ШПАЛА

Полезная модель относится к области железнодорожного строительства, а более конкретно к верхнему строению рельсового пути, и может быть использована при изготовлении укороченных шпал из композитного материала, предназначенных преимущественно для узкоколейных рельсовых путей необщего пользования.
Известны различные шпалы, отличающиеся выполнением тех или иных конструктивных элементов и материалом для их изготовления.
Ранее получили, например, широкое распространение деревянные шпалы (например, Ефименко Ю.И. и др. Общий курс железных дорог. М., «Академия», 2005, с. 55-56). Такие шпалы относительно хорошо выдерживают статические и динамические нагрузки, однако они сильно подвержены воздействию грибков и атмосферным воздействиям и поэтому недолговечны, требуют частого наблюдения и обслуживания. Использование для повышения их долговечности консервантов, преимущественно креозота, делает шпалы экологически опасными. Такие шпалы неперспективны и с точки зрения уничтожения лесных запасов для их производства.
Получили распространение также бетонные (например, RU 2353724 С1, 2009) и железобетонные (например, RU 2293810 С1, 2007) шпалы. Однако такие шпалы имеют значительный вес, неудобны в установке, эксплуатации и обслуживании, имеют высокую себестоимость изготовления. Кроме того, они обладают повышенной жесткостью, со временем растрескиваются, имеют низкую коррозионную стойкость, что при эксплуатации приводит к появлению дефектов пути и уменьшению срока его службы до ремонта. Такие шпалы требуют частого наблюдения и обслуживания.
Улучшение основных эксплуатационных характеристик шпал обеспечивает использование в качестве их материала полимерных композиций. Известны шпалы с различными полимерными композициями. Известна, например, шпала, выполненная в форме бруса, в качестве композитного материала которой использована полимерно-песчаная смесь (RU 112204 U1, 2012). Известны шпалы из композитного материала на основе полистирола и полиолефиновых компонентов (например, US 6191228 В1, 2001). Известна шпала, выполненная со сплошными гранями, имеющая форму удлиненного прямоугольного параллелепипеда из полимерного композита, образованного армирующим наполнителем и полимерной матрицей, представляющей собой смесь полимеров, в качестве которых выбраны полиэтилен высокой плотности, полиэтилен низкой плотности, полипропилен и линейный полиэтилен низкой плотности (US 20050031848 А1, 2005). В этой шпале все грани выполнены сплошными. Для полимерного композита помимо полиэтилена высокой плотности (HDPE), полиэтилена низкой плотности (LDPE), полипропилена (РР) и линейного полиэтилена низкой плотности (LLDPE) могут использоваться также поливинилхлорид (PVC), этиленвинилацетат (EVA), полиэтилен с высоким молекулярным весом (HMW) и акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS). При этом возможны их различные комбинации. Такие шпалы обладают хорошими показателями прочности, износостойкости и высокой точностью геометрических характеристик.
Общим недостатком таких шпал является недостаточная устойчивость к продольным и поперечным смещениям при эксплуатации на пути из-за низкого сцепления нижней и боковых сплошных (гладких) граней шпал с верхним балластом пути, что снижает их эксплуатационную эффективность. При этом со временем под действием атмосферных процессов и динамических нагрузок от подвижных единиц снижается прочность крепления рельсов к шпалам, уменьшается стабильность положения рельсошпальной решетки и ухудшается балансировка рельсового пути. Для повышения такой устойчивости используют различные технические приемы, преимущественно заключающиеся в выполнении в нижней (опорной) грани шпалы углублений, например, в виде ячеек.
2
Известна, например, шпала, выполненная трапецеидальной формы из полимерного композита и содержащая металлическую арматуру, в которой поверхность ее нижней грани выполнена в виде ячеистой сотовидной структуры с ячейками площадью 14-20 см под элементы балласта верхнего строения пути (RU 132452 U1, 2013). Наличие ячеек повышает сцепление с балластом верхнего строения пути, однако большой размер ячеек не позволяет обеспечить наилучшее сцепление из-за эффекта проскальзывания фракций (частей) балласта одна относительно другой. Такая шпала недостаточно устойчива на пути из-за низкого сцепления ее нижней и особенно боковых сплошных (гладких) граней с верхним балластом пути. При этом со временем под действием атмосферных процессов и динамических нагрузок от подвижных единиц железнодорожных составов, снижается прочность крепления рельсов к шпалам, уменьшается стабильность положения рельсошпальной решетки и ухудшается балансировка рельсового пути. Кроме того, наличие ячеек снижает прочностные характеристики шпалы, для повышения которых используют дополнительную металлическую арматуру.
