыми буртиками 3 достигаются при использовании в качестве компонентов полимерного композита переработанных полиэтилена высокой плотности (от 15 до 25%) и полиэтилена низкой плотности (75-85%) из отходов соответствующих производств, не подвергавшихся очистки от примесей и включений (за исключением металлических и бумажных фрагментов), что подтверждено экспериментально. Модуль упругости и модуль разрыва такой шпалы при сочетании этих компонентов в указанных пределах составляет 1220-1410 МПа и 14,5-15,8 МПа соответственно (при норме 1170 и 13,8 МПа соответственно), что достаточно для эффективной эксплуатации шпалы.
Кроме того, малокомпонентный полимерный композит, полимерная матрица которого включает только два типа полимеров, обеспечивает более высокую стабильность прочностных характеристик шпалы при эксплуатации, поскольку каждый из компонентов характеризуется разными физико-механическими свойствами, по разному зависящими от температуры.
Таким образом, свойствами шпалы являются ее высокие технологичность при изготовлении и эффективность при эксплуатации. Эти свойства взаимосвязаны, поскольку определяются рядом одних и тех же особенностей конструкции и материала шпалы.
2
Шпалы, выполненные в соответствии с полезной моделью, изготавливается, например, следующим образом. Пластиковые отходы поступают на визуальный входной контроль, при этом из них удаляют только металлические и бумажные фракции. Какой-либо другой очистке, в том числе отмывке, они не подвергаются. Пластиковые отходы сортируют по типам пластика, требуемого для полимерного композита - полиэтилен высокой плотности и полиэтилен низкой плотности, что не представляет сложности и нетрудоемко. Сортированный пластик взвешивают для определения необходимого процентного соотношения. Подготовленную таким образом механическую смесь пластиков направляют в измельчитель (шредер) для предварительного измельчения. Далее проводят преимущественно в автоматическом режиме очистку смеси в вихретоковом магнитном сепараторе для удаления металлических составляющих. Дробят части смеси в дробилке (грануляторе). Затем перемешанные пластиковые гранулы, смешанные в требуемых пропорциях, нагревают до температуры размягчения смеси, которая немного меньше температуры ее плавления, преимущественно до температуры не выше 240°С. Нагретую смесь прессуют в форме под давлением не менее 60 кг/см, из которой после остывания выдавливают заготовку в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами преимущественно 23×18×276 см. На каждую заготовку лазером или маркером наносят идентификационный номер. Далее преимущественно в автоматическом режиме проводят рентгеновский контроль заготовок на наличие недопустимых пустот и трещин с последующей необходимой отбраковкой заготовок. Затем в каждой заготовке на ее нижней грани и обеих боковых гранях 1 путем термопродавливания (при температуре 320-380°С) посредством штамповочных блоков со штырями цилиндрической формы выполняют углубления 2. При этом вокруг каждого из продавленных углублений 2 на поверхности соответствующей грани образуется круглый буртик 3. Т.е. образование углублений 2 и круглых буртиков 3 происходит во время выполнения единой операции. Размеры круглых буртиков 3 могут в небольших пределах изменяться в зависимости от скорости перемещения штырей и температурного режима. После этого проводят выборочные испытания шпалы из партии изготовленных шпал на излом.
Пример реализации. Партия шпал выполнена в соответствии с полезной моделью. При изготовлении шпал использованы только два типа переработанных полимеров. Полиэтилен высокой плотности включен в смесь полимеров в количестве 20 мас. %, полимер низкой плотности - 80 мас. %. Размеры каждой шпалы - ширина 23 см, высота 18 см, длина 276 см.
3
5
Углубления 2 в нижней и боковых гранях 1 имеют диаметр 4 см и глубину 3 мм. Круглые буртики 3 имеют внешний диаметр 4,5 мм и высоту 3 мм Количество углублений 2 с круглыми буртиками 3 в каждом ряду, смещенным относительно других рядов, составляет 24. Количество рядов на боковых гранях 1 шпалы - четыре, на нижней грани - пять. Шпалы прошли лабораторные, стендовые и полигонные испытания на экспериментальном железнодорожном кольце г. Щербинка. По результатам испытаний получены следующие величины показателей: плотность материала 1000 кг/м, модуль упругости (МОЕ) 1305 МПа, модуль разрушения (MOR) 18,6 МПа, сопротивление поперечному сдвигу шпалы в щебеночном балласте после пропуска 10 тонн брутто 4,7 кН.
Шпала, выполненная в соответствии с полезной моделью, обладает более высокой эксплуатационной эффективностью и одновременно более высокой технологичностью при изготовлении по сравнению с аналогичными известными. Она обладает повышенной устойчивостью на верхнем балласте пути, при этом обеспечивается высокая вертикальная и исключительно высокая горизонтальная устойчивость пути при действии статических и динамических нагрузок от подвижного состава и изменении состояния окружающей среды. Имеет высокие прочностные характеристики и их высокую стабильность при различной температуре окружающей среды. Это позволяет эффективно использовать ее при различных условиях эксплуатации. Она долговечна (срок службы превышает 50 лет) и удобна в обращении при изготовлении рельсового пути и при его ремонте. Шпала проста в изготовлении, в процессе ее производства отсутствуют трудоемкие операции.