ШПАЛА ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ ДЛЯ СКРЕПЛЕНИЯ АНКЕРНОГО ТИПА
REINFORCED CONCRETE UNIVERSAL SLEEP FOR ANCHOR TYPE FASTENING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к верхнему строению рельсового пути, в том числе железных дорог общего пользования, магистральных линий, в том числе с повышенными осевыми нагрузками, высокой грузонапряженностью, высокоскоростных линий, подъездных путей, а также путей городского рельсового транспорта. Техническим результатом изобретения является повышенная надежность, трещиностойкость и долговечность, что обеспечивает многократное использование изделия после выполнения ремонтов пути без ограничений. К области применения изобретения относятся магистральные железнодорожные линии, в том числе высокоскоростные, железнодорожные линии общего и необщего пользования, подъездные рельсовые пути промышленных предприятий, рельсовые пути в тоннелях, метрополитенах, трамвайные пути, а также рельсовый транспорт в городских агломерациях.
Уровень техники
Известно техническое решение - полезная модель шпалы железобетонной универсальной, включающей брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением с верхними поверхностями для размещения деталей рельсового скрепления с закладными или анкерными деталями, армированный в четыре вертикальных ряда проволоками расположенными симметрично по два ряда относительно вертикальной оси поперечного трапецеидального сечения, армирование бруса выполнено в виде 16 высокопрочных проволок, при этом каждый первый ряд содержит пять проволок, а каждый второй ряд содержит три проволоки, причем размеры шпалы в торце имеют соответственно номинальные размеры трапецеидального сечения по высоте 190 мм, по ширине верхнего и нижнего оснований 213 мм и 300 мм, а средняя часть трапецеидального сечения имеет номинальные размеры соответственно 185 мм, 178 мм и 235 мм, причем в подрельсовом сечении номинальные размеры шпалы составляют соответственно 225 мм, 185 мм и 277 мм. Каждый узел рельсового скрепления выполнен из двух пластмассовых анкерных деталей с резьбовым отверстием, в котором размещены металлические шурупы для передачи прижимного усилия на упругие клеммы и подошву рельса. Каждый узел рельсового скрепления может быть также выполнен из двух анкеров в виде металлических деталей переменного сечения с выступающей частью над поверхностью бетона для размещения упругих клемм и передачи прижимного усилия от клемм на подошву рельса. (RU (11) 93 812 (13) U1, 10.05.2010). Эта конструкция шпалы принята за аналог.
Недостатки данного технического решения заключаются в следующем.
Узел рельсового скрепления шпалы выполнен из двух анкеров в виде металлических деталей переменного сечения с выступающей частью над поверхностью бетона для размещения упругих клемм (конструкция изложена в патенте RU 2335593 С1, 18.05.2007). Данная конструкция анкера включает направленные вниз хвостовики, имеющие значительную длину, а также галтели с относительно малыми радиусами перехода от хвостовиков к перемычке, соединяющей головки анкера, что способствует локальной концентрации напряжений в эксплуатации в шпале в зонах окончания хвостовиков, а также в зонах контакта материала шпалы с элементами анкера с малыми радиусами.
Опыт эксплуатации шпалы данной конструкции свидетельствует о формировании продольных трещин в концевых участках шпалы. Эти дефекты являются следствием неравномерного напряженно-деформированного состояния шпалы в эксплуатации с концентрацией напряжений в концевых участках бетона шпалы, что приводит к формированию трещин в этих зонах. Неравномерность напряженного состояния в концевых участках шпалы обусловлена наличием концентраторов напряжений в зонах контакта материала шпалы с окончаниями хвостовиков анкера и в областях анкера, где присутствуют зоны с малыми радиусами, а также с неравномерностью деформационных процессов, протекающих в арматуре, представляющей собой высокопрочные проволоки, расположенные в поперечном сечении вертикальными рядами.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение прочности, эксплуатационной надежности и долговечности шпалы в течение всего срока эксплуатации на основе:
- применения анкера новой конструкции отличающейся изменением геометрии анкера в нижней его части, отклонением направлений хвостовиков от вертикальной оси на угол в диапазоне от 15 до 75 градусов, уменьшением длины хвостовиков, имеющих увеличение поперечного сечения на концевых участках;
мя
- армирования шпалы в четыре вертикальных ряда 24 высокопрочными проволоками, расположенными симметрично по два ряда относительно вертикальной оси поперечного трапецеидального сечения шпалы;
- закрепления четырех, по две смежных в нижних рядах, проволок из высокопрочной стали жесткими элементами, снижающими деформационные процессы в концевых участках указанных проволок и в бетоне на концевых участках шпалы в эксплуатации.
