РЕЛЬСОВЫЙ СТЫК
RAIL JOINT

Изобретение относится к устройству для соединения рельсов и может быть использовано, например, в железнодорожной технике, преимущественно для уравнительных пролетов бесстыкового пути, а также для создания конструкции «бархатной» поездной колеи звеньевого типа.
Изобретение применимо в любой отрасли промышленности и хозяйственной деятельности, где используются рельсы для перемещения по ним транспортных средств.
Общеизвестен стык железнодорожной колеи, в котором два рельса, торцы которых обрезаны под углом 90° к их продольной оси, установлены с зазором. Стык перекрывается боковыми накладками, которые входят в пазухи рельсов и обеспечивают при хорошо затянутых болтах практически полную передачу продольной силы, но только частичную передачу изгибающего момента в вертикальной и горизонтальной плоскостях (В.Г. Альбрехт, А.Я. Коган «Бесстыковой путь», Москва, «Транспорт»,2000 г. стр. 325-326).
Допускаемая величина зазора для рельсов в звеньевом пути составляет 21 мм. При проходе стыка колесо тележки поезда вначале резко опускается вниз, проваливается, а затем поднимается вверх. Несмотря на небольшой перепад высоты, составляющий около 0.1 мм, возникающая сила удара значительна и достигает 10 тс. Исследования показали, что при движении со скоростью 80 км/час динамическая нагрузка на рельс составляет 3 тс. Если же на рельсе волнообразный износ 1,4 мм, а на колесе ползун 0,65 мм, то сила воздействия на путь возрастает еще на 5 тс. А на стыке рельсов удар дополнительно увеличивается на 10тс. С учетом допускаемой статической нагрузки на путь 12 тс, суммарное действие поездной нагрузки доходит до 30 тс, что очень негативно влияет на путь. Поэтому следствием движения состава по стыкам является ускоренный выход из строя рельсов, колесных пар, подшипниковых узлов, повышение затрат на выправку железнодорожного пути из-за быстрого расстройства положения железнодорожной колеи по уровню, продольному профилю и в плане, а также увеличение сопротивления движению поездов на 7-10%.
Этих недостатков в значительной мере лишен так называемый «бархатный путь». В этом варианте верхнего строения железнодорожной колеи применяют рельсы длиной 800 м и более. Непрерывный, без разрывов путь может протянуться не только до блок-участка, но и до перегона.
В бесстыковой железнодорожной колее обычно плети соединяются между собой в уравнительном пролете с помощью 2-4 укороченных пар рельсовых звеньев. Возникающие на этом соединительном участке зазоры приводят к опасным ударным нагрузкам.
В бесстыковом пути выход рельсов из строя в зонах уравнительных пролетов происходит в 10-12 раз чаще, чем в плетях. В целом затраты труда на текущее содержание стыковых зон и концов плетей составляет от 40 до 70%, что на единицу длины в 4-12 раз больше, чем на плетях (В.М. Ермаков, стр. 12 статьи «Особенности конструкции, условий ее работы, укладки и содержания», журнал «Путь и путевое хозяйство» №12/2004 г.).
По отношению к опорам стыки располагают на одной или на двух шпалах и на весу. На российских железных дорогах принят к использованию последний вариант. Это позволяет в два раза уменьшить жесткость пути, значительно уменьшить силу удара и ослабить воздействие поездной нагрузки на железнодорожную колею, уменьшить расстройства проектного положения рельсов.
Для снижения динамики при преодолении зазора целесообразно расположить стык не только в межшпальном промежутке, то есть на весу, но и выполнить его не прямым, а косым, обрезав торцы под острым углом к продольной оси рельсовой нити, и сделать стык, например, кососимметричным. Теоретически это должно обеспечить безударное прохождение тележками поезда места разрыва железнодорожной колеи.
При применении косого стыка набегание обода колеса на кромку торца принимающего рельса происходит постепенно, а не сразу по всей ее длине и при этом он (обод) продолжает опираться и на отдающий рельс. Плавность же преодоления косого стыка предопределяет снижение динамических нагрузок, уменьшение негативного воздействия на ходовую часть подвижного состава, ослабление расстройств положения железнодорожной колеи в продольном профиле, по уровню и в плане, повышение экономичности передвижения железнодорожных машин и поездов.
Косое рельсовое соединение описано в отечественном изобретении SU 1769771. В этом техническом решении торцы срезаны в плане кососимметрично относительно продольной оси и связаны между собой с помощью вертикально расположенных боковых стыковых накладок и поперечных крепежных элементов. Причем для надежной и долговечной работы ширина шеек рельсов должна быть равна ширине их головок, а их подошвы в зоне стыка должны опираться на сдвоенные шпалы. Недостатками изобретения SU 1769771 является значительное усложнение технологии изготовления рельсов, увеличение массы, удорожание конструкции, появление дополнительных динамических нагрузок из-за двукратного увеличения жесткости пути в зоне стыка.
Свободное от этих недостатков техническое решение косого рельсового соединения приведено в изобретении RU 2241795. В этом варианте торцы срезаны в плане под острым углом и осесимметричны относительно продольной оси, а поверхности торцов обратносимметричны относительно перпендикуляра к продольной оси и скреплены с помощью вертикально расположенных боковых стыковых накладок, зажимающих находящийся между ними рельс с помощью поперечных крепежных элементов. Принимаем изобретение RU 2241795 за прототип.
Его недостатком является быстрое разрушение заостренных концов торцов и выпучивание шейки рельса в зоне стыка. Вызвано это тем, что при действии поездной нагрузки отдающий конец рельса всегда расположен ниже принимающего. Происходит это по следующей причине. Когда колесо тележки поезда находится перед стыком и давит на головку отдающего рельса, он прогибается и опускается вниз. Через боковые накладки, которые установлены в пазухах рельсов, происходит передача усилия на принимающий рельс, точнее на его подошву, которая из-за недостаточной жесткости разгибается и ее боковая часть опускается вниз на доли миллиметра. Кроме того, имеет место и просадка конца отдающего рельса из-за недостаточной жесткости его соединения с боковыми накладками даже при нормативной затяжке крепежных болтов. Поэтому головка принимающего рельса оказывается всегда немного выше, чем головка отдающего. При перекатывании через стык колесо сталкивается с возникшей от действия поездной нагрузки ступенькой и происходит резкий удар по заостренному, имеющему маленькую площадь, концу торца принимающего рельса. Поэтому в зоне этого начального соприкосновения возникает контактное давления значительно превышающее максимально допустимое и происходит разрушение металла. Кроме того, удар колеса в боковой заостренный конец торца принимающего рельса создает опасный изгибающий момент в горизонтальной плоскости и приводит к выпучиванию шейки.
Эти обстоятельства приводят к расстройствам проектного положения железнодорожного пути, повышенному выходу из строя рельсов, колесных пар, подшипниковых узлов, увеличению затрат на выправку железнодорожного пути, а также увеличение сопротивления движению поездов.
Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков.
Эта цель достигается тем, что к подошвам концов рельсов прикреплена горизонтальная стыковая накладка.
Кроме того, предлагаемое решение отличается еще и тем, что горизонтальная стыковая накладка крепится к рельсам крепежными элементами, установленными по продольной оси рельсов.
Также предлагаемое техническое решение отличается еще и тем, что в горизонтальной стыковой накладке отверстия для крепежных элементов имеют продолговатую форму.
То есть конструктивно стык имеет кроме двух продольных боковых вертикальных накладок еще дополнительную, третью, расположенную снизу и прикрепленную вплотную к подошвам обоих соединяемых рельсов. Длина ее около 600-1000 мм, но может быть и значительно меньше, например, 200-300 мм. Она имеет форму бруса. Относительно зазора между плетями новый соединительный элемент рекомендуется расположить симметрично. Ширина горизонтальной, соединяющей два рельса в стыке, накладки обычно принимается примерно равной ширине подошвы рельса. Толщина ориентировочно равна толщине подошвы рельса, но может быть и значительно увеличена. Допускается размещать на горизонтальной накладке ребра жесткости, придавать ей, например, швеллерообразную форму. Момент сопротивления новой конструкции рельсового стыка значительно увеличился. Поэтому предлагаемое техническое решение позволит обеспечить не только передачу продольной силы, как это происходит в прежних конструкциях, но и полную передачу тремя накладками изгибающего момента в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Величина просадки рельсовой нити в зоне стыка становится равна аналогичной просадке ее в середине межшпального промежутка. Это повысит плавность пути и снизит вертикальные динамические силы при движении поезда.
В кривых участках пути радиусами 300-350 м «уголок» в плане в зоне стыка значительно уменьшится по сравнению с прежней конструкцией.
Самое главное то, что установка горизонтальной накладки фиксирует одинаковый уровень подошв концов обоих рельсов и, следовательно, перепад высот головок отдающего и принимающего рельсов становится равным нулю. Поэтому динамические ударные силы в косых стыках, вызываемые ранее наличием ступеньки при переезде колеса через зазор двух плетей, исчезают.
Наиболее рационально крепить, например, болтами, горизонтальную стыковую накладку к подошвам двух рельсов стыка по продольной оси пути. Крепежные элементы должны пройти через ее отверстия продолговатой формы и ввинтиться в нижнюю часть плети в наиболее толстом ее месте. Это позволит значительно увеличить жесткость конструкции стыка, включить в создание момента сопротивления тело шейки принимающего рельса, разгрузить его подошву. Установка нижней, горизонтальной накладки способна зафиксировать и всегда сохранять положение головок концов двух рельсов на одном и том же уровне, в том числе и в момент перекатывания колесной пары через стык. Это обеспечивает отсутствие перепада высот отдающего и принимающего рельсов при действии поездной нагрузки и, следовательно, произойдет безударное прохождение зазора косого стыка колесом тележки поезда. Кроме того, центральная, по продольной оси рельсов, установка болтов позволяет использовать без всякой доработки стандартные боковые накладки. В противном случае для установки крепежных элементов потребуется выполнить в вертикальных стыковых накладках пазы.
Продолговатая форма отверстий горизонтальных накладок разрешает «дышать», перемещаться в стыке концам рельсов соединяемых плетей, так как не препятствует им изменять длину в определенных, заданных зазорами крепежного соединения, температурных пределах.
Угол среза в косом стыке измеряется между продольной осью пути и плоскостью торца рельса. Его величина зависит от допускаемого максимального зазора. Для стандартного зазора, равного 21 мм, принятого в звеньевом пути с рельсами длиной 25 м, оптимальным углом среза будет угол около 45°. В уравнительном пролете при укороченных рельсах и допускаемом зазоре до 10 мм угол среза в косом стыке можно увеличить примерно до 60°. При этом будет обеспечена работоспособность стыка при максимально-возможном зазоре между гребнем колеса и боковой гранью рельса.
Предлагаемая конструкция стыкового соединения позволит улучшить работу уравнительных пролетов бесстыкового пути, значительно увеличить их долговечность, надежность, уменьшить негативное влияние на верхнее строение пути и подвижной состав, существенно, в несколько раз, снизит затраты труда на текущее содержание стыковых зон и концов плетей.
Безударное прохождение разрывов между рельсами дает возможность выполнить по предлагаемому изобретению звеньевой аналог «бархатного» пути, но, в отличие от бесстыкового, не являющегося температурно напряженным. Это исключит возможность в весенне-летний период выбросов железнодорожной колеи из-за отсутствия продольных сил сжатия критических значений. Кроме того, значительно снизятся и температурные напряжения растяжения в рельсах в зимний период, так, в звеньевом пути они значительно меньше, чем в бесстыковом. Поэтому существенно увеличится их долговечность, снизятся затраты на ремонт, диагностику пути и замену остродефектных участков.