Продольная шпальная решетка рельсового полотна
RAILROAD TRACK LONGITUDINAL SLEEPER ASSEMBLY

Настоящее изобретение относится к области железнодорожной инфраструктуры, а именно к конструкции железнодорожного полотна, и может быть использовано в составе любого рельсового полотна, в том числе для трамваев, метро и железной дороги.
Известно классическое рельсовое полотно [Основы устройства и расчетов железнодорожного пути / Т.Г. Яковлева, В.Я. Шульга, С.В. Амелин и др; Под ред. С.В. Амелина и Т.Г. Яковлевой. - М.: Транспорт, 2013. - 367 с.], включающее поперечно расположенные на заданном расстоянии друг от друга бетонные шпалы, на которые уложены рельсы или рельсовые плети.
К недостаткам данной конструкции можно отнести высокий расход бетона на шпалы и высокий расход стали. Высокий расход рельсовой стали обусловлен необходимостью изготавливать рельс прочным настолько, чтобы он выдерживал все возможные нагрузки, передаваемые через него от состава на шпалы. А большое количество отдельных шпал предполагает крепление рельсов к каждой из них. Как следствие – большой расход стали на крепления рельсов к шпалам.
Известно железнодорожное полотно, включающее продольную шпальную решетку [US 8727229, опубл. 20.05.2014г.], содержащую пару продольных предварительно напряженных бетонных балок, сконфигурированных для продольного размещения под рельсом, и бетонные соединительные планки, поперечно расположенные между парой продольных предварительно напряженных бетонных балок, при этом пара продольных предварительно напряженных бетонных балок и бетонные соединительные планки образованы как одно целое путем заливки. Кроме того, бетонные балки могут быть расположены на двух продольных опорах L образной формы, соответственно.
Недостатками известного технического решения является низкая устойчивость в горизонтальной плоскости, обусловленная отсутствием жесткой связи между L-образными опорами, и повышенный расход бетона на изготовление L-образных опор, кроме того в этом решении используются современные классические рельсовые плети (или рельсы) и их крепления, что требует большой ширины продольных шпал и, соответственно, большого расхода бетона.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение его прочности и надежности при одновременном снижении затрат на обслуживание, упрощении монтажа, уменьшении материалоемкости всего полотна.
Указанный технический результат достигается за счет того, что продольная шпальная решетка рельсового полотна состоит из последовательно уложенных друг за другом секций, каждая из которых включает по два продольных предварительно напряженных армированных бетонных несущих основания, выполненных с возможностью установки на них рельсовых нитей и монолитно соединенных между собой поперечинами, при этом несущие основания с внешней стороны колеи оснащены дополнительными боковыми опорными элементами, выполненными с возможностью равномерного распределения нагрузки от несущих оснований на балласт рельсового полотна, и поперечными пилонами, расположенными вдоль несущих оснований, которые опираются на дополнительные боковые опорные элементы и/или соединены с ними.
Возможны варианты исполнения основного технического решения, заключающиеся в том, что:
- дополнительные боковые опорные элементы, расположенные с разных сторон колеи, соединены друг с другом в секции с помощью поперечных перекладин, в которых образованы посадочные места для соединения с секциями несущих оснований;
- дополнительные боковые опорные элементы выступают за пределы колеи на расстояние не менее четверти ширины колеи;
- расстояние между пилонами (продолжение поперечин), оснащенными дополнительными продольными опорами, должно быть не реже, чем 3,5 ширины колеи;
- длина дополнительного бокового опорного элемента, расположенного вдоль несущих оснований, составляет не менее половины ширины колеи.
Таким образом, благодаря монолитной конструкции всей секции и наличию дополнительных опорных элементов, удалось обеспечить одновременное сохранение устойчивости всего полотна в плоскости и увеличение его прочности, снижение затрат на обслуживание, уменьшение материалоемкости полотна за счет сокращения количества стали для рельсовых нитей (уменьшение поперечного сечения рельса), т.к. основную нагрузку на себя берет шпальная решетка, а рельсы служат контактной прокладкой между колесом и бетонной продольной шпалой, упрощение монтажа, снижение требований к балласту за счет повышения устойчивости полотна. Одновременно с этим сокращается количество необходимых крепежных элементов (расход стали), т.к. для сплошного подрельсового бетонного основания необходимо меньшее количество креплений по сравнению с классическими шпалами.
