ШПАЛА КОМПОЗИТНАЯ

Полезная модель относится к верхнему строению железнодорожного пути, предназначеного служить опорой рельсов, является основанием для деталей рельсового скрепления, воспринимает от рельсов и скреплений эксплуатационные усилия и передает их на балластный слой и может найти применение на магистральных железнодорожных линиях, в том числе, высокоскоростных, в тоннелях, метрополитенах и на подъездных железнодорожных путях промышленных предприятий.
Шпала цельнолитая выполнена формованием из композиционного полимерного материала и металлической арматуры в виде бруса и металлических вкладышей на опорной поверхности рельс расположенных симметрично относительно вертикальной оси тела. Шпала включает тело трапецеидальной формы постоянного сечения по длине. В тело заделаны металлические вкладыши с отверстиями для закладных деталей для различных типов креплений.
Технический результат заключается в создании конструктивно и технологически простой шпалы с необходимыми показателями прочности, износостойкости, упругости и диэлектричности и обладающей малой материалоемкостью (низкая себестоимость изготовления) и высокой точностью геометрических параметров, хорошей сопротивляемостью продольным и поперечным смещениям при эксплуатации, уменьшение трудоемкости монтажа и обслуживания железнодорожных путей.
В качестве композиционного полимерного материала используют полиэтилен высокого давления (ПЭВД) - около 80% и резиновая крошка - около 20% с применением стабилизаторов, концентраторов и других присадок при определенных технологических параметрах спекания, остывания и т.д. Смесь композиционного полимерного материала, готовится, таким образом, чтобы максимально сохранить известные физико-химические свойства первичного полимера: химическая стойкость, морозостойкость, высокие диэлектрические и изоляционные свойства, не чувствительность к удару (амортизатор), эластичность. Немаловажно и другое свойство ПЭВД - его экологичность, он безопасен для организма человека при непосредственном контакте с ним, и легко может быть переработан вторично.
Шпалы относятся к подрельсовым опорам и должны обладать прочностью и износостойкостью в условиях переменных силовых и природно-климатических воздействий, а так как, потребность в шпалах в мире просто огромная, то они должны обладать дешевизной, и технологичностью в массовом производстве и в обслуживании и быть долговечными.
Общеизвестны и уже 200 лет производятся и эксплуатируются деревянные шпалы, представляющие из себя брус прямоугольного сечения. Несмотря на многие достоинства таких шпал - упругость, легкость обработки, хорошее сцепление с щебеночным балластом, малая чувствительность к колебаниям температуры, возможность уширения рельсовой колеи в кривых радиусом менее 350 метров, тем не менее, использование деревянных шпал имеет много недостатков: очень большой расход высококачественной древесины для их изготовления, трудоемкость изготовления связанная с необходимостью пропитки маслянистыми защитными средствами (пропитка каменноугольным маслом, креозотом/Ултаном), малый срок службы от 7 до 30 лет, что зависит от типа древесины, качества обработки и интенсивности эксплуатации путей. Кроме того, до сих пор не решена проблема с их утилизацией - это большая проблема. Существенно сокращает срок службы деревянных шпал тенденция к загниванию в местах, крепления к ним рельсов.
Известны железобетонные, бетонные шпалы (RU №1458459, oп. 15.02.1989), RU №2007129153, oп. 10.02.2009). Недостатками этих конструкций является высокая трудоемкость и себестоимость изготовления, а также, трудоемкость эксплуатации и обслуживания железнодорожных путей, значительный вес в сравнении с деревянными шпалами, что обусловливает более высокие затраты, связанные с их транспортировкой и укладкой. Кроме этого, железобетонные и бетонные шпалы имеют повышенную жесткость, вызывающую рост напряжений в конструкциях верхнего строения пути, приводящих его к расстройству. Жесткость пути, как показывают измерения, при железобетонных шпалах в три и более раз выше, чем при деревянных, как показывает практика, это отрицательно сказывается на стабильности пути и работу взаимодействующих с ним элементов. Другой существенный недостаток железобетонных шпал - их низкая коррозионностойкость на участках с агрессивной средой, значительно уменьшающая срок службы.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является шпала, описанная в патенте РФ №75857 от 2008.04.21 на полезную модель «Шпала» опубликован 2008.08.27. Полимерная шпала, в которой арматура выполнена в виде короба, расположенного по длине шпалы, а в зонах подрельсовых частей, шпала содержит металлические плиты, жестко закрепленные на коробе и расположенные симметрично под углом друг к другу и под углом 15-25° к основанию шпалы. В качестве полимера используется аналогичная ударопрочная полимерная композиция.