Для достижения вышеуказанного технического результата предложена шпала железобетонная универсальная, включающая брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением с верхними поверхностями для размещения деталей анкерного рельсового скрепления, при этом:
в зоне подрельсового основания шпалы размещен анкер с хвостовиками, расположенными в нижней части анкера, находящейся в шпале, направленными под углом к вертикальной оси в диапазоне от 15 до 75° и имеющими увеличение поперечного сечения на концевых участках, с геометрией всех элементов нижней части анкера представляющей собой совокупность переходных кривых большого радиуса, а геометрия перемычки анкера соответствует геометрии конструкции арочного типа;
мя
брус шпалы армирован в четыре вертикальных ряда 24 высокопрочными проволоками, расположенными симметрично по два ряда относительно вертикальной оси поперечного трапецеидального сечения шпалы; нижние ряды проволок на расстоянии δ от торцевых поверхностей шпалы закреплены жесткими элементами, значение параметра δ изменяется в диапазоне от 120 до 250 мм.
Предложена конструкция заявляемой шпалы, включающая следующие отличительные особенности:
1) Шпала железобетонная универсальная, включающая брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением с верхними поверхностями для размещения деталей рельсового скрепления, анкера с хвостовиками в нижней, находящейся в шпале, части анкера, направленными под углом к вертикальной оси в диапазоне от 15 до 75°, имеющими увеличение поперечного сечения на концевых участках, с геометрией всех элементов нижней части анкера представляющей собой совокупность переходных кривых большого радиуса, а геометрия перемычки соответствует геометрии конструкции арочного типа. Таким образом, новая конструкция анкера не имеет областей сопряжения смежных элементов с малыми радиусами, что исключает концентрацию напряжений в этих зонах в материале шпалы в эксплуатации.
Результаты проведенных исследований напряженно-деформированного состояния шпалы с анкером новой конструкции, расположенным в зоне подрельсового основания шпалы, свидетельствуют о существенном влиянии угла отклонения хвостовиков анкера от вертикальной оси на напряженно-деформированное состояние шпалы. При углах отклонения хвостовиков анкера от вертикальной оси более 75° или менее 15° радиусы сопряжения хвостовиков с перемычкой анкера, соединяющей головки анкера, существенно уменьшаются, что приводит к формированию в этих областях шпалы зон с концентрацией напряжений высокой интенсивности. Повторно-переменные нагрузки, которые воздействуют на анкер и зону подрельсового основания шпалы в процессе эксплуатации, приводят к формированию в зонах контакта материала шпалы с анкером в местах сопряжения хвостовиков с перемычкой анкера зон концентрации напряжений. Причем, как показали проведенные исследования концентрация и интенсивность напряжений в материале шпалы тем выше, чем меньше радиусы сопряжения хвостовиков анкера с перемычкой. Поэтому, применение в шпале анкера новой конструкции исключает на практике формирование в материале шпалы областей с концентрацией и интенсивностью напряжений высокого уровня, близкого к значениям прочностных характеристик материала шпалы, и, как следствие, формированию условий для зарождения и развития трещиноподобных дефектов.
Таким образом, на основании проведенных исследований установлено, что именно данный диапазон отклонения хвостовиков от вертикальной оси является наиболее эффективным для достижения заявленного технического результата -повышения долговечности, трещиностойкости и надежности шпалы.
2) Брус шпалы армирован в четыре вертикальных ряда высокопрочными проволоками, расположенными симметрично по два ряда относительно вертикальной оси поперечного трапецеидального сечения. Армирование бруса выполнено в виде 24 высокопрочных проволок.
