КРЕСТОВИНА ДЛЯ РЕЛЬСОВОГО ПЕРЕСЕЧЕНИЯ
SPIDER FOR RAIL CROSSING

Изобретение относится к рельсовому транспорту и может быть использовано при изготовлении крестовин стрелочных переводов и глухих пересечений.
Известна крестовина для рельсового пересечения (SU №1245640, Е01В 7/10, 1986 г.), содержащая сердечник и два усовика с возвышениями продольного профиля их поверхностей катания на наиболее интенсивно изнашиваемом участке крестовины от ее горла до сечения сердечника, равного ширине головки рельса. За счет возвышений поверхностей катания усовиков и сердечника крестовина имеет дополнительный запас металла на вертикальный износ как раз на том участке, который определяет срок ее службы.
Недостаток конструкции заключается в том, что приведенное в ней уравнение, описывающее форму возвышений, не учитывает условий сопряжения возвышенной зоны с примыкающими к ней участками крестовины. В местах сопряжении имеются вертикальные углы перегиба поверхностей катания. И от этого вертикальный износ в рассматриваемой зоне приобретает волнообразный характер, что повышает динамику взаимодействия колеса с крестовиной и повышает интенсивность износа взаимодействующих элементов пути и подвижного состава.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является конструкция крестовины (RU №14942, Е01В 25/06, 2000 г.), содержащая передний и задний вылеты, сердечники и два усовика, образующие горло крестовины, зону перекатывания колес с усовиков на сердечник, ограниченную с одной стороны горлом крестовины, с другой - сечением сердечника, равным ширине головки рельса, возвышения продольного профиля поверхностей катания крестовины в этой зоне, описанного кривой, пересекающей горизонтальные поверхности заднего и переднего вылетов под углами с вершинами, расположенными в пограничных точках зоны перекатывания. В ней за счет соответствующих поправок, которые вводятся в уравнение при вычислении возвышений профиля крестовины, углы перегиба рабочих кантов на границах участков сведены к минимуму. Недостатком конструкции является то, что эти углы не устранены до конца. Отсутствие плавных сопряжений продольного профиля участка возвышений с передним и задним вылетами крестовины ограничивает срок ее эксплуатации из-за развития волнообразного износа усовиков и сердечника в рассматриваемой зоне.
При работе над предлагаемым изобретением ставилась задача: повышение сроков службы крестовин с запасом металла на износ за счет исключения возможности развития волнообразного износа, вызванного наличием углов перегиба поверхности катания на границах зоны перекатывания колес с усовиков на сердечник и обратно.
Технический эффект достигается тем, что в крестовине для рельсового пересечения, содержащей передний и задний вылеты, сердечники и два усовика, образующие горло крестовины, зону перекатывания колес с усовиков на сердечник, ограниченную с одной стороны горлом крестовины, с другой - сечением сердечника, равным ширине головки рельса, возвышения продольного профиля поверхностей катания крестовины в этой зоне, описанного кривой, пересекающей горизонтальные поверхности заднего и переднего вылетов под углами с вершинами, расположенными в пограничных точках зоны перекатывания поверхности катания крестовины против этих углов выполнены в форме вписанных в них круговых кривых радиуса, равного радиусу колес подвижного состава, а длина участка возвышений продольного профиля поверхностей катания превышает длину зоны перекатывания на величину двух тангенсов этих кривых.
Суть технического решения разъясняется с помощью чертежей:
Фиг.1 - крестовина. Вид сверху и схема линий контакта колеса с поверхностью катания крестовины.
Фиг.2 - продольный профиль участка возвышений.
Фиг.3 - схема прохода колес по участку возвышений крестовины прототипа.
Крестовина для рельсового пересечения содержит два усовика 1, сердечник 2, а также передний и задний вылеты 3. Крестовина содержит зону L перекатывания колес с усовиков на сердечник, расположенную между сечением горла 4 и сечением 5, в котором ширина сердечника 2 равна ширине головки рельса. В рассматриваемой зоне нагрузка от колеса на крестовину передается не по всей ширине поверхности катания колеса, а по ограниченным площадкам, отмеченным утолщенными линиями на фиг.1. Величины площадок зависят от положения колеса на крестовине, а также от размеров желоба и сечения сердечника 2в каждом конкретном положении. Чем меньше площадки контакта, тем выше контактные напряжения, тем интенсивнее износ поверхности катания колеса и крестовины в рассматриваемом сечении. На участке между сечениями 4 и 5 крестовина имеет возвышения 6 продольного профиля 7, форма которого представляет собой зеркально перевернутый профиль изношенной поверхности катания усовика 1 и сердечника 2 (соответственно 8 и 9). За счет этого удваивается объем изнашиваемого металла в зоне перекатывания колес с усовиков на сердечник, которая определяет срок службы всей крестовины в целом. Возвышения 6 профиля 7 крестовины определяются из условия, что при сохранении существующей закономерности распределения интенсивностей износа по длине зоны перекатывания вертикальный износ крестовины происходит без промежуточных неровностей.
Поскольку эксплуатационные наблюдения за работой крестовин прототипа показали, что возможность появления промежуточных неровностей в зоне перекатывания у данных крестовин не исключена, был проведен анализ по выявлению причин их формирования. Главная из этих причин заключается в том, что логарифмическая функция y=f(x), используемая в конструкции прототипа для описания продольного профиля 7 крестовины кривой 10 (на фиг.3), не обеспечивает плавного сопряжения продольного профиля 7 зоны L перекатывания с примыкающими участками. В начале координат эта функция y=f(x) ни при каких параметрах не обращается в ноль, а это значит, что кривая 10 отходит от прямого направления 11 в точке А под некоторым углом α, а в другом конце кривой 10 она асимптотически приближается к направлению 11, но нигде не смыкается с ним. Это значит, что при проектировании ее приходится продлевать по прямой, как это показано пунктирной линией 12, которая пересекает прямое направление 11 в точке D под углом β.
1
2
Штрихпунктирными линиями 14 и 15 показаны поверхности катания колес, набегающих на возвышение 10 соответственно слева и справа. Как видно на схеме, уже на новой крестовине вертикальный износ ее поверхности катания начинается не от «подножья» возвышения (точки А и Д), а в точках В и С, расположенных выше уровня 11. Но на самом участке ВС закономерность распределения износов сохраняется. Она показана пунктирной линией 13, которая к середине участка ВС опускается. А это значит, что при проходе колеса по изношенной зоне перекатывания оно преодолевает сначала неровность типа «бугор», затем неровность типа «впадина» и снова неровность типа «бугор». По мере вертикального износа крестовин участок АВ и CD, которые не включаются во взаимодействие с поверхностями катаниями 14 и 15 колес, входящих на возвышение 10, будут постепенно уменьшаться, но пока они существуют формирование «волн» на поверхности крестовины неизбежно. Наличие этих неровностей вызывает вибрации подвижного состава, которые ускоряют износ крестовины и в самой зоне перекатывания и на примыкающих к ней участках. В предлагаемой конструкции эти взаимодействующие участки АВ и ВС вообще отсутствуют, так как поверхности катания крестовины против углов  и  выполнены в форме вписанных в них круговых кривых радиуса r равного радиусу R колес подвижного состава. Назначать радиус r больше радиуса R колес нецелесообразно, так как это приведет к увеличению тангенсов t и t кривых, вписанных в углы  и  а вместе с тем и длины Т участка возвышений. А мы должны стремиться к тому, чтобы длина участка Т возвышений как можно меньше отличалась от длины L зоны перекатывания. С другой стороны, как показано на фиг.3 б, если радиус r вписанной окружности будет меньше радиуса R колеса 14 подвижного состава, в начале неровности возникает участок АВ, не взаимодействующий с колесом 14, входящим на возвышение, и задача по исключению волнообразного износа крестовины оказывается нерешенной. Таким образом, назначение радиуса r вписанных окружностей в углы  и  равным радиусу R колеса является единственно правильным решением.
Для изготовления литой крестовины предлагаемой конструкции необходимо не просто отложить длину участка возвышений так, чтобы в состав этой длины входили величины двух тангенсов. Потребуется построить по ординатам весь участок возвышений, а затем перенести его на литейную модель. Современные технологии изготовления литейных моделей позволяют обеспечить любую форму поверхности отливки по расчетным координатам.
Методика расчета этих координат разъясняется с помощью фиг.4, на которой нанесены:
п
n
- продольный профиль возвышения - сплошная линия у=φ(x);
к
K
n
1
n
1
- форма поверхности катания колеса - штрихпунктирная линия y=f(x). Определить координаты возвышения продольного профиля крестовины по заданной функции y=φ(x) в системе координат xOy с началом координат O, расположенном в начале этого возвышения, не представляет затруднений. Наша задача заключается в том, чтобы рассчитать въезды на это возвышение в форме круговых кривых радиуса R, равного радиусу колеса подвижного состава. Координаты кривой каждого въезда определяются отдельно.
2
2
к
Для левого въезда начало О координат системы xОy, в котором показана кривая
к
K
y=f(х), принято в точке опирания колеса на рельс в момент, когда происходит касание колеса с возвышением профиля крестовины в точке В.
Координата точки касания может быть выражена двояко:
п
]
п
п
n
- через функцию y=φ(х) в системе координат хОУ y=φ(x);
к
2
к
к
K
- через функцию y=f(x) в системе координат хОy y=f(х).
к
n
Поскольку y и y - это ординаты одной и той же точки В, можем записать:
n
к
п
к
В левой части уравнения функция выражена через абсциссу x, в правой через абсциссу x. Оба значения x и x пока остаются неизвестными.
Но в точке В происходит не просто пересечение, а касание поверхностей катания колеса и крестовины. В этой точке поверхности имеют общую касательную, направленную под одним и тем же углом α к оси х. Значит, в этой точке и производные функций φ(х) и f(x) равны между собой:
к
n
Объединив уравнения (1) и (2) в систему, решаем ее относительно неизвестных x и x.
1
k
n
t=x-x
к
к
На участке х по точкам определяем ординаты кривой y=f(x).
Аналогичные расчеты выполняем по правому въезду колеса на неровность и полученные кривые обоих въездов переносим на модель отливки.
Таким образом, при современном уровне развития математики и технологии литья возможность воплощения в металл предлагаемого технического решения не вызывает сомнений.
Устройство работает следующим образом. При проходе по крестовине поездов в любом направлении каждое колесо 14 подвижного состава вступает во взаимодействие с неровностью типа «бугор» не в точке, а по некотоорй круговой поверхности, радиус которой г равен радиусу R самого колеса. Это сводит к минимуму контактные напряжения и исключает всякую возможность возникновения волнообразного износа вблизи углов  и
Нам не известно конструкций крестовин с запасом металла на износ, у которых устранение волнообразного износа в зоне перекатывания обеспечивается за счет выполнения поверхностей катания при входе на возвышения профиля в виде круговых кривых, выполненных радиусом, равным радиусу поверхностей катания колес обращающегося по крестовине подвижного состава.