Известна также шпала, выполненная в форме удлиненного прямоугольного параллелепипеда из полимерного композита, содержащего полиэтилен высокой плотности и полиэтилен низкой плотности, в нижней и боковых гранях которой по всей их поверхности выполнены углубления с размерами, выбранными из условия обеспечения возможности захода в них отдельных фрагментов верхнего балласта пути при размещении на нем шпалы, при этом каждое из углублений выполнено преимущественно в форме пирамиды с прямоугольным основанием, отношение суммарной площади отверстий всех углублений на каждой из этих граней к площади грани выбрано от 0,06 до 0,1, а полимерный композит преимущественно имеет следующее соотношение компонентов: полиэтилен высокой плотности от 30 до 35 мас. %, полиэтилен низкой плотности от 15 до 20 мас. %, полипропилен от 15 до 20 мас. %, линейный полиэтилен низкой плотности от 8 до 12 мас. %, поливинилиденхлорид от 8 до 12 мас. %, тальк от 10 до 12 мас. % (RU 174683 U1, 2017). Выполнение углублений осуществляется преимущественно путем прокатки между снабженными зубцами вальцами, что недостаточно технологично. Наличие значительного количества компонентов в полимерном композите, требующее дополнительных операций при его приготовлении, также является фактором, не позволяющем достичь высокой технологичности шпалы при ее изготовлении. Нижняя и боковые грани с углублениями в этой шпале являются в плоскости грани гладкими, поскольку не имеют каких-либо выступов, что уменьшает сцепление шпалы с верхним балластом и снижает в горизонтальной плоскости устойчивость пути при воздействии статических и динамических нагрузок от единиц подвижного состава и изменяющихся условиях окружающей среды, а также необходимое стабильное положение рельсошпальной решетки. Кроме того, выполнение углублений прямоугольными с плоскими боковыми стенками, в отличие, например, от углублений со скругленными краями боковых стенок, может привести к снижению срока эксплуатации шпалы без потери ее прочностных характеристик из-за большего повреждающего воздействия фрагментов фракций верхнего балласта на плоскую поверхность. Поэтому такая шпала имеет недостаточно высокую эксплуатационную эффективность и недостаточно технологична в изготовлении.
Известные шпалы могут использоваться как для железных дорог общего пользования (широкой колеи) с шириной рельсовой колеи, например, 1520 мм, принятой в России, так и в узкоколейных рельсовых путях различного назначения (с шириной рельсовой колеи преимущественно менее 1400 мм). При этом использование длинной шпалы с длиной, например, 2760 мм, в рельсовых путях с узкой колеей экономически неоправданно. В то же время при уменьшении длины шпалы происходит изменение ее деформационных свойств и перераспределение в ее объеме напряжений механической природы, связанных преимущественно с действием вертикальных нагрузок, и тепловой природы, что приводит к снижению ее прочностных характеристик и устойчивости к тепловым воздействиям.
Из известных шпал наиболее близкой к предложенной является шпала, выполненная в форме прямоугольного параллелепипеда из полимерного композита, содержащего полиэтилен высокой плотности и полиэтилен низкой плотности в виде переработанных полимеров из отходов соответствующих производств в соотношении от 15 до 25 мас. % и от 75 до 85 мас. % соответственно, в нижней и боковых гранях которой по всей их поверхности выполнены снабженные круглыми буртиками углубления цилиндрической формы с размерами, выбранными из условия обеспечения возможности захода в них отдельных фрагментов верхнего балласта пути при размещении на нем шпалы (RU 195868 U1, 2019).
Эта шпала технологична при изготовлении, обладает высокой стабильностью прочностных характеристик. В исполнении, предназначенном для использования в рельсовых путях с широкой колеей, шпала имеет большую длину (например, 2760 мм, при этом отношение ее высоты к длине составляет около 0,07). Такая шпала обладает удовлетворительными упруго-прочностными свойствами. В то же время ее теплостойкость недостаточно высока. При уменьшении длины шпалы (укороченная шпала) для ее использования в узкоколейных рельсовых путях (например, в горнодобывающих шахтах, местах разработки полезных ископаемых) ее прочностные свойства и устойчивость к тепловым воздействиям ухудшаются, что делает ее недостаточно эффективной в эксплуатации.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, состоит в создании шпалы, лишенной недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении эксплуатационной эффективности шпалы, предназначенной для использования в рельсовых путях с узкой колеей, за счет повышения ее прочностных характеристик и устойчивости к тепловым воздействиям
Это достигается тем, что в шпале, выполненной в форме прямоугольного параллелепипеда из полимерного композита, содержащего полиэтилен высокой плотности и полиэтилен низкой плотности в виде переработанных полимеров из отходов соответствующих производств в соотношении от 15 до 25 мас. % и от 75 до 85 мас. % соответственно, в нижней и боковых гранях которой по всей их поверхности выполнены снабженные круглыми буртиками углубления цилиндрической формы с размерами, выбранными из условия обеспечения возможности захода в них отдельных фрагментов верхнего балласта пути при размещении на нем шпалы, отношение высоты шпалы к ее длине выбрано в пределах от 0,10 до 0,23, при этом в полимерный композит введен тальк из расчета от 3 до 7% массы шпалы.