Проведенные исследования показали, что равномерное армирование одинаковым количеством проволок по 4 ряда в горизонтальной плоскости и 6 рядов вертикальной плоскости обеспечивает равномерное по сечению шпалы усиление материала шпалы элементами более высокой жесткости - высокопрочными проволоками. Такое размещение армирующих элементов обеспечивает повышение не только продольной, но и поперечной жесткости шпалы, что является важным фактором с позиции воздействия на шпалу не только вертикальных усилий вследствие взаимодействия колеса подвижного состава с рельсом в вертикальной плоскости, но и горизонтальных усилий, реализуемых при взаимодействии гребня колеса с головкой рельса, при том, что величина боковых сил может достигать 40% от величины вертикального усилия. Также, данная схема армирования способствует повышению прочности шпалы при действии на нее сдвигового усилия со стороны рельса при реализации подвижным составом режимов тяги или торможения, что способствует формированию значительных нагрузок, в том числе, на анкер, а при реализации предложенной схемы армирования локальная напряженность материала шпалы перераспределяется по сечению шпалы армирующими проволоками.
Размеры шпалы в торце имеют соответственно номинальные размеры трапецеидального сечения по высоте H1, по ширине верхнего и нижнего оснований L1 и L2, а средняя часть трапецеидального сечения имеет номинальные размеры соответственно Н2, L3 и L4, причем в подрельсовом сечении номинальные размеры шпалы составляют соответственно Н3, L5 и L6 мм. Геометрические размеры Н1…Н3 и L1…L6 определяются для каждой шпалы с учетом сферы ее применения. Например, при изготовлении шпалы для применения на сети магистральных железнодорожных линий, в том числе высокоскоростных, железнодорожных линиях общего и необщего пользования, подъездных рельсовых путях промышленных предприятий, рельсовых путях в тоннелях геометрические размеры шпал составляют: Н1=145…155 мм, Н2=142…150 мм, Н3=226…235 мм, L1=222…226 мм, L2=290…310 мм, L3=180…185 мм, L4=243…255 мм, L5=167…173 мм, L6=L2. Геометрические размеры шпал для использования в условиях городских агломераций определяются с учетом осевых нагрузок, типа применяемого подвижного состава, технических характеристик рельсов.
Для выравнивания деформационных процессов всех элементов арматуры в рядах по высоте нижние ряды на расстоянии δ от торцевых поверхностей шпал закреплены жесткими элементами. В процессе эксплуатации данные закрепления делают концевые участки этих рядов арматуры недонагруженными, что в сочетании с применением анкера новой конструкции исключает формирование растягивающих напряжений в бетоне в этих зонах, и как следствие, исключает формирование условий для трещинообразования. Значение параметра δ изменяется в диапазоне от 120 до 250 мм. В результате проведенных исследований установлено, что при размере δ<120 мм не наблюдается необходимой разгрузки концевых участков закрепленных проволок при нагружении шпалы в эксплуатации и, как следствие, не обеспечивается выполнения требуемого условия по исключению формирования растягивающих напряжений в бетоне в концевых участках шпалы. В случае δ>250 мм, напротив, закрепления располагаются настолько далеко от концов шпалы, что это приводит к существенной разгрузке концевых участков закрепленных проволок при повышении в эксплуатации нагруженности средней части этих проволок, а также повышенному нагружению всех остальных рядов проволок, что отрицательно сказывается на напряженно-деформированном состоянии шпалы в целом. Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что рациональным диапазоном для параметра δ является диапазон от 120 до 250 мм.
Краткое описание чертежей
Предлагаемое изобретение иллюстрируется Фигурами, на которых изображены геометрии предлагаемого технического решения и элементов предлагаемой конструкции шпалы.
