БЕЗБАЛЛАСТНЫЙ РЕЛЬСОВЫЙ ПУТЬ НА ИСКУССТВЕННОМ СООРУЖЕНИИ
BALLASTLESS TRACK ON ARTIFICIAL STRUCTURE

Изобретение относится к укладке и ремонту верхнего строения пути безбалластного типа и предназначено для использования на мостах, в тоннелях магистральных железных дорог, промышленного транспорта, метрополитенов и трамвайного хозяйства.
Известен безбалластный рельсовый путь на искусственном сооружении, а именно, в тоннеле, содержащий основание, на котором установлены подрельсовые опоры, при этом основание выполнено из монолитного железобетона, подрельсовые опоры выполнены в виде железобетонных рам, внутри проемов рамы в бетонном основании выполнен железобетонный выступ-упор, пространство между рамой и выступом-упором по всему периметру проема заполнено термопластичной вязкоупругой клеевой мастикой, которая также образует прослойку между подошвой рамы и основанием, каждая рама устанавливается на шесть-восемь монтажных регулируемых клиновидных опор, располагаемых в подрельсовых сечениях, и каждая из которых состоит из двух боковых треугольных и среднего трапецеидального железобетонных блоков, которые соединены горизонтальной винтовой стяжкой. В теле рам при изготовлении выполняются отверстия для анкеров. Мастика отверждается при естественном остывании (до плюс 10-30°С) примерно за 1 час, после чего она готова к восприятию нагрузок (см. «Железнодорожный путь» под ред. Т.Г.Яковлевой, М., Транспорт, 2001, стр.90-91, рис.1.55.).
Для снижения электропроводности железобетонных изделий (основания и шпалы) и для защиты арматуры от внешних воздействий, агрессивной среды и т.п. при их изготовлении со всех сторон от арматуры формируют защитный слой бетона, толщина которого назначается в зависимости от размеров арматуры, вида и класса бетона, условий работы и т.д. В среднем толщина защитного слоя бетона с каждой стороны железобетонного изделия должна быть равна не менее 25 мм (ГОСТ 21174-75), что увеличивает расход бетона и стоимость изделия.
В тоннеле арматура железобетонных изделий подвергается коррозионным повреждениям, которые вызываются химическими и электрохимическими воздействиями среды внутри тоннеля (поступление подземных вод (иногда агрессивных), повышенная влажность и загазованность воздуха), что может привести к внезапному разрушению основания и шпалы.
Важным требованием для изготовления железобетонных шпал является высокая точность соблюдения геометрических параметров, особенно в подрельсовых частях, что представляет большие трудности для изготовителей.
Связка (соединение) шпалы с основанием образуется при заливке в швы и на подошву рамы горячей вязкоупругой клеевой мастики. Эта работа требует больших затрат времени, так как швы каждой рамы заливают мастикой отдельно, а для нанесения мастики на подошву рамы каждую раму переворачивают и очищают. При этом толщина слоя мастики для выравнивания пути в каждом конкретном случае выбирается исходя из допусков горизонтальных размерах рам и неровностей подошвы рамы. Замена рам возможна только после размягчения мастики с помощью трубчатых электронагревателей.
Известен безбалластный рельсовый путь на искусственном сооружении, а именно, на мосту, выбранный в качестве прототипа и описанный в книге «Железнодорожный путь» под ред. Т.Г.Яковлевой, М., Транспорт, 2001, стр.83-84.
Данный путь содержит основание в виде плит, на которых расположены подрельсовые опоры, при этом каждая плита выполнена заодно с подрельсовыми опорами (шпалами) и представляет собой монолитную железобетонную конструкцию.
Для строительства данной конструкции пути требуется большое количество бетона и металлической арматуры, что делает рассматриваемый путь достаточно дорогим.
Используемые в известном пути железобетонные изделия (плита со шпалами) в течение срока службы испытывают значительное число циклов замерзания/оттаивания, что может вызвать повреждение структуры бетона в результате расширения воды при замерзании в его капиллярных порах. Возникающие трещины в монолитной плите со шпалами распространяются во всех направлениях и имеют большую протяженность. Проникающие через трещины окись углерода и хлориды могут привести к коррозии арматуры, а затем и к внезапному разрушению плиты.
