СИЛОВАЯ ОПОРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РЕЛЬСОВОГО СТЫКА
POWER SUPPORT SYSTEM FOR RAIL JOINT

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, в частности, к конструкции усилений рельсовых стыков верхнего строения железнодорожного пути.
Известна силовая опорная система, которая установлена на сдвоенных шпалах, т.е. не имеющих зазора между собой в зоне стыка. Такой вариант стыков рельсов широко распространен на железных дорогах стран Западной Европы [1].
В России стыки совместно с силовыми опорными системами обычно расположены над проемами прилегающих к стыкам шпал. В специальной литературе такая конструкция для стыка консолей рельсов называется "стыком на весу" [2].
Общим недостатком аналогов является кантование шпал. При этом возможность удлинения рельсовых накладок любого типа для исключения данного явления ограничена из-за необходимости взаимного проскальзывания, вызванного температурными деформациями, рельсов и накладок, а объемлющие варианты последних оказались практически нереализуемыми из-за необходимости прилегания к рельсу одновременно по трем плоскостям. Другим недостатком аналогов является наличие значительного угла перелома между смежными участками рельсов в месте стыка, и возникающего по этой причине в момент перекатывания колеса по стыку увеличения расстояния между мгновенными полюсами поворота, сопровождаемого ростом вертикальной (ударной) составляющей вектора скорости колеса [3], [4]. Это происходит даже на сварных или клеевых стыках рельсов, так как металл в них имеет меньшую локальную жесткость по сравнению с основным массивом, т.е. стык ведет себя как шарнир, не препятствующий появлению в нем угла перелома между рельсами. Поэтому в сварных или клеевых стыках при смене мгновенного полюса поворота колесами подвижного состава происходят удары, соизмеримые с ударами в обычном болтовом стыке.
Известна силовая опорная система для болтового рельсового стыка, принятая в качестве прототипа и содержащая расположенный со стороны подошвы рельсов в зоне стыка центральный силовой опорный элемент, установленный симметрично относительно проема между стыковыми шпалами. В частности, такая конструкция для усиленного накладками стыка консолей рельсов в виде перекрывающего стыковой пролет мостика применялась для скреплений типа К [5].
Недостатком известной силовой опорной системы является то, что она, не обладает достаточной жесткостью, как вертикальной, так и угловой, а также не препятствует кантованию прилежащих к стыку шпал, что приводит к разрушению балласта и снижению надежности верхнего строения железнодорожного пути.
Технической задачей, решаемой изобретением, является снижение уровня вертикальных и угловых перемещений рельсов, консольно закрепленных в зоне стыка, а также уменьшение кантования шпал, вызванного прогибами в момент прохождения колесом зоны стыка - сварного, клеевого, болтового или клееболтового.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что силовая опорная система для рельсового стыка, содержащая расположенный со стороны подошвы рельсов в зоне стыка центральный силовой опорный элемент, установленный симметрично относительно проема между стыковыми шпалами, согласно изобретению система дополнительно снабжена не менее чем двумя периферийными силовыми опорными элементами, расположенными в смежных со стыком проемах между шпалами, и каждый силовой опорный элемент выполнен сборным из двух одинаковых уголков, усиленных поперечными ребрами жесткости, причем уголки посредством болтовых стяжек под рельсами в плоскости продольной оси последних скреплены между собой через упругую прокладку своими вертикально ориентированными полками - фартуками, образуя поперечное сечение с профилем тавра, прикрепленного к рельсам с помощью своих зацепов, выполненных на внешних кромках горизонтальной полки образованного тавра и охватывающих края подошвы рельсов с поджатием при этом у каждого силового опорного элемента между подошвой рельса и горизонтальными полками уголков установлена шумоизолирующая прокладка.
Решение поставленной технической задачи достигается также тем, что зацепы сборных силовых опорных элементов на участках между наружными боковыми ребрами жесткости выполнены сплошными.
Решение поставленной технической задачи достигается также тем, что в частном случае зацепы сборных силовых опорных элементов выполнены только в пределах толщин поперечных ребер жесткости.
Решение поставленной технической задачи достигается также тем, что вертикальные полки уголков сборного силового опорного элемента выполнены с ленточной окантовкой.
Решение поставленной технической задачи достигается также тем, что шумоизолирующая прокладка между подошвой рельса и сборным силовым опорным элементом выполнена из антифрикционных материалов.
Решение поставленной технической задачи достигается также тем, что система установлена в зоне стыка, выполненного сварным или клеевым.
Решение поставленной технической задачи достигается также тем, что система установлена в зоне рельсового стыка, выполненного в виде болтового или клееболтового соединения с использованием стандартных двухголовых накладок.
Решение поставленной технической задачи достигается также тем, что система установлена на любых ослабленных участках рельсов в качестве временного противоаварийного средства.