Указанный технический результат обеспечивается всей представленной в формуле заявленной полезной модели совокупностью существенных признаков, каждый признак которой необходим и достаточен для решения указанной технической проблемы и для достижения указанного технического результата. При этом все характеризующие устройство признаки, включающие конструктивные элементы и материал для его изготовления, находятся в конструктивном единстве и функционально взаимосвязаны.
На чертеже показан вид на одну из боковых граней шпалы, в которой выполнены углубления с буртиками.
Шпала выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда из полимерного композита. Она имеет соприкасающиеся с фракциями верхнего балласта пути нижнюю (опорную) и две боковые грани 1, а также верхнюю грань под рельсы и две торцевые грани. Отношение высоты шпалы к ее длине выбрано в пределах от 0,10 до 0,23. Полимерный материал шпалы образован наполнителем и полимерной матрицей, представляющей собой смесь полимеров. В качестве наполнителя использованы примеси, естественным образом содержащиеся в переработанных (вторичных) полимерах из отходов (немытые пленка для упаковки пищевых и непищевых продуктов, пластиковые емкости для пищевых и непищевых продуктов, пластиковые корпуса различных изделий). При этом в качестве полимеров для полимерного композита выбраны переработанные полиэтилен высокой плотности и полиэтилен низкой плотности из отходов соответствующих производств. Их содержание в полимерном композите составляет: полиэтилен высокой плотности от 15 до 25 мас. %, полиэтилен низкой плотности от 75 до 85 мас. %. В полимерный композит введен в качестве дополнительного наполнителя тальк из расчета от 3 до 7% массы шпалы. В нижней и обеих боковых гранях 1 шпалы по всей их поверхности выполнены углубления 2 цилиндрической формы. Вокруг выходного отверстия каждого из них выполнен круглый буртик 3. Размеры каждого из углублений 2 выполнены из условия обеспечения возможности захода в них отдельных фрагментов фракций верхнего балласта пути, преимущественно щебеночного, при размещении на нем шпалы. Боковые грани каждого из них имеют цилиндрическую форму. Углубления 2 с круглыми буртиками 3 располагаются преимущественно в несколько рядов, в которых углубления 2 с круглыми буртиками 3 смещены вдоль ряда симметрично относительно углублений 2 с круглыми буртиками 3 смежного с ним ряда. На нижней грани шпалы, имеющей ширину преимущественно 230 мм и высоту 180 мм, может быть выполнено, например, пять рядов, а на каждой из боковых граней 2 - по четыре ряда. Высота каждого круглого буртика 3 равна, например, величине глубины углубления 2 и составляет от 2 до 6 мм. Внешний диаметр каждого круглого буртика 3 равен, например, от 1,3 до 1,6 диаметра углубления 2, который равен, например, от 20 до 60 мм. Укороченная шпала для узкоколейных рельсовых путей может быть выполнена, например, с размерами 230×180×875 мм (масса 30-35 кг) или 230×180×1375 мм (масса 50-55 кг).
-5
-5
-5
Для эксплуатации устанавливают шпалу на верхний балласт пути так, чтобы его фрагменты охватывали боковые грани 1. При этом в выполненные в нижней грани и в боковых гранях 1 круглые углубления 2 заходят отдельные фрагменты фракций балласта, а между круглыми буртиками 3 располагается часть других фракций балласта. Это обеспечивает надежное сцепление с верхним балластом, хорошую устойчивость положения шпалы в вертикальном направлении и высокую устойчивость в горизонтальной плоскости. Выбор отношения высоты шпалы к ее длине в пределах от 0,10 до 0,23 обуславливает наиболее оптимальное распределение механических напряжений по объему укороченной шпалы, не приводящее к значительному изменению прочностных характеристик и устойчивости к тепловым воздействиям. Предельные величины этого соотношения установлены эмпирическим путем и подтверждены экспериментально, при уменьшении нижнего предела и превышении верхнего предела указанный эффект перестает достигаться. Использование в качестве компонентов полимерного композита переработанных полиэтилена высокой плотности (15-25%) и полиэтилена низкой плотности (75-85%) из отходов соответствующих производств, не подвергавшихся очистки от примесей и включений (за исключением металлических и бумажных фрагментов), с добавлением талька из расчета от 3 до 7% массы шпалы в сочетании с указанным выбором отношения высоты шпалы к ее длине повышает модуль упругости, предел прочности и устойчивость к тепловым воздействиям. При этом введение талька в качестве наполнителя приводит к существенным изменениям физико-химических характеристик полимерного композита, приводящим к образованию в нем высокоориентированных адсорбционных слоев, способствующих повышению механической прочности и теплофизической стойкости. Предельные величины вводимой массы талька установлены эмпирическим путем и подтверждены экспериментально. При уменьшении доли талька менее 3% массы шпалы указанный эффект перестает достигаться. При ее увеличении сверх 7% массы шпалы, происходит охрупчивание материала шпалы, что может приводить к появлению в ней трещин. Известно, что наполнители оказывают значительное влияние на деформационные свойства полимерных композитов (Маския Л. Добавки для пластических масс. «Химия», М., 1978, с. 53-65). Поэтому важно, особенно при выполнении шпал укороченными, соблюдение указанного соотношения размеров шпалы именно в сочетании с введением в полимерный композит талька в указанных объемах. Модуль упругости, модуль разрушения и коэффициент линейного термического расширения такой шпалы при сочетании этих условий в указанных пределах составляет 1240-1510 МПа, 14,2-18,1 МПа и 6,2×10-7,5×10 см/см/°C соответственно (при норме 1170 МПа, 13,8 МПа и 13,5.10 см/см/°C соответственно).
2
Шпалы, выполненные в соответствии с полезной моделью, изготавливаются, например, следующим образом. Пластиковые отходы поступают на визуальный входной контроль, при этом из них удаляют только металлические и бумажные фракции. Какой-либо другой очистке, в том числе отмывке, они не подвергаются. Пластиковые отходы сортируют по типам пластика, требуемого для полимерного композита - полиэтилен высокой плотности и полиэтилен низкой плотности. Сортированный пластик взвешивают для определения необходимого процентного соотношения. Подготовленную таким образом механическую смесь пластиков направляют в измельчитель (шредер) для предварительного измельчения. Далее проводят преимущественно в автоматическом режиме очистку смеси в вихретоковом магнитном сепараторе для удаления металлических составляющих. Дробят части смеси в дробилке (грануляторе). Затем в перемешанные пластиковые гранулы, смешанные в требуемых пропорциях, добавляют тальк в необходимом количестве. Нагревают смесь до температуры размягчения, которая немного меньше температуры ее плавления, преимущественно до температуры не выше 240°C. Нагретую смесь прессуют в форме под давлением не менее 60 кг/см, из которой после остывания выдавливают заготовку в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами, например, 230×180×875 мм или 230×180×1375. На каждую заготовку лазером или маркером наносят идентификационный номер. Далее преимущественно в автоматическом режиме проводят рентгеновский контроль заготовок на наличие недопустимых пустот и трещин с последующей необходимой отбраковкой заготовок. Затем в каждой заготовке на ее нижней грани и обеих боковых гранях 1 путем термопродавливания посредством штамповочных блоков со штырями цилиндрической формы выполняют углубления 2. При этом при выходе штырей из продавленных углублений 2 вокруг каждого из углублений 2 на поверхности соответствующей грани образуются круглые буртики 3. После этого проводят выборочные испытания шпалы из партии изготовленных шпал на излом.
-5
Пример реализации. Партия шпал выполнена в соответствии с полезной моделью. При изготовлении шпал использовано два типа переработанных полимеров. Полиэтилен высокой плотности включен в смесь полимеров в количестве 20 мас. %, полимер низкой плотности - 80 мас. %. Добавлен тальк в количестве 5% массы шпалы. Размеры каждой шпалы - ширина 230 мм, высота 180 мм, длина 875 мм, масса - 33 кг. Углубления 2 в нижней и боковых гранях 1 имеют диаметр 3,5 см и глубину 3 мм. Круглые буртики 3 имеют внешний диаметр 4,3 мм и высоту 3 мм. Количество рядов углублений на боковых гранях 1 шпалы - четыре, на нижней грани - пять. Шпалы прошли полный комплекс испытаний на экспериментальном железнодорожном кольце г. Щербинка. По результатам испытаний получены следующие величины показателей (усредненные по партии): модуль упругости (МОЕ) 1510 МПа, модуль разрушения (MOR) 18,0 МПа, коэффициент линейного термического расширения 7,0×10 см/см/°C.
Шпала, предназначенная для использования в рельсовых путях с узкой колеей, выполненная в соответствии с полезной моделью, обладает более высокой эксплуатационной эффективностью по сравнению с аналогичными известными. Она имеет высокие прочностные характеристики и высокую устойчивость к тепловым воздействиям.