Кроме того, жесткая конструкция пути может быть повреждена под воздействием циклических и динамических нагрузок, возникающих при прохождении подвижного состава. Возникшие разрушения приведут к снижению несущей способности и к неравномерной деформации пути в целом, что является причиной возникновения крайне нежелательных дополнительных напряжений рельсовых плетей.
Наличие защитного слоя бетона, который служит для снижения электропроводности железобетонной конструкции основания и для защиты арматуры от внешних воздействий, высокой температуры, агрессивной среды и т.п., увеличивает расход бетона и стоимость изделий.
Важным требованием для изготовления железобетонных плит со шпалами является высокая точность соблюдения геометрических параметров, особенно в подрельсовых частях, что представляет большие трудности для изготовителей. Использование для изготовления плит специальных металлических форм увеличивает стоимость пути.
Малая площадь подрельсовой части шпалы, выступающей над поверхностью плиты, не обеспечивает равномерного распределения нагрузки на большую площадь основания пути.
Замена поврежденной шпалы возможна только путем замены всей монолитной плиты, соединенной с пролетным строением моста с помощью высокопрочных шпилек.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание конструктивно и технологически простого, надежного безбалластного рельсового пути на искусственном сооружении, обладающего малой материалоемкостью, имеющего высокую точность геометрических параметров и упрощенную замену поврежденных шпал.
Решением данной задачи является заявляемый безбалластный рельсовый путь на искусственном сооружении, содержащий основание в виде плит, на которых расположены шпалы, новым в котором является то, что плита и шпала выполнены в виде формообразующих ячеистых каркасов сотовидной формы из полимерного, в том числе и полимерного композиционного, материала, при этом шпала связана с плитой на всю свою высоту, для чего в каркасе плиты выполнены установочные углубления, соответствующие форме и габаритным размерам шпалы.
В качестве полимерного материала может быть использован сшитый полимер, например сшитый полиэтилен. В качестве полимерного композиционного материала может быть использован стеклопластик на основе термореактивной синтетической смолы.
Площадь ячеек каркаса шпалы может быть меньше площади ячеек каркаса плиты. Площадь ячеек каркаса шпалы может быть меньше площади ячеек каркаса плиты не более чем в 4 раза.
Ширина плиты больше длины шпалы на 1/3-1/4 часть. Высота шпалы равна высоте плиты.
Каркас - это остов изделия, состоящий из отдельных скрепленных между собой элементов (см. Советский энциклопедический словарь, М., издательство «Советская энциклопедия», 1979 г., стр.555). Элементы каркаса могут соединяться между собой, например, при формовании каркаса или за счет склеивания элементов между собой или любым другим надежным способом. Использование ячеистого каркаса для изготовления плиты и шпалы увеличивает степень их устойчивости в горизонтальном и вертикальном направлениях и сопротивляемость изгибу.
Сотовидный каркас состоит из связанных между собой ячеек, которые в плане расположены по вертикали и горизонтали. Сотовидная конструкция каркаса увеличивает износостойкость и долговечность плиты и шпалы в условиях переменных силовых и природно-климатических воздействий.
Формообразующие каркасы определяет внешнюю форму плиты и шпалы, что позволяет обеспечить высокую точность их геометрических параметров без использования металлических форм, что делает процесс изготовления технологичным и дешевым.