На фиг. 1 представлен общий вид шпалы сбоку и сверху. На фиг. 2 представлен вид шпалы с торцевой части, вид обозначен буквой А на фиг. 1, а на фиг. 3 представлено поперечное сечение шпалы по сечению Б-Б, показанному на фиг. 1. На фиг. 4 представлена конструкция закрепления нижних рядов высокопрочной проволоки на расстоянии δ от торцевых поверхностей шпал.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 поз. 1 показано расположение анкера новой конструкции с хвостовиками, в нижней части анкера, находящейся в шпале, направленными под углом к вертикальной оси в диапазоне от 15 до 75°, имеющими увеличение поперечного сечения на концевых участках, с геометрией всех элементов нижней части анкера представляющей собой совокупность переходных кривых большого радиуса, а геометрия перемычки соответствует геометрии конструкции арочного типа. Также на фиг. 1 показано размещение закреплений нижних рядов высокопрочной проволоки поз. 2 на расстоянии δ от торцевой части шпалы. На фиг. 2 показано размещение четырех рядов высокопрочной проволоки по сечению шпалы. На фиг. 3 показано закрепления нижних рядов высокопрочной проволоки поз. 2. На фиг. 4 показаны геометрия и конструкция закреплений нижних рядов высокопрочной проволоки. Проволоки, фиг. 3 закрепляются попарно специальными закреплениями поз. 2, исключающими любые перемещения концевых участков этих проволок в процессе эксплуатации, что обеспечивает снижение уровня усилий передаваемых на концевые участки проволоки при деформировании шпалы в эксплуатации.
Шпала железобетонная универсальная, включающая брус с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением. Анкер 1 жестко размещается в шпале. Каждая головка анкера 1, выступающая над поверхностью подрельсового основания шпалы имеет два разнесенных вдоль рельса кронштейна. Нижняя часть анкера, находящаяся в шпале, включает направленные под углом к вертикальной оси в диапазоне от 15 до 75° элементы, имеющие увеличение поперечного сечения на концевых участках. Геометрия всех элементов нижней части анкера представляет собой совокупность переходных кривых большого радиуса, а геометрия перемычки соответствует геометрии конструкции арочного типа.
Размеры шпалы имеют соответственно номинальные размеры трапецеидального сечения по высоте H1, по ширине верхнего и нижнего оснований L1 и L2 мм, а средняя часть трапецеидального сечения имеет номинальные размеры соответственно Н2, L3 и L4, причем в подрельсовом сечении номинальные размеры шпалы составляют соответственно Н3, L5 и L6.
Брус шпалы армирован высокопрочными проволоками в четыре вертикальных ряда, расположенными симметрично по два ряда относительно вертикальной оси поперечного трапецеидального сечения шпалы. Армирование бруса выполнено в виде 24 высокопрочных проволок. Равномерное армирование одинаковым количеством проволок по 4 ряда в горизонтальной плоскости и 6 рядов вертикальной плоскости вместо армирования рядами по 5 и 3 проволоки, реализованного в прототипе, обеспечивает равномерное по сечению шпалы усиление по сечению материала шпалы элементами более высокой жесткости и соответственно, ведет к повышению надежности, трещиностойкости и долговечности шпалы. Результаты исследований, подтверждающие повышение итогового срока эксплуатации, приведены в Таблице 1.
Для выравнивания деформационных процессов всех элементов арматуры по высоте нижние ряды высокопрочной проволоки на расстоянии δ от торцевых поверхностей шпалы закреплены специальными элементами (фиг. 1. поз. 2), которые могут выполняться в виде скоб. В процессе эксплуатации данные закрепления делают концевые участки этих рядов арматуры недонагруженными, что исключает формирование растягивающих напряжений в бетоне в этих зонах, и как следствие, исключает формирование условий для образование трещин. Таким образом, закрепление нижних рядов армирующих проволок приводит к перераспределению напряжений, как в поперечном сечении, так и в направлении продольной оси на концевых участках шпалы в эксплуатации, что снижает уровень напряжений в бетоне в этих зонах, исключает образование трещин в концевых участках шпал в эксплуатации, увеличивает срок службы шпалы.
Реализация изобретения шпалы закреплением двух нижних рядов арматуры шпалы иллюстрируется конкретным примером, приведенным в таблице 1.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания изобретения:
1. Полезная модель RU(11) 93812 (13) U1, 10.05.2010.