РЕЛЬСОВОЕ СТЫКОВОЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛИРУЮЩЕЕ СОЕДИНЕНИЕ
RAIL BOND ELECTRICALLY INSULATING JOINT

Изобретение относится к верхнему строению железнодорожного пути и устройствам, используемым в электрических рельсовых цепях.
Известно, что вблизи торцевой поверхности рельс, особенно на электрифицированных участках пути в области изолирующих стыков могут образовываться значительные магнитные поля, которые способствуют притягиванию и налипанию ферромагнитных частиц (тормозной пыли, окалины, металлических стружек) к поверхности рельса, а следовательно, и к их накоплению, образованию электропроводящих прослоек. Это может являться причиной короткого замыкания в рельсовых стыковых электроизолирующих соединениях.
Известна конструкция рельсовых стыковых изолирующих соединений, включающих в себя расположенные по обе стороны от рельсов стыковые накладки из композиционного материала, стянутые между собой через шейки рельсов посредством крепежных элементов, а также междурельсовые изолирующие прокладки из диэлектрического материала (патент РФ №2114947, МПК Е01В 11/54, публикация 1998 г.).
Электроизоляция стыков рельсов, несмотря на применение диэлектрических элементов, зачастую нарушается из-за образования так называемого шунтирующего мостика, образованного накапливаемыми в процессе эксплуатации пути металлическими частицами на изолирующем стыке рельсового пути, причиной возникновения которого является образующаяся при изготовлении и в процессе эксплуатации намагниченность рельсов в районе стыка.
Известен вкладыш для изолирующего рельсового стыка (патент РФ №2301291 МПК Е01В 11/54, публикация 2007 г.), который содержит материал с малой магнитной проницаемостью. В поперечном сечении такой вкладыш имеет форму аналогичную форме смежных стыкуемых рельсов и выполняется из композиционного материала с электроизоляционным слоем или слоями и с заданным по длине вкладыша градиентом магнитной проницаемости и модуля упругости. Вкладыш выполняется в виде блока, монтируемого между концами стыкуемых рельсов. Применение специального композиционного материала, обеспечивающего одновременно необходимые для изолирующего стыка свойства: снижение магнитопроводности, обеспечение надежной электроизоляциии и несущей способности требуемого уровня для пропуска подвижных составов.
Однако установка в зазоре изолирующего стыка торцевого изолятора из материала с малой магнитной проницаемостью приведет к соответствующему увеличению торцевой намагниченности в межрельсовом пространстве, что так же будет причиной налипания металлической стружки.
Известно рельсовое изолирующее стыковое соединение (патент РФ №22151, МПК Е01В 11/54, публикация 2002 г.), содержащее размещенную между торцами стыкуемых рельсов изолирующую прокладку. Причем верхняя поверхность изолирующей прокладки расположена ниже верхней поверхности головок рельсов на 3-4 мм. Расположение верхней поверхности изолирующей прокладки ниже верхней поверхности головок рельсов на 3-4 мм позволяет при длительной работе прокладки исключить смятие ее верхней части колесами подвижных составов.
Однако по результатам опытного опробывания, проведенного авторами, если это расстояние менее чем 3 мм, то происходит резкое возрастание смятия верхней части изолирующей прокладки. Если это расстояние больше 4 мм, то резко возрастает число случаев электрического соединения рельсов в связи с металлизацией места стыка металлическими пылью и стружкой.
Межрельсовая изолирующая прокладка (патент РФ №36666, МПК Е01В 11/54, публикация 2004 г.) может быть выполнена из диэлектрического материала. Она содержит изолированные, по крайней мере, от одного контактирующего с рельсом торца встроенные магнитные элементы, установленные в районах головки и подошвы. Эти магнитные элементы установлены в районах головки и подошвы рельса симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через центр прокладки перпендикулярно ее торцам, контактирующим с поверхностями рельсов. При этом максимальное значение энергетического произведения (ВН)max, где В - магнитная индукция, Н - напряженность магнитного поля, магнитных элементов в каждом районе установки не менее 15×10 Гс эрстед. Магнитные элементы выполнены в виде одиночных магнитов и одинаково магнитно сориентированы. Встроенные постоянные магнитные элементы могли бы быть эффективным средством от намагничивания, если бы магнитное поле в зазоре изостыков так же было бы постоянным, однако оно меняется в широких пределах, причем имеются случаи и перемагничивания полюсов.
В изобретении по патенту РФ №2250281 С1 (МПК Е01В 11/54, публикация 2005 г.) предложено изменение двухголовой накладки, позволяющее получить электроизолирующий стык, в котором накладки длительное время будут работать так же, как накладки шарнирного типа. Электроизолирующее покрытие такой металлической накладки выполнено из полиамида. При имеющихся нагрузках, в реально эксплуатируемых узлах, даже при толщине полимерного изолирующего слоя в 5 мм, в процессе эксплуатации кроме истирания внешнего полимерного слоя будет под воздействием динамических ударных нагрузок происходить и растрескивание нанесенного полимерного слоя, что может привести к нарушению электроизоляции и прилипанию металлических частиц и пыли в зоне стыка в образующиеся трещины такой накладки.