Формообразующие каркасы выполнены из полимерного материала, в качестве которого может быть использован сшитый полимер, например сшитый полиэтилен, а также полимерный композиционный материал, например стеклопластик на основе термореактивной синтетической смолы. Сшитые полимеры нерастворимы, не способны к высокоэластическим деформациям, имеют повышенные прочностные свойства и хорошую температурную стойкость. Каркас, выполненный из полимерного композиционного материала, не подвержен коррозии и гниению, стоек к действию агрессивных сред, обладает прочностью на уровне высококачественных конструкционных сталей и высокой усталостной прочностью, имеет хорошие диэлектрические свойства, что позволяет создать плиту и шпалу, которые удовлетворяют требованиям диэлектричности, прочности, износостойкости и долговечности в условиях переменных силовых и природно-климатических воздействий. Использование полимерных материалов для изготовления каркасов позволяет обеспечить во времени стабильность их формы и размеров, а значит, и пути в целом. В зависимости от класса пути каркасы могут быть выполнены из одного материала или из разных: в пути с малой грузонапряженностью каркасы могут быть выполнены из сшитого полиэтилена; в пути со средней и высокой грузонапряженностью каркас шпалы может быть выполнен из полимерного композиционного материала.
Правильное и неизменное положение рельсовых нитей в процессе длительной и интенсивной эксплуатации обеспечивается за счет надежной фиксации шпал в выполненных в каркасе плиты установочных углублениях, соответствующих форме и габаритным размерам шпалы. За счет того, что шпалы на всю свою высоту заглублены в каркас плиты, увеличивается площадь контакта плиты и шпалы, что обеспечивает стабильность пути, более равномерное распределение нагрузки на балки пролетного строения моста и основание пути в тоннеле. При этом рельсы, установленные на таком пути, опираются не только на подрельсовую часть шпалы, но и на плиту основания (непрерывное опирание рельса), что также увеличивает распределение нагрузки и увеличивает несущую способность балок пролетного строения моста и основания пути в тоннеле. Кроме того, расположение каждой шпалы в соответствующем установочном углублении плиты обеспечивает упрощенную замену поврежденных шпал, которые после демонтажа узлов промежуточного рельсового скрепления поштучно вынимаются из установочных углублений, а на их место устанавливаются другие каркасные ячеистые шпалы.
Ячейки каркасов шпалы и плиты для пути с малой грузонапряженностью могут иметь одинаковую площадь. С повышением грузонапряженности пути в первую очередь увеличивается величина статических и динамических нагрузок, действующих на шпалу, прочность которой на таких путях должна быть повышенной. Повышение прочности шпалы в заявляемой конструкции пути осуществляется в том числе и за счет уменьшения площади ячеек каркаса - чем больше грузонапряженность пути, тем меньше площадь ячеек. Необходимый диапазон прочности шпалы достигается в том случае, когда площадь ячеек каркаса шпалы меньше площади ячеек каркаса плиты не более чем в 4 раза. Дальнейшее уменьшение площади ячеек шпалы приведет только к перерасходу материала каркаса.
Ширина плиты больше длины шпалы на 1/3-1/4 часть, что обеспечивает надежное соединение плиты и шпалы, без разупрочнения торцевых участков плиты. Равенство высот шпалы и плиты основания позволяет упростить технологию изготовления плиты и снизить ее материалоемкостью, а значит, и пути в целом.
Для изготовления заявляемого конструктивно и технологически простого безбалластного рельсового пути на основе ячеистых каркасов не требуется какого-либо специального оборудования и сложной технологии.
При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где схематично изображено: на фиг.1 - шпала в виде ячеистого каркаса; на фиг.2 - плита основания в виде ячеистого каркаса; на фиг.3 - плита основания со шпалой (в сборе); на фиг.4 и 5 - вид сбоку на фиг.3 (варианты).
Безбалластный рельсовый путь на искусственном сооружении содержит основание 1 в виде плит, на которых расположены шпалы 2. Каждая плита 1 и шпалы 2 выполнены в виде формообразующих ячеистых каркасов сотовидной формы из полимерного материала, в качестве которого использован сшитый полимер, в частности сшитый полиэтилен, а также полимерный композиционный материал, например стеклопластик на основе термореактивной синтетической смолы (эпоксидной). Каждая шпала 2 связана с плитой 1 на всю свою высоту Н, для чего в каркасе плиты 1 для каждой шпалы выполнено установочное углубление 3, соответствующее форме и габаритным размерам шпалы 2.