На Фиг. 1-8 представлены варианты исполнения продольной шпальной решетки рельсового полотна.
1 – несущее основание;
2 – поперечина секции несущих оснований;
3 – боковой опорный элемент;
4 – балласт;
5 – рельсовая нить;
6 – температурный зазор;
7 – пилон;
8 – демпферная прокладка;
9 – поперечная перекладина секции боковых опорных элементов 3;
10 – посадочное место в поперечной перекладине 9;
11 – ответное посадочное место в секции несущих оснований 1;
12 – углубление в верхней поверхности несущего основания 1 для расположения рельсовой нити 5;
13 – подрельсовая подкладка;
14 – проушина.
Продольная шпальная решетка (Фиг. 1-8) рельсового полотна состоит из последовательно уложенных друг за другом секций, каждая из которых включает по два продольных несущих основания 1, монолитно соединенных между собой поперечинами 2.
С внешней стороны колеи несущие основания 1 оснащены дополнительными боковыми опорными элементами 3, выполненными с возможностью равномерного распределения нагрузки от несущих оснований 1 на балласт 4 (Фиг. 6) рельсового полотна.
Каждое несущее основание 1 выполнено с возможностью установки на него рельсовой нити 5 (Фиг. 6, 8) и образовано из предварительно напряженного бетона (предпочтительнее использовать композитную арматуру во избежание возникновения токов наведения) для выдерживания и перераспределения нагрузки, передаваемой рельсовыми нитями 5 от колес транспорта на балласт 4. Длина несущего основания 1 находится в пределах – от 1,5 м до 25 м, однако возможны и другие значения в зависимости от заданных условий.
Для образования монолитной конструкции два несущих основания 1 монолитно соединены между собой поперечинами 2, также выполненными из бетона. Конструкцию образуют путем заливки бетона в форму. Поперечины 2 могут быть расположены перпендикулярно несущим основаниям 1 (Фиг. 1-5) или под углом к ним (на чертеже не показано). Параметры поперечины 2 и шаг их расположения выбираются в зависимости от области применения рельсового полотна. Секции несущих оснований 1 последовательно уложены друг за другом с образованием температурного зазора 6 (Фиг. 1, 2, 3, 5), достаточного для компенсации температурных расширений бетона, и могут быть как соединены между собой посредством соединительных элементов (на чертеже не показано), так и состыкованы без соединения.
Боковые опорные элементы 3 предназначены для обеспечения большей устойчивости полотна в плоскости и гашения импульсов, передаваемых на полотно от раскачивания движущегося по нему транспорта. Боковые опорные элементы 3 выступают за пределы колеи на расстояние не менее четверти от ширины колеи.
Возможны различные варианты исполнения боковых опорных элементов 3.
Несущие основания 1 с внешней стороны колеи оснащены поперечными пилонами 7, которые опираются на боковые опорные элементы 3, расположенные вдоль несущих оснований 1, без связи с ними (Фиг. 2). Пилоны 7 могут опираться на опорные элементы 3 через демпферные прокладки 8, расположенные на поверхности боковых опорных элементов 3. При этом пилоны 7 монолитно соединены с несущими основаниями 1 и выполнены из бетона.
В другом варианте исполнения несущие основания 1 с внешней стороны колеи оснащены пилонами 7, которые соединены с дополнительными боковыми опорными элементами 3, расположенными вдоль несущих оснований 1. При этом пилоны 7 монолитно соединены с несущими основаниями 1 (Фиг. 1) и с боковыми опорными элементами 3 и выполнены из бетона.
В случае длинных секций для компенсации локальных просадок грунта возможен вариант, когда каждая секция выполнена монолитной и состоит из продольных боковых элементов 3, соединенных между собой поперечными перекладинами 9, на которых расположены несущие основания 1 (Фиг. 4), при этом часть несущих оснований 1 с одного конца выходят за пределы боковых элементов 3, которые в свою очередь выходят за пределы несущих оснований 1 с другого конца, т.е. несущие основания 1 расположены на перекладинах 9 боковых элементов 3 со смещением. Это позволяет стыковать подобные секции друг относительно друга в разбежку, т.е. при укладке часть одной секции лежит под следующей, но при этом накрывая собой часть предыдущей. Такой способ стыковки длинных секций позволяет компенсировать высокие напряжения на излом, возникающие при локальных просадках грунта.
Продольные боковые опорные элементы 3 могут быть расположены непрерывно вдоль несущих оснований 1, стыкуясь друг с другом с необходимым температурным зазором, или с шагом друг от друга, они могут иметь прямую форму, изогнутую форму (на чертеже не показано), направленную вершиной изгиба к несущему основанию 1 (вогнутая форма) или от несущего основания 1 (выпуклая форма), а также любую другую форму (трехмерную или двухмерную), позволяющую обеспечить устойчивость полотна на балласте 4. При этом длина бокового опорного элемента 3, расположенного вдоль несущих оснований 1, составляет не менее половины ширины колеи.
Возможен также вариант, при котором продольные боковые опорные элементы 3, расположенные с разных сторон колеи, соединены между собой в секцию, представляющую собой единую жесткую конструкцию (Фиг. 3), с помощью поперечных перекладин 9, в каждой из которых выполнены посадочные места 10 (углубления) для соединения этой конструкции с секциями несущих оснований 1. В несущих основаниях 1 с нижней стороны могут быть выполнены ответные посадочные места 11, например, в виде вырезов. При этом опорные элементы 3 с одной стороны колеи соединены с опорными элементами 3 с другой стороны колеи не менее чем в двух местах на секцию и расположены симметрично друг другу или смещены относительно друг друга на одинаковые расстояния. Таким образом, в данном варианте продольная шпальная решетка состоит из двух соединенных между собой частей: секции несущих оснований 1 и секции боковых опорных элементов 3. При этом секции несущих оснований 1 могут быть состыкованы между собой благодаря их закреплению на секциях боковых опорных элементов 3, т.е. одна секция боковых опор служит креплением и стыковкой для двух секций несущих оснований 1, а одна секция несущих оснований удерживает две секции боковых опорных элементов 3.
Расстояние между поперечными пилонами 7 (продолжение поперечин 2), оснащенными боковыми опорными элементами 3, должно быть не реже, чем 3,5 ширины колеи.
Нижние поверхности боковых опорных элементов 3, пилонов 7, поперечных перекладин 9 могут лежать в одной плоскости друг с другом или с несущими основаниями 1. Однако возможен вариант, при котором пилоны 7 и поперечные перекладины 9 выполнены изогнутыми для обеспечения оптимизации углов их сопряжения с несущими основаниями 1, что приводит к уменьшению напряжения на излом в месте их сопряжения (Фиг. 4, 5). Также нижние части несущих оснований 1, и/или пилонов 7, и/или перекладин 8, и/или боковых опорных элементов 3 могут быть выполненными клиновидными (Фиг. 1-6) для уменьшения нагрузок на излом при прохождении состава, особенно это актуально для длинных секций несущих оснований 1.
На поверхность несущих оснований 1 укладывают рельсовые нити 5 (Фиг. 6, 8), при этом в несущих основаниях 1 могут быть выполнены углубления 12 для более устойчивого положения рельсовых нитей 5. При этом углубления 12 с внешней стороны колеи имеют более высокую стенку, предназначенную для того, чтобы принимать на себя боковые импульсы от ударов реборды колеса. Также между рельсовыми нитями 5 и несущими основаниями 1 может быть расположен по меньшей мере один слой подрельсовой подкладки 13, предназначенной для увеличения номинальной площади опоры рельсовой нити 5 на несущее основание 1. На Фиг. 6 приведены размеры для классического рельсового полотна.
Рельсовые нити 5 могут быть закреплены относительно несущих оснований 1, например, с помощью шпильки (на чертеже не показано) в теле несущего основания 1, на которую надевается стальная проушина 14 (Фиг. 8), а затем прижимается гайкой (на чертеже не показано), или с помощью муфты (на чертеже не показано) с резьбой в теле несущего основания 1, в которую затем вкручивается болт (на чертеже не показано). Проушина 14 при этом составляет одно целое с рельсом.
Заявляемую шпальную решетку укладывают на балласт 4 (Фиг. 6), состоящий из насыпи щебня, и присыпают щебнем сверху для увеличения погонного сопротивления и сил трения.