ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ ШПАЛА ДЛЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ СТЫКОВ СИГНАЛЬНОГО ТОКА РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ С ИМПУЛЬСНЫМ ПИТАНИЕМ (ВАРИАНТЫ)
REINFORCED CONCRETE SLEEPER FOR INSULATING JOINTS OF SIGNAL CURRENT OF RAIL CIRCUITS WITH PULSE SUPPLY (VERSIONS)

Изобретение относится к конструкции верхнего строения железнодорожных путей и представляет вид шпал из бетона с предварительно напряженной арматурой, используемый для особых целей - в изолирующих стыках железнодорожных рельсов сигнального тока рельсовых цепей с импульсным питанием.
Из уровня техники известны:
- железобетонная шпала, включающая в себя устройство увеличения сопротивления ее перемещениям поперек и вдоль пути, расположенное на концевых участках шпалы (патент Германии 839363. Е01В 3/28, 1952 г.);
- железобетонная шпала, содержащая концевые участки, участки для крепления рельсов и участки сопряжения со средним участком, имеющим ширину меньше ширины других участков (патент RU 2293810 C1 Е01В 3/32, опубл. 20.02.2007 Бюл. №5);
- железобетонная шпала, изготовленная с выступом в средней части нижней постели на длине, равной зоне действия сжимающих кромочных напряжений (патент RU 2433218 С2 Е01В 3/34, Е01В 3/32, Е01В 3/28, опубл. 10.11.2011 Бюл. №31);
- железобетонная шпала, выполненная в виде армированного бруса с переменным подлине поперечным сечением (патент RU 2504611 С2 Е01В 3/28, Е01В 3/32, опубл. 20.01.2014 Бюл. №2);
- железобетонная шпала, включающая в себя арматуру и устройство для увеличения ее сопротивления перемещениям поперек и вдоль пути (патент RU 2155836 C1 Е01В 3/28, опубл. 10.09.2000, Бюл. №25).
За прототип выбрана общеизвестная конструкция цельнобрусковой, предварительно напряженной, струнобетонной железобетонной шпалы, в которой нижняя постель плоская или в ее средней части она имеет выемку (Шахунянц Г.М. «Железнодорожный путь». М. Транспорт. 1987 г., с. 196-197).
Недостатками всех вышеперечисленных конструкций железобетонных шпал являются: повышенная материалоемкость и невысокая функциональность изделия, которая не учитывает особенностей обслуживания участков пути в зоне изолирующих стыков. При укладке в путь таких конструкций шпал не обеспечивается необходимое сопротивление перемещениям их вдоль и поперек пути в особо сложных условиях и существует риск замыкания в изолирующих стыках дроссельных медных перемычек, предназначенных для подключения путевых дроссель-трансформаторов при электротяге постоянного или переменного тока, приводящий к появлению «ложной занятости участка пути».
Система автоматического регулирования интервалов между попутно следующими по железнодорожному перегону железнодорожными поездами основана на нормальной работе сигнальных напольных устройств (дроссель-трансформаторов, путевых коробок, рельсовых педалей) и обеспечивает безопасность и бесперебойность движения поездов с установленными скоростями. В данной системе изолирующие рельсовые стыки 1 (фиг. 1-3) с металлическими (со сборной изоляцией), полимерными, металлополимерными, металлокомпозитными или композитными накладками предназначены для разделения железнодорожного пути на рельсовые цепи за счет электрической изоляции двух смежных рельсов, контролируемой показаниями, передаваемыми через дроссельные перемычки 3, закрепленные на деревянных полушпалках (брусках) 2, которые располагаются по всей длине рельсошпального ящика и прижимаются к боковой стороне железобетонной шпалы в принимающем и отдающем рельсовых концах соответственно (ГОСТ 32695-2014. Стыки изолирующие железнодорожных рельсов. Требования безопасности и методы контроля). Такая конструкция фиксации дроссельных перемычек 3 усложняет работу по выправке железнодорожного пути (дополнительные трудозатраты на сборку и разборку), а без ее демонтажа невозможна работа комплекса путевых машин при подбивке четырех смежных шпал со всех сторон и вырезке загрязненного балласта. При этом пара изолирующих стыков 1 для сигнальных установок на железнодорожных перегонах (фиг. 2) располагается в среднем на расстоянии 1200 метров друг от друга (на каждом блок-участке), а на железнодорожных станциях, как правило, - в двух местах (по контрольным секциям) на стрелочных переводах и у каждого сигнала светофора.