2
2
Площадь ячеек 4 каркаса шпалы 2 меньше площади ячеек 5 каркаса плиты 1 не более чем в 4 раза. При испытаниях было установлено, что для пути с высокой грузонапряженностью оптимальными являются следующие величины: площадь каждой ячейки 4 каркаса шпалы 2 равна 9 см (стороны ячеек 3×3 см), а площадь ячейки 5 каркаса плиты 1 равна 36 см (стороны ячеек 6×6 см).
Внешние стенки 6 формообразующего каркаса шпалы 2 являются ее внешними стенками. Внешние стенки 7 формообразующего каркаса плиты 1 являются ее внешними стенками. Ширина плиты 1 больше длины шпалы 2 на 1/3-1/4 часть L. Оптимальная толщина стенок ячеек 4 каркаса шпалы 2 равна 5-15 мм (в зависимости от класса пути), а толщина стенок ячеек 5 каркаса плиты 1 (в зависимости от класса пути) равна 5-10 мм. В результате проведенных испытаний было установлено, что для создания прочного безбалластного рельсового пути высота плиты 1 должна быть равна (в зависимости от класса пути) от 150 до 300 мм, а высота шпалы 2 - от 100 до 200 мм. Возможным является выполнение плиты 1 и шпалы 2 одинаковой высоты (фиг.5).
Для заявляемой конструкции безбалластного рельсового пути формуют каркас шпалы 2, форма которого полностью соответствует форме и размерам шпалы 2; в отверстия 8 каркаса шпалы 2 устанавливают элементы, относящиеся к рельсовым скреплениям, например анкера, закладные детали и т.п.; формуют каркас плиты 1, форма которого полностью соответствует форме и размерам плиты 1.
Заявляемый безбалластный рельсовый путь представляет собой разборную конструкцию, сборка которой заключается в том, что ячеистую шпалу 2 вставляют в установочное углубление 3 плиты 1, а затем на полученную конструкцию устанавливают и закрепляют рельсы 9.
Для работы данной конструкции пути на мосту на шпале 2 закрепляют охранные устройства (контруголки, контррельсы), используя для этого ячейки 4 шпалы 2. Установка данной конструкции пути на мосту заключается в стандартной последовательной укладке плит 1 со шпалами 2 и рельсами 9 (или без них) на верхние пояса главных или продольных балок 10 пролетного строения и прикрепления к ним, например, шпильками (на чертеже не показано), которые вставляются в ячейки 5 плиты 1 (см. «Железнодорожный путь» под ред. Т.Г.Яковлевой, М., Транспорт, 2001, стр.85). Для работы в тоннеле данный путь укладывают на любое подготовленное основание, разрешенное к использованию в тоннелях, и закрепляют на нем любым приемлемым способом (анкерами и/или клеящими мастиками и т.д.). Все работы проводятся с использованием простой технологии с помощью обычной техники. Сразу после окончания монтажных работ путь считается готовым к эксплуатации. При этом известно, что на мостах и в тоннелях, за счет существующих ограничений скоростей движения подвижного состава, динамические нагрузки на путь ниже, чем на основном пути.
При эксплуатации в условиях статических и динамических нагрузок со стороны подвижного состава шпала 2 и плита 1, на которые опираются рельсы 9, принимают на себя эти нагрузки и распределяют их на всю площадь плиты 1 и шпалы 2, в результате чего снижается величина вертикального напряжения на них, то есть снижается вероятность их разрушения. Распределенная нагрузка далее распределяется на балки пролетного строения моста или основание в тоннеле, то есть снижается величина вертикального напряжения на них и увеличивается несущая способность.
Заявляемый безбалластный рельсовый путь конструктивно и технологически прост, надежен, имеет малую материалоемкостью, высокую точность геометрических параметров и упрощенную замену поврежденных шпал, что позволяет эксплуатировать данный путь на искусственных сооружениях - на мостах и в тоннелях. Кроме того, появляется возможность проводить подвижной состав по уложенному или отремонтированному участку пути сразу после окончания работ.