Известна конструкция рельсового стыкового электроизолирующего соединения (патент РФ №95679, МПК Е01В 11/54, публикация 2010 г.). Здесь в области изостыка вместо магнитошунтирующих элементов устанавливаются отражающие элементы для точечного контроля состояния изостыка при прохождении над ним локомотива по принятому эхо-сигналу. Такое рельсовое стыковое электроизолирующее соединение магнитошунтирующими свойствами не обладает.
Известна конструкция стыка электроизолирующего (патент РФ №112208, МПК Е01В 11/54, публикация 2012 г.). Здесь для магнитошунтирования изостыка предлагается использовать магнитопроводящий элемент изготовленный из магнитомягкого материала, который устанавливается в изостыке со стороны подошвы рельса. Однако эффективность такого магнитошунтирующего элемента невелика, поскольку он удален от головки рельса, где и наблюдается наибольшая торцевая намагниченность в изостыках. Поэтому такой элемент можно использовать либо при очень малой величине силового параметра намагниченности в изостыке (не более 15-18 по измерениям прибором «Стык 3Д»), либо в сочетании с другими типами магнитошунтирующих элементов).
Известна конструкция электроизолирующего стыкового соединения рельсов (патент РФ №2319802, МПК Е01В 11/54, публикация 2006 г.), включающего в себя расположенные по обе стороны от рельсов стыковые накладки из композиционного материала, стянутые между собой через шейки рельсов посредством крепежных элементов. Такое соединение является достаточно прочным, но поскольку композитный материал накладок значительно мягче материала рельс, то получаемое соединение значительно мягче сплошного рельса. Поэтому в процессе эксплуатации это приводит к значительной намагниченности торцов соединенных таким образом рельс. Магнитошунтирующими свойствами такое соединение не обладает.
Известно рельсовое стыковое электроизолирующее соединение (патент РФ №52403, МПК Е01В 11/54, публикация 2006 г.). Здесь для магнитошунтирования изостыка предлагается использовать систему, состоящую из магнитопроводящих вкладышей и многослойной рельсовой накладки. Вкладыши изготавливаются из материала, магнитная проницаемость которого выше, чем у рельсовой стали. Такие вкладыши предлагается размещать между шейкой рельса и рельсовой композитной накладкой. Рельсовые же накладки в дополнение к основным композитным слоям, должны включать в себя еще и металлические пластины армко-железа и высокопрочной стали. Однако жесткость таких слоев будет значительно отличаться между собой, а это приводит к тому, что в процессе эксплуатации таких накладок при деформационных нагрузках в зоне изостыка более твердые слои (в данном случае стали будут разрушать менее твердые слои, что приводит к довольно быстрому разрушению материалов и пластин армко-железа (с потерей магнитошунтирующих свойств) и самой композитной накладки.
Предлагаемое техническое решение направлено на снижение уровня намагниченности в области торцевой поверхности головки рельс стыковых электроизолирующих соединений с композитными накладками и повышению эксплуатационной надежности рельсовых стыковых электроизолирующих соединений.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
Рельсовое стыковое электроизолирующее соединение содержит междурельсовую прокладку, выполненную из полимерного материала, стыковые композитные накладки, расположенные по обе стороны стыкуемых рельсов и имеющие сквозные отверстия для установки крепежных элементов, и систему магнитошунтирующей изоляции (МШИ) рельсового соединения, включающую комплект магнитопроводящих вкладышей внутреннего контура системы, помещенных в зазорах между стыковыми композитными накладками и шейками рельсов, и выполненных в виде пластин с отверстиями, размеры и положение которых совпадают с соответствующими отверстиями в стыковых композитных накладках. Система магнитошунтирующей изоляции дополнительно включает в себя магнитопроводящие вставки внешнего контура системы, которые установлены на внешних сторонах композитных накладок со стороны наружной и внутренней сторон рельса, при этом магнитопроводящие вкладыши внутреннего контура и магнитопроводящие вставки внешнего контура системы магнитошунтирующей изоляции имеют наружный слой, изготовленный из полимерного материала, и внутренний сердечник, набранный из пластин трансформаторного железа, магнитная проницаемость которого превышает магнитную проницаемость рельсовой стали.
Система магнитошунтирующей изоляции может дополнительно включать в себя одну магнитопроводящие вставку внешнего контура системы, установленную под подошву рельса.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показано рельсовое изолирующее стыковое соединение (в поперечном сечении), выполненное в соответствии с изобретением; на фиг.2 - вариант исполнения изобретения (без вставки, установленной под подошвой рельса); на фиг.3 - вид А на фиг.1; на фиг.4 - вид Б на фиг.1.
В соответствии с изобретением рельсовое изолирующее стыковое соединение содержит выполненную из полимерного материала междурельсовую прокладку 1, расположