КРЕСТОВИНА ДЛЯ РЕЛЬСОВЫХ ПЕРЕСЕЧЕНИЙ ВЕДОМСТВЕННЫХ ПУТЕЙ
FROG FOR CROSSING OF LINES IN PUBLIC TRACKS

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к проектированию крестовин с запасом металла на износ для стрелочных переводов и глухих пересечений, работающих на заводских площадках.
Известна конструкция крестовина для рельсовых пересечений ведомственных путей (RU №2384665, Е01В 7/10, 2009), содержащая передний и задний вылеты, сердечник и два усовика, образующие горло крестовины, зону перекатывания колес с сердечника на усовики, заключенную между сечением сердечника, равным ширине головки рельса, и горлом крестовины, имеющей в этой зоне возвышение продольного профиля поверхностей катания. Сравнительно невысокие скорости движения поездов, реализуемые на заводских площадках, позволяют закладывать в конструкции крестовин ведомственных путей дополнительные запасы металла на износ путем возвышения продольных профилей их поверхностей катания в тех сечениях крестовины, которые изнашиваются особенно быстро и определяют сроки службы всей конструкции в целом. Такое возвышение в пределах крестовины представляет собой вертикальную неровность типа «бугор», к форме которой предъявляются вполне определенные требования:
1. Проектируемый профиль не должен иметь в пределах возвышения локальных неровностей типа «впадина», т.к. волнообразная форма поверхностей катания нарушает условия движения экипажей, повышает уровень динамического взаимодействия колес с крестовинами, ускоряя износ как тех, так и других.
2. Для предотвращения возможности развития волнообразного износа в процессе эксплуатации форма кривых, сопрягающих возвышение профиля с вылетами крестовины, должна обеспечивать плавное вкатывание колес на вертикальную неровность, для чего радиусы кривых должны быть не менее радиусов колес, проходящих по крестовине.
Математическое соотношение, рекомендуемое формулой аналога для описания конфигурации возвышения профиля поверхностей катания крестовины, получено на основе уравнения параболы 5-й степени. Известно что у такой параболы число экстремальных значений не всегда может быть сведено к единице. При определенных соотношениях исходных данных мы получаем кривые, у которых значения максимум и минимум следуют друг за другом, создавая волнообразную форму. Это делает невозможным применения данного уравнения для проектирования профилей крестовин отдельных марок и типов.
Недостатком конструкции является то, что заложенное в ней математическое соотношение не исключает возможности получения волнообразных профилей, которые приходится корректировать или заменять в процессе проектирования конструкции для того, чтобы зона перекатывания крестовины не стала источником колебаний и вибраций, повышающих интенсивность износа элементов пути и подвижного состава.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является конструкция крестовины для рельсовых пересечений ведомственных путей (RU №2382131, E01B 7/10, 2010), содержащая передний и задний вылеты, сердечник и два усовика, образующие горло крестовины, зону перекатывания колес с сердечника на усовики, заключенную между сечением сердечника, равным ширине головки рельса, и горлом крестовины, имеющей в этой зоне возвышение продольного профиля поверхностей катания, выполненное в форме составной кривой, состоящей из трех участков. Средний из них пересекает горизонтальные поверхности переднего и заднего вылетов крестовины под углами с вершинами, расположенными в пограничных точках зоны перекатывания. Два других участка выполнены в виде круговых кривых, вписанных в эти углы, сопрягающих средний участок с вылетами крестовины, обеспечивая плавный вход колес на возвышение профиля. Однако такое положение сохраняется ненадолго.
Недостаток конструкции заключается в том, что имеющее в ней место несоответствие суммарной длины 3-х участков возвышения профиля длине зоны перекатывания создает реальную возможность формирования в процессе эксплуатации крестовины волнообразной неровности на ее поверхности катания, что сокращает срок ее эксплуатации.
При работе над изобретением решалась задача повышения срока службы крестовины с запасом металла на износ за счет совершенствования конструкций и геометрических параметров составной кривой, описывающей форму возвышения профиля ее поверхностей катания в зоне перекатывания колес с усовиков на сердечник и обратно.
Задача изобретения - повышение срока службы крестовины.
Технический результат обеспечивается тем, что в крестовине для пересечений ведомственных путей, содержащей передний и задний вылеты, сердечник и два усовика, образующие горло крестовины, зону перекатывания колес с сердечника на усовики, заключенную между сечением сердечника, равным ширине головки рельса, и горлом крестовины, имеющей в этой зоне возвышение продольного профиля поверхностей катания, выполненное в виде составной кривой, состоящей из участков, сопряженных друг с другом, а по границам возвышения профиля с вылетами крестовины, точка сопряжения участков составной кривой совпадает с сечением, в котором регламентирован допуск крестовины на вертикальный износ, а сами участки построены в двух разных системах координат, начала которых расположены в противоположных концах зоны перекатывания, оси абсцисс направлены навстречу друг друга, а ординаты каждой кривой в пределах своего участка вычислены по формуле:
,
где y - ордината продольного профиля в расчетном сечении;
x - абсцисса расчетного сечения;
D - допуск на вертикальный износ крестовины;
l
- абсцисса сечения, в котором регламентирован допуск крестовины на вертикальный износ.
Суть предлагаемого технического решения раскрывается с помощью чертежей:
- фиг.1. Вид крестовины для рельсового пересечения в плане;
- фиг.2. Продольный разрез предельно изношенной крестовины;
- фиг.3. Продольный разрез крестовины с запасом металла на износ;
- фиг.4. Схема входа колеса на возвышение продольного профиля крестовины конструкции прототипа;
- фиг.5. Продольный профиль крестовины предлагаемой конструкции в зоне перекатывания.
Известно, что при проходе подвижного состава по крестовине справа налево (фиг.1) максимальные контактные напряжения в ней возникают в пределах зоны L перекатывания колес 1 с усовика 2 на сердечник 3. Эта зона заключена между сечением СГР сердечника 3, равным ширине головки рельса и сечением СГК горла крестовины, образованного усовиками 2. Здесь площадки 4 контакта колес 1 с крестовиной уменьшаются из-за наличия желобов 5, предназначенных для пропуска реборд 6 колес 1 через пересечения рельсовых ниток. Поэтому смятие и вертикальный износ усовиков 2 и сердечника 3 крестовин в этой зоне L идет существенно интенсивнее, чем на остальных ее участках переднего 7 и заднего 8 вылетов крестовины, находящихся за пределами зоны L перекатывания.
В процессе работы крестовины под поездами в пределах зоны L перекатывания быстро образуется вертикальная неровность 9 (фиг.2) типа «впадина», и крестовина изымается из пути, как правило, по вертикальному износу металла именно в этой зоне L, хотя на остальных участках, в том числе на переднем 7 и заднем 8 вылетах, ее вертикальный износ не достигает и половины допускаемого. В связи с вышесказанным в конструкциях аналога и прототипа при проектировании продольного профиля крестовин в зоне L создается дополнительный запас металла на износ в виде возвышения 10 (фиг.3) поверхности катания, образующего неровность типа «бугор».
Для описания формы возвышения 10 в конструкции прототипа (фиг.4) используется составная кривая из 3-х участков: средний 11 - выпуклый и два вогнутых 12, 13, сопрягающих средний участок 11 с передним 7 и задним 8 вылетами крестовины. В отличие от конструкции аналога, где изменение радиусов кривизны по всей длине кривой возвышения 10 связаны общим соотношением параболы 5-й степени, в составной кривой геометрические параметры каждого участка могут назначаться независимо друг от друга, лишь бы они соответствовали функциональному назначению данного конкретного участка и обеспечивали ей прочное математическое сопряжение с соседними участками. Чтобы обеспечить плавное накатывание колеса 1 на возвышение 10, радиусы ρ вогнутых участков 12, 13 должны быть не менее радиусов колес R, проходящих по крестовине, а выпуклый участок 11 должен иметь только одно экстремальное значение максимум. Выполнение данного требования может гарантировать составная кривая, например, из трех участков 11, 12, 13 круговых кривых, каждый своего радиуса. Однако в конструкции прототипа сама схема сопряжения участков составной кривой такова, что вогнутые сопрягающие кривые 12 и 13 выходят за пределы зоны L перекатывания на величину t с каждого ее конца. Практика показала, что износ металла крестовины в зоне L перекатывания происходит в 3-4 раза быстрее, чем за пределами этой зоны. Значит в процессе эксплуатации достаточно быстро произойдет спрямление среднего участка 11 возвышения 10, а затем в пределах зоны L перекатывания будет образовываться вертикальная неровность 14 типа «впадина», как это показано штрихпунктиром на фиг.4, а на участках t, которые находятся за пределами зоны L и на которых интенсивность износа в 3-4 раза ниже, чем в зоне L, будут иметь место вертикальные неровности 15 и 16 типа «бугор». Каждое колесо 1, проходящее через зону перекатывания в направлении, указанном стрелкой, будет вынуждено преодолевать сначала неровность 15 типа «бугор», затем неровность 14 типа «впадина» и, наконец, снова неровность 16 типа «бугор». Можно убедиться в том, что при движении в обратном направлении колесо 1 будет преодолевать такую же последовательность вертикальных неровностей взаимно противоположных знаков, которые способствуют развитию волнообразной формы поверхности катания крестовины и ускоряют ее износ.
Таким образом, конструкция прототипа обеспечивает снижение интенсивности износа крестовины за счет плавности прохода подвижного состава лишь на первом этапе ее эксплуатации. Несоответствие длины участка возвышения 10 длине зоны L перекатывания является причиной нарушения плавности прохода подвижного состава по крестовине и ускорения ее износа на втором этапе работы.
l
l
1
1
1
Предлагаемая конструкция крестовины для пересечений ведомственных путей не обладает указанным недостатком. Она содержит (фиг.1) передний 7 и задний 8 вылеты, сердечник 3 и два усовика 2, образующие горло СГК крестовины, зону L перекатывания колес 1 с сердечника 3 на усовики 2, заключенную между сечением СГР сердечника, равным ширине головки рельса, и горлом СГК крестовины, имеющей в этой зоне возвышение 10 продольного профиля поверхностей катания, выполненное в форме составной кривой (фиг.5). В отличие от прототипа эта составная кривая содержит не 3, а только 2 участка  и . Она компактнее, не превышает длины зоны перекатывания L и не выходит за пределы этой зоны. Участки сопрягаются между собой в сечении 17, соответствующем максимальной точке возвышения 10 профиля, построены в двух разных системах координат, начала которых O и O расположены в противоположных концах зоны L перекатывания. Оси абсцисс Х и X направлены навстречу друг друга, а ординаты каждой кривой в пределах своего участка вычислены по формуле:
,
где y - ордината продольного профиля в расчетном сечении;
x - абсцисса расчетного сечения;
D - допуск на вертикальный износ крестовины;
l
- абсцисса сечения, в котором регламентирован допуск крестовины на вертикальный износ.
Формула выведена из уравнения параболы 3-й степени:
4
при x=0; y=0;⇒а=0
3
при х=0; ;⇒а=0
l
при x=; y=D;
Анализ уравнения параболы (1) и его производных показывает, что предлагаемое техническое решение полностью удовлетворяет требованиям к форме продольного профиля крестовины с запасом металла на износ, приведенным на первой странице данного описания.
В частности, приравняв первую производную (2) y по x к нулю, мы получаем квадратное уравнение (3), число корней которого соответствует числу экстремальных сечений в пределах каждого из участков составной кривой, т.е. каждый участок имеет только два экстремальных сечения, которые используются для сопряжения одного его конца с соответствующим вылетом крестовины, а другого - для образования общего максимума с соседним участком составной кривой. И никаких промежуточных «впадин», которые могли бы стать источником колебаний и вибраций. Таким образом, первое требование соблюдено.
Для оценки величины радиуса ρ входа колеса 1 на возвышение 10 можно воспользоваться математическим выражением кривизны  (Н.М.Беляев. Сопротивление материалов. М., Наука. 1976., стр.278, формула (15.4)):
где  выражает уклон поверхности катания профиля крестовины в пределах возвышения 10. На фиг.5 профиля 6 возвышения 10 показали в утрированном виде: для наглядности у него вертикальный масштаб выбран на порядок больше горизонтального. На самом деле у современных крестовин с профилем, построенным по уравнению (5), уклон поверхностей катания в пределах возвышения 10 профиля не превышает 5%;  рад, а , т.е. составляет менее 3 % от единицы. С точностью, достаточной для целей настоящего расчета, можно принять:
При x=0 , или с учетом (4)
l
Даже при минимальных размерах крестовин =300 мм и максимальных допусках на их вертикальный износ D=15 мм вычисленное по (8) значение радиуса ρ=1000 мм, по меньшей мере, вдвое превышает стандартный радиус R=500 мм колес подвижного состава. Следовательно, и второе требование также соблюдается. Таким образом, предлагаемая конструкция крестовин может без ограничения применяться на всех типах и марках крестовин ведомственных железных дорог.
Устройство работает следующим образом. При проходе по крестовине колеса 1 плавно накатываются на возвышение 10 продольного профиля и постепенно сглаживают это возвышение волнообразного износа. На первом этапе эксплуатации неровность типа «бугор» в зоне L перекатывания колес 1 с усовиков 2 на сердечник 3 спрямляется. И только когда дополнительный запас металла на износ будет полностью исчерпан, крестовина вступает во вторую фазу своей работы, которая ничем не отличается от работы крестовин традиционных конструкций. Таким образом, увеличив продолжительность первого этапа эксплуатации крестовины за счет устранения волнообразного характера износа ее поверхности катания, мы обеспечили, по меньшей мере, удвоение срока ее службы пути.