Решение поставленной задачи становится возможным благодаря использованию в дополнение к центральному силовому опорному элементу - двух периферийных, а также выполнению каждого из указанных элементов в виде двух уголков, имеющих зацепы. После стяжки уголков у силового опорного элемента зацепы прикрепляют его к рельсам с поджатием к подошвам, тем самым обеспечивая полученной силовой опорной системе необходимую жесткость. За счет этого снижаются вертикальные и угловые перемещения рельсов, закрепленных консольно в зоне стыка. В результате снижается кантование шпал из-за прогиба рельсов в зоне стыка, что позволяет увеличить работоспособность железнодорожного полотна.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен участок рельсового пути с предлагаемой силовой опорной системой для сварного (клеевого) рельсового стыка; на фиг.2 - участок с предлагаемой силовой опорной системой для болтового (клееболтового) рельсового стыка; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.2; на фиг.5 - сечение В-В на фиг.2.
Силовая опорная система для стыка 1 рельсов 2 (см. фиг.1 и 2), содержит центральный (непосредственно под стыком 7 консолей рельсов 2) сборный силовой опорный элемент 3, а в проемах, примыкающих к стыковым шпалам 4, в отличие от прототипа, устанавливаются конструктивно подобные периферийные сборные силовые опорные элементы 5, компенсирующие недостаточную длину центрального опорного элемента 3. Каждый сборный силовой опорный элемент 3 или 5 (см. фиг.3, 4 и 5), в свою очередь, состоит из двух одинаковых уголков 6, расположенных симметрично относительно продольной плоскости рельсов 2 и усиленных поперечными ребрами жесткости, из которых ребра 7 - центральные, а ребра 8 - боковые. При этом уголки 6 под рельсами 2 соединены между собой своими вертикально ориентированными полками - фартуками 9 посредством болтовых стяжек 10, в результате чего полученное сечение имеет профиль тавра. Для снижения уровня шума и уменьшения коррозии поверхностей в зазоре используется упругая прокладка 11. Одновременно уголки 6 прикреплены к рельсам 2 через шумоизолирующую прокладку 12 с помощью своих зацепов 13, выполненных на внешних кромках горизонтальной полки 14 образованного тавра и охватывающих края подошвы рельсов 2 с поджатием. Зацепы 13 имеют уклон, соразмерный уклону верхней поверхности подошвы рельса 2 и антифрикционную смазку (на чертежах не показана) поверхности, контактирующей с рельсом. Благодаря зацепам 13 обе части сборных силовых опорных элементов 3 и 5 при стягивании болтовых стяжек 10 с усилием зажимают подошву рельса 2. Между ребрами 7 и 8, продолжением которых являются зацепы 13, сделаны усилительные перемычки 15, которые являются загнутыми на верхнюю поверхность подошвы рельса 2 продолжениями горизонтальных полок 14. Кроме того, для дополнительного снижения концентрации напряжений на переходе от горизонтальной полки 14 к перемычке 15, возникающих от зажима зацепом 13 подошвы рельса 2 и от ударов в зоне стыка 7, их сопряжение выполнено в виде некоторого радиуса незамкнутого продольного отверстия 16.
В частном случае зацепы 13 сборных силовых опорных элементов 3 и 5 на участках между наружными боковыми ребрами 8 жесткости выполнены сплошными именно за счет наличия усилительных перемычек 15 (см. фиг.2, 4 и 5).
В другом частном случае зацепы 13 могут быть выполнены только в пределах толщин поперечных ребер жесткости - центрального и боковых 7 и 8, соответственно (см. фиг.1 и 3).
В ряде случаев вертикальные полки 9 уголков 6 отдельного сборного силового элемента 3 или 5 могут выполняться с ленточной окантовкой (на чертежах не показана).
Шумоизолирующая прокладка 72, устанавливаемая между подошвой рельса 2 и сборным силовым опорным элементом 3 или 5, может быть выполнена из антифрикционных материалов.
В частных случаях силовая опорная система устанавливается в зоне стыка 1, который может быть выполнен как сварным или клеевым (см. фиг.1 и 3), так и болтовым или клееболтовым (см. фиг.2, 4 и 5). Во втором варианте сборные силовые опорные элементы 3 и 5 устанавливают, используя стандартные двухголовые стыковые накладки 17.
В последнем частном случае (см. фиг.1 и 2), предлагаемая система может быть использована на любом участке рельсовой плети как временное противоаварийное усиление опасной зоны при невозможности немедленной замены пригодным к эксплуатации рельса 2, ослабленного из-за близкого к предельно допустимому значению износу поверхности катания.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
Поскольку стыковой пролет между шпалами 4 примерно на четверть короче промежуточных пролетов, то соответственно в стыковом пролете устанавливаются в той же степени более короткие центральные сборные силовые опорные элементы 3, по сравнению со сходными по конструкции периферийными элементами 5. Для этого в зазор между балластом (на черт. не обозначен) верхнего строения пути и рельсами 2 вводятся уголки 6, которые при помощи зацепов 13 сцепляются с обеих сторон с подошвами рельсов 2. После установки прокладок 11 и 72 и последующего соединения между собой посредством болтовых стяжек 10 уголков 6 их вертикально ориентированными полками - фартуками 9 в месте стыка 1 увеличивается совокупный момент сопротивления поперечного сечения центрального сборного силового опорного элемента 3 и консолей рельсов 2. Величина полученного момента сопротивления обеспечивает не меньшую прочность зоны стыка 1, чем в середине рельсовой плети. При установке периферийных сборных силовых опорных элементов 5 в проемах, прилегающих к стыковым шпалам 4, возрастает момент сопротивления их общего с рельсами 2 поперечного сечения, что увеличивает угловую жесткость стыка 1 и резко снижает вызывающий кантование шпал 4 угол перелома между консолями рельсов 2 в зоне стыка 1.
Под воздействием нагрузки от колес (на чертежах не показаны) предлагаемая система, благодаря трем скрепленным с рельсами 2 сборным силовым элементам 3 и 5, на участке стыка 1 работает как неразрезная балка - вне зависимости от знака приложенного изгибающего момента. То есть в момент прохождения колесом стыка 1 рельс 2 будет иметь прогиб, близкий к значениям удаленных от стыка 1 участков. Поскольку угловой и вертикальной деформациям стыка препятствуют одновременно три мостика, то совокупная жесткость в стыке 1, которую приобретают рельсы 2 с предлагаемым устройством, становится близкой к жесткости рельсовой плети в ее средней части. Это значит, что прогиб рельса 2 и кантование примыкающих к стыку шпал 4, при наезде колеса на стыковую зону с предлагаемой опорной системой, не будут отличаться от аналогичных факторов в середине плети. Поэтому благодаря снижению угла перелома рельсов 2 в зоне стыка 1, происходит уменьшение расстояния между мгновенными полюсами поворота в момент смены знака у вертикальной составляющей скорости колеса, и как следствие уменьшение силы ударов на рассматриваемом стыке, а также снижение разрушения балласта, возникающего из-за кантования стыковых шпал 4.
В случае, когда зацепы 13 выполнены сплошными, то есть имеют усилительную перемычку 15, являющуюся продолжением горизонтальных полок 14 уголков 6, то сборные силовые опорные элементы 3 или 5 получают дополнительное увеличение жесткости своего поперечного сечения. Такой вариант сборного силового опорного элемента 3 целесообразен при тяжелых режимах работы в зоне стыка 1 (см. фиг.2). При сравнительно легких условиях работы, например, в которых чаще оказываются периферийные сборные силовые опорные элементы 5, целесообразно использовать конструкцию, в которой зацепы 13 выполнены в пределах толщин центрального и двух боковых ребер 7 и 8 (см. фиг.1 и 3) жесткости, соответственно, то есть без усилительных перемычек 15 (см. фиг.2, 4 и 5). В этом случае силовые опорные элементы 3 или 5 обладают большими упругими свойствами по сравнению вариантом с усилительными перемычками 15. Дальнейшее увеличение упругих свойств силовой опорной системы обеспечивается уменьшением числа ребер жесткости: например, могут быть исключены центральные ребра 7 вместе с их зацепами 13.
При использовании уголков 6, у которых вертикальные полки - фартуки 9 выполнены с ленточной окантовкой, появляется возможность дополнительно повысить жесткость конструкции.
Установка шумоизолирующей прокладки 12 из антифрикционных материалов дает возможность наряду со снижением уровня шума снизить силы трения между подошвами рельсов 2 и сборными силовыми опорными элементами 3 и 5, что предотвращает их быстрый износ.
Если данная силовая опорная система используется для сварного или клеевого рельсового стыка, то это позволяет усилить зону стыка 1 за счет увеличения статического момента поперечного сечения.
В случае болтового или клееболтового стыка применяемая силовая опорная система усиливает стык 1, работая совместно со стандартными двухголовыми стыковыми накладками 17, скрепленными между собой болтовыми стяжками 10.
Система сборных силовых элементов не требует крепежных отверстий в рельсе и может непосредственно устанавливаться во время технических перерывов на любых ослабленных участках пути, нуждающихся в оперативном усилении рельсов на находящейся в эксплуатации железной дороге, отличающейся большой осевой нагрузкой подвижного состава, а также скоростными и интенсивными перевозками, то есть выполнять функции противоаварийного средства.
Таким образом, изобретение позволяет снизить уровень вертикальных и угловых перемещений рельсов, консольно закрепленных в зоне стыка, а также уменьшить кантование шпал, вызванное прогибами в момент прохождения колесом зоны стыка - сварного, клеевого, болтового или клееболтового.
Источники информации:
1. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь: Учебник для вузов ж.-д. трансп. - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Транспорт, 1987, с.179-181, рис.1.4.39, в.
2. Чернышев М.А. Железнодорожный путь. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Транспорт, 1974, с.162-165, рис.144, 145, 148 и 150.
3. Надежность железнодорожного пути / Под ред. B.C. Лысюка. - М. Транспорт, 2001, с.250-255.
4. Котович С.В. Методика определения динамических характеристик гусеничного движителя и его воздействия на грунт // Теория и проектирование многоцелевых гусеничных и колесных машин: Сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). - М. 2004, с.33-44, рис.2.
5. Чернышев М.А. Железнодорожный путь. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Транспорт, 1974, с.162, рис.144, с.163, (прототип).