При текущем содержании бесстыкового пути в зоне изолирующих стыков 1 (по 50 м с обеих сторон) (фиг. 1-3) необходимо обеспечивать нормативные усилия прижатия рельсов к основанию, а в стыках - выправлять просадки и подбивать стыковые и предстыковые шпалы, в количестве 8 штук (Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути, утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» от 14.11.2016 г. №2288р). Известен только один способ технологической выправки пути - шпалу подбивают выправочными органами путевых машин (или ручными электрошпалоподбойками) одновременно с четырех сторон каждого конца в подрельсовой части так, чтобы она опиралась на балласт призмы железнодорожного пути только в этой зоне (см. Правила и технология выполнения основных работ при текущем содержании пути, утвержденные Министерством Путей Сообщения Российской Федерации 30.06.1997 г., «Общий курс железных дорог», стр. 56, под ред. Ю.И. Ефименко. - М., 2005 г.; «Железобетонные шпалы для рельсового пути», под ред. Золотарского А.Ф. - М.: Транспорт, 1980 г.). Такая технология позволяет значительно уменьшить растягивающие напряжения в верхней средней части рельсовой опоры, являющейся ее самым ненадежным участком, и исключить появление трещин, которые являются основным дефектом всей конструкции. Опирание шпалы на балласт средней своей частью недопустимо, так как приводит к излому и выходу из строя рельсовой опоры. Нарушения в системе текущего содержания пути и отступления от технологии подбивки шпал (не со всех сторон) в изолирующих стыках приводит к образованию просадок, истиранию торцевой изоляции, «ложной занятости участка пути», выплескам, ступенькам, смятию головок, изломам рельсов и самих шпал.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание железобетонной шпалы (бруса) для изолирующих стыков сигнального тока рельсовых цепей с импульсным питанием, обеспечивающей:
- повышение надежности работы рельсовых цепей, отсутствие пустот под подошвой шпал при выправочных работах;
- возможность использования шпал на участках с повышенными осевыми нагрузками и высокой грузонапряженностью:
- повышение сопротивления сдвигу в балласте в поперечном к оси пути направлении (в верхнем слое балластной призмы);
- улучшение условий труда;
- снижение трудозатрат на текущее содержание пути (обустройства для работы изолирующих стыков);
- повышение качества выполнение ремонтных работ выправочно-подбивочно-отделочными комплексами путевых машин;
- повышение безопасности производства работ.
Технический результат - уменьшение материалоемкости и веса, увеличение прочности и повышение функциональности железобетонной шпалы, улучшение условий безопасности труда.
Указанный технический результат достигается применением заявляемого изобретения в принимающих и передающих концах рельсовых изолирующих стыков за счет того, что в теле железобетонной шпалы (бруса) на протяжении всей длины со сквозным выходом из каждого торца или в боковых стенках обустроены каналы (полости) для закрепления в них дроссельных перемычек.
Для решения технической задачи и достижения технического результата разработано 4 варианта конструкции железобетонной шпалы для изолирующих стыков сигнального тока рельсовых цепей с импульсным питанием:
Вариант №1:
Железобетонная шпала для изолирующих стыков сигнального тока рельсовых цепей с импульсным питанием, цельнобрусковая, предварительно напряженная, струнобетонная, согласно изобретению, по всей длине параллельно ее продольной оси по центру торцевой части расположен один сквозной канал, выполненный из трубы.
При клеммно-болтовом скреплении сквозной канал расположен со смещением в сторону боковой части шпалы.
При бесподкладочном армированном скреплении сквозной канал расположен со смещением в сторону подошвенной части шпалы.