Прототип имеет ряд недостатков: дороговизна изготовления, что связано с применением комбинированного трапецеидального сечения с переменными параметрами ширины оснований и высоты трапеции по длине шпалы, что вкупе с необходимостью точного расположения армирующего короба в форме и фиксации его в заданном положении, а также закрепление на коробе металлических плит симметрично под углом друг к другу и под углом 15-25° к основанию шпалы, делает шпалу нетехнологичной в массовом производстве, так как эти работы делаются вручную. Другим недостатком, является небольшая площадь двух опорных поверхностей этой шпалы не обеспечивает необходимое сопротивление ее перемещениям вдоль и поперек пути, что может и обязательно приведет к неравномерной осадке пути, выдавливанию балласта и к повороту шпалы в вертикальной плоскости.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание дешевой, конструктивно и технологически простой шпалы, обладающей простотой и серийностью изготовления, малой материалоемкостью, высокой точностью геометрических параметров, высокой сопротивляемостью продольным и поперечным смещениям при эксплуатации и необходимыми показателями прочности, износостойкости, упругости и диэлектричности, повышение срока службы шпалы, снижение себестоимости и трудоемкости монтажа и обслуживания железнодорожных путей.
2
Решение технической задачи достигается появлением ряда новшеств, а именно, тем, что шпала выполнена в виде бруса, с постоянным сечением трапецидальной формы по всей длине шпалы, а подошва шпалы, сплошь выполнена в виде пространственной ячеистой сотовидной конструкции состоящей из несвязанных между собой ячеек, которые в плане расположены по вертикали и горизонтали (4). Опытным путем установлено, что целесообразно делать площадь каждой ячейки соты одинаковыми, а оптимальная площадь каждой ячейки соты сделать 14-20 см. Это дает хорошее сцепление шпалы с частицами балласта верхнего строения пути, чем обеспечивается необходимое сопротивление перемещению вдоль и поперек пути, что увеличивает срок службы пути между очередными ремонтами.
Другим новшеством, по сравнению с прототипом, является горизонтальное расположение на опорной поверхности рельс продольных элементов металлической арматуры предназначенной для устройства крепления рельс. За счет горизонтального расположения верхней арматуры и армирующего короба, крепеж рельс к шпале, возможно осуществлять разными устройствами использующих сегодня для бетонной, железобетонной и деревянной шпал. Фактически, мы создали шпалу, в которой возможно использование одного из трех известных на сегодняшний день креплений - под костыли - Фиг.1, под закладные болты - Фиг.2, под винты - Фиг.3.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1, фиг.2, фиг 3. в трех проекциях и в разрезе - проекция А-А изображена шпала, предназначенная для различных креплений.
Шпала состоит из пористого композиционного полимерного материала (1), имеющего металлическую арматуру на верхней поверхности в местах крепления рельсов в виде вкладышей (2) и на нижней опорной поверхности в виде сплошного короба расположенного по всей длине шпалы (3).
В дополнение, к вышеописанным свойствам применяемого полимерного материала, надо сказать, что полимер обладает лучшей гвоздимостью, чем дерево, так как дерево рассыхается и гниет (недостатки деревянных шпал, описанные выше), а полимер вечный и, что композиционный материал подобран таким образом, что появление возможной трещины в ней в процессе эксплуатации, «останавливается» за счет пор, которые сформированы технологией изготовления, что обеспечивает прочность и надежность шпалы.
Композиционный полимерный материал, используемый при изготовлении данной конструкции шпал, имеет десять лет успешной эксплуатационной практики в различных изделиях. Сырьевым источником для получения шпалы подрельсового основания могут быть отходы полимеров и пластмасс промышленных предприятий, а также полимеры из бытовых отходов, которые сбрасываются в окружающую среду в больших количествах. Вторым компонентом при производстве шпалы являются отходы автомобильного производства - резиновая крошка от изношенных автомобильных шин, которая также имеется в очень больших количествах. Таким образом, применяемое сырье является дешевым и доступным.
Заявляемая шпала недорогая, конструктивно и технологически проста, обладает высокой точностью геометрических параметров, необходимыми показателями прочности, износостойкости. Изготавливается любым известным способом формования, включая литье в прессформы. Шпалы из композиционного полимерного материала армированные металлическим брусом подходят для разных климатических условий, не деформируются и выдерживают температуры от +60 до -60 градусов Цельсия. Они не боятся влаги, химически устойчивы, не ржавеют, не рассыхаются, имеют малую чувствительность к резким колебаниям температуры.