Сквозной канал может быть выполнен из пластиковой или металлической трубы диаметром 40-65 мм.
Вариант №2:
Железобетонная шпала для изолирующих стыков сигнального тока рельсовых цепей с импульсным питанием, цельнобрусковая, предварительно напряженная, струнобетонная, согласно изобретению, по всей длине параллельно ее продольной оси в нижней трапециевидной торцевой части расположены два сквозных канала, каждый из которых выполнен из трубы.
При клеммно-болтовом скреплении два сквозных канала расположены со смещением в сторону боковой части шпалы.
При бесподкладочном армированном скреплении два сквозных канала расположены со смещением в сторону подошвенной части шпалы.
Два сквозных канала расположены в нижней трапециевидной торцевой части шпалы на уровне 25-40 мм от ее подошвы.
Каждый сквозной канал может быть выполнен из пластиковой или металлической трубы диаметром 30-40 мм.
Вариант №3:
Железобетонная шпала для изолирующих стыков сигнального тока рельсовых цепей с импульсным питанием, цельнобрусковая, предварительно напряженная, струнобетонная, согласно изобретению, в одной ее боковой части, на уровне от подошвы до середины высоты и по всей длине, параллельно ее продольной оси, расположен сквозной канал, выполненный в виде полукруга с открытой наружной частью или в виде полукруга с закрытой наружной частью посредством хорды, проходящей через диаметрально противоположные точки полукруга.
Сквозной канал может быть выполнен из полукруглого металлопроката или из полукруглого пластика.
Вариант №4:
Железобетонная шпала для изолирующих стыков сигнального тока рельсовых цепей с импульсным питанием, цельнобрусковая, предварительно напряженная, струнобетонная, согласно изобретению, в двух ее противоположных боковых частях, на уровне от подошвы до середины высоты и по всей длине, параллельно ее продольной оси, расположено по одному сквозному каналу, выполненному в виде полукруга с открытой наружной частью, в которой установлены поперечины, или в виде полукруга с закрытой наружной частью посредством хорды, проходящей через диаметрально противоположные точки полукруга.
Сквозной канал выполнен из полукруглого металлопроката или из полукруглого пластика.
Поперечины установлены через каждые 100-500 мм.
Сущность изобретения поясняется чертежами (на примере железобетонной шпалы с ее размерами) не зависимо от типа и вида рельсового скрепления.
На фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 представлен участок железнодорожного пути (на фиг. 1 - со стрелочным переводом, на фиг. 2 - на перегоне, на фиг. 3-е разновидностью крепления дроссельных перемычек - крепежной опорой), включающий изолирующий стык 1, полушпалок (брусок или крепежную опору) 2, дроссельную перемычку 3, железобетонную шпалу (брус) 4 на фиг. 4 показана железобетонная шпала по первому варианту конструкции, вид сбоку; на фиг. 5 - то же, вид сверху; на фиг. 6 - вид А на фиг. 4; на фиг. 7 - вид Б на фиг. 4; на фиг. 8 показана железобетонная шпала по второму варианту, вид сбоку; на фиг. 9 - то же, вид сверху; на фиг. 10 - вид А на фиг. 8 в первом исполнении; на фиг. 11 - вид А на фиг. 8 во втором исполнении; на фиг. 12 - вид Б на фиг. 8; на фиг. 13 показана железобетонная шпала по третьему варианту конструкции, вид сбоку; на фиг. 14 - то же, вид сверху; на фиг. 15 - вид А на фиг. 13 в закрытом исполнении канала для дроссельных перемычек; на фиг. 16 - вид А на фиг. 13 в открытом исполнении канала для дроссельных перемычек; на фиг. 17 - вид Б на фиг. 13; на фиг. 18 показана железобетонная шпала по четвертому варианту конструкции, вид сбоку; на фиг. 19 - то же, вид сверху; на фиг. 20 - вид А на фиг. 18 в закрытом исполнении каналов для дроссельных перемычек; на фиг. 21 - вид А на фиг. 18 в открытом исполнении каналов для дроссельных перемычек с поперечинами; на фиг. 22 - вид А на фиг. 18 в открытом исполнении различных видов каналов для дроссельных перемычек; на фиг. 23 - вид Б на фиг. 18.
Представленная на фиг. 4-23 железобетонная шпала 4 выполнена в виде армированного бруса с переменным по длине поперечным сечением и имеет один сквозной канал 5 или два сквозных канала 5, стальную арматуру 6. На фиг. 6, 10, 11, 15, 16, 20, 21, 22 боковые грани железобетонной шпалы 4 наклонены к горизонтали под углом 71-80° в зависимости от ее прочностных характеристик.
Все сквозные каналы 5 для оптимизации прочностных характеристик и объема бетона, необходимого для изготовления шпалы, расположены параллельно продольной оси железобетонной шпалы 4 и имеют прямой угол наклона к вертикали. Сквозные каналы могут быть изготовлены из металлических или пластиковых труб круглого, квадратного или прямоугольного сечения Длина трубы сквозного канала равна длине железобетонной шпалы (2700 мм±50 мм).
Торцевые участки в зонах сквозных каналов 5 усилены стальной арматурой 6, сопряженной с другой арматурой в подошвенном и верхнем уровнях железобетонной шпалы 4.
Рассмотрим варианты конструкции железобетонной шпалы 4 со сквозными каналами 5, изготовленными из труб круглого сечения.
В первом варианте (фиг. 4-7) по всей длине железобетонной шалы 4, параллельно ее продольной оси, по центру торцевой части расположен один сквозной канал 5, выполненный из пластиковой или из металлической трубы диаметром 40-65 мм трубы и предназначенный для размещения в нем дроссельных перемычек 3 (фиг. 1-3). При клеммно-болтовом скреплении сквозной канал 5 расположен со смещением в сторону боковой части шпалы 4. При бесподкладочном армированном скреплении сквозной канал 5 расположен со смещением в сторону подошвенной части шпалы 4.
Во втором варианте (фиг.8-12) по всей длине железобетонной шалы 4, параллельно ее продольной оси, в нижней трапециевидной торцевой части на уровне 25-40 мм от подошвы шпалы расположены два сквозных канала 5 (фиг. 10-11), каждый из которых выполнен из пластиковой или из металлической трубы диаметром 30-40 мм. Каждый сквозной канал 5 предназначен для размещения в нем дроссельной перемычки 3 (фиг. 1-3). При клеммно-болтовом скреплении два сквозных канала 5 расположены со смещением в сторону боковой части шпалы 4. При бесподкладочном армированном скреплении два сквозных канала 5 расположены со смещением в сторону подошвенной части шпалы 4. Во втором варианте конструкции железобетонной шалы 4 возможны два вида исполнения сквозных каналов 5: с расположением на расстоянии друг от друга (фиг. 10) и с расположением вплотную друг к другу (фиг. 11).
В третьем варианте (фиг. 13-17) конструкции: в одной боковой части железобетонной шпалы 4, на уровне от подошвы до середины высоты и по всей длине шпалы 4, параллельно ее продольной оси, расположен один сквозной канал 5 в виде полукруга, предназначенный для размещения в нем дроссельной перемычки 3 (фиг. 1-3). Сквозной канал 5 может быть выполнен из полукруглого металлопроката или из полукруглого пластика. В конструкции третьего варианта разработано два вида исполнения сквозного канала 5:
- с закрытой наружной частью посредством хорды, проходящей через диаметрально противоположные точки полукруга (фиг. 15);
- с открытой наружной частью в виде ниши (фиг. 16).
В четвертом варианте (фиг. 18-23) конструкции: в двух противоположных боковых частях железобетонной шпалы 4, на уровне от подошвы до середины высоты и по всей длине шпалы 4, параллельно ее продольной оси, расположено по одному сквозному каналу 5 (фиг. 20-22), который может быть выполнен из полукруглого металлопроката или из полукруглого пластика. Сквозные каналы 5 предназначены для размещения в них дроссельных перемычек 3 (фиг. 1-3). В конструкции четвертого варианта разработано два вида исполнения сквозного канала 5:
- либо в виде полукруга с закрытой наружной частью посредством хорды, проходящей через диаметрально противоположные точки полукруга (фиг. 20);
- в виде полукруга с открытой наружной частью в виде ниши, в которой через каждые 100-500 мм установлены поперечины 7 (фиг. 21-22), которые фиксируют границы установки дроссельных перемычек.
В третьем и в четвертом вариантах конструкции железобетонной шпалы хордой, закрывающей полукруглую нишу с образованием закрытой наружной части, является металлическая или пластиковая пластина (крышка).
Заявляемая железобетонная шпала работает следующим образом. В первом варианте: одну или несколько дроссельных перемычек 3 (фиг. 1-3) одного и того же назначения (прямого тока или обратного тока), вставляют в выполненный из трубы сквозной канал 5 (фиг. 4-7) с одного торца железобетонной шпалы 4 (одной из двух) изолирующего стыка 1 (фиг. 1-3). Затем дроссельную перемычку 3 выводят по сквозному каналу 5 через другой торец железобетонной шпалы 4, не прикасая к дроссельной перемычке другого назначения, и закрепляют в технологическом отверстии, просверленном в шейке рельса. Далее одну или несколько дроссельных перемычек 3 (фиг. 1-3) другого назначения вставляют в сквозной канал 5 (фиг. 4-7) с одного торца второй железобетонной шпалы 4 изолирующего стыка 1 (фиг. 1-3), выводят дроссельную перемычку 3 через другой торец второй железобетонной шпалы 4 и закрепляют в технологическом отверстии, просверленном в шейке рельса.
Во втором варианте: одну или несколько дроссельных перемычек 3 (фиг. 1-3), в зависимости от ее назначения (например, прямого тока), вставляют в один из двух сквозных каналов 5 (фиг. 10-11), выполненных из трубы, с одного торца железобетонной шпалы 4 (одной из двух) изолирующего стыка 1 (фиг. 1-3). Затем дроссельную перемычку 3 выводят по сквозному каналу 5 (фиг. 8-9) через другой торец железобетонной шпалы 4, не прикасая к другой по назначению дроссельной перемычке, и закрепляют в технологическом отверстии, просверленном в шейке рельса. Далее одну или несколько дроссельных перемычек 3 другого назначения (например, обратного тока) вставляют в другой канал этой же железобетонной шпалы 4 с одного торца, выводят дроссельную перемычку по сквозному каналу 5 с другого торца железобетонной шпалы 4 и закрепляют в технологическом отверстии, просверленном в шейке рельса.
Данная конструкция является универсальной, так как позволяет использовать только одну железобетонную шпалу на каждую пару изолирующих стыков и создает экономию узкоспециализируемых материалов верхнего строения пути.
В третьем варианте: одну или несколько дроссельных перемычек 3 (фиг. 1-3) одного и того же назначения (например, прямого тока) вставляют с одного торца в выполненный в виде полукруга сквозной канал 5 (открытый или закрытый) (фиг. 15-16), расположенный в боковой части одной железобетонной шпалы 4 (фиг. 1-3) изолирующего стыка 1. Затем дроссельную перемычку 3 выводят по сквозному каналу 5 (фиг. 13-14) с другого торца железобетонной шпалы 4, не прикасая к другой по назначению дроссельной перемычке 3 и закрепляют в технологическом отверстии, просверленном в шейке рельса. Далее одну или несколько дроссельных перемычек 3 (фиг. 1-3) другого назначения (например, обратного тока) вставляют с одного торца в выполненный в виде полукруга сквозной канал 5 (открытый или закрытый) (фиг. 15-16) второй железобетонной шпалы 4 (фиг. 1-3) изолирующего стыка 1. Затем дроссельную перемычку 3 выводят по сквозному каналу 5 (фиг. 13-14) с другого торца железобетонной шпалы 4 и закрепляют в технологическом отверстии, просверленном в шейке рельса.
Особенность данной конструкции заключается в установке железобетонных шпал каналами, расположенными в одном рельсошпальном ящике изолирующего стыка (напротив друг другу). При условии достаточной длины дроссельных перемычек железобетонные шпалы можно устанавливать в изолирующий стык в любом расположении канала боковой части.
В четвертом варианте: одну или несколько дроссельных перемычек 3 (фиг. 1-3) одного и того же назначения (например, прямого тока) вставляют с одного торца в один из двух (фиг. 20-22), выполненных в виде полукруга, сквозных каналов 5 (открытый с поперечинами или закрытый), расположенных в каждой боковой части (с двух сторон) железобетонной шпалы 4 изолирующего стыка 1 (фиг. 1-3). Затем дроссельную перемычку 3 выводят по сквозному каналу 5 (фиг. 18-19) с другого торца железобетонной шпалы 4, не прикасая с дроссельной перемычкой другого назначения, и закрепляют в технологическом отверстии, просверленном в шейке рельса. Далее одну или несколько дроссельных перемычек 3 (фиг. 1-3) другого назначения (например, обратного тока) вставляют с одного торца во второй сквозной канал 5 (фиг. 20-22) железобетонной шпалы 4, выводят по сквозному каналу 5 (фиг. 18-19) с другого торца железобетонной шпалы 4 и закрепляют в технологическом отверстии, просверленном в шейке рельса.
Данная конструкция является универсальной, так как позволяет использовать только одну железобетонную шпалу на каждую пару изолирующих стыков и создает экономию узкоспециализируемых материалов верхнего строения пути.
В случае выполнения сквозных каналов применительно к третьему и к четвертому вариантам конструкции железобетонных шпал, но изготовленными из труб прямоугольного или квадратного сечения, эти трубы обрезают также, как трубы круглого сечения - по продольному сечению, вровень с углом наклона боковых граней шпалы таким образом, чтобы они не выставлялись за габариты боковой скошенности железобетонных шпал.
Предлагаемая железобетонная шпала обеспечивает:
- уменьшение ее материалоемкости и веса за счет введения в ее тело полого сквозного канала;
- увеличение прочности, так как сквозной канал, выполненный из трубы, повышает жесткость конструкции шпалы;
- повышение функциональности, поскольку кроме выполнения опоры для рельсов и фиксации ширины колеи ширины железнодорожного пути с помощью шпалы появилась возможность размещения в ее теле дроссельных перемычек;
- улучшение безопасности труда за счет освобождения рельсошпальных ящиков от брусков и уменьшения возможности поражения работников электрическим током, так как дроссельные перемычки размещены в теле шпалы.
Основные преимущества предлагаемой конструкции шпалы заключаются в следующем:
- безопасность и бесперебойность движения поездов за счет повышения надежности работы рельсовых цепей, отсутствии пустот под подошвой шпал при выправочных работах.
- возможность изготовления в универсальных длинных и коротких формах по технологии с преднатяжением и постняжением арматуры по малопрогревной или беспропарочной технологии.
возможность использования шпал на участках с повышенными осевыми нагрузками и высокой грузонапряженностью.
- облегчение конструкции шпалы и повышение прочности за счет сквозного канала для крепления дроссельных перемычек.
- повышение сопротивления сдвигу в балласте в поперечном к оси пути направлении (в верхнем слое балластной призмы) за счет удобства производства и соблюдения технологии выправочных работ.
- повышение безопасности производства работ на участках железнодорожного пути с изолирующими стыками сигнального тока рельсовых цепей с импульсным питанием за счет закрепления дроссельных перемычек в теле железобетонной шпалы, независимо от применяемой конструкции промежуточных рельсовых скреплений (подкладочного или бесподкладочного).
Таким образом, используя предлагаемое устройство в изолирующих стыках сигнального тока рельсовых цепей с импульсным питанием трудозатраты электромехаников, обслуживающих системы сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ), на их текущее содержание снижаются на 70% при первичном монтаже дроссельных перемычек и на 100% при подготовке изолирующих стыков к выправочным работам с экономией материалов (брусков и крепежей), а в путевом хозяйстве улучшаются условия труда и обеспечивается технология по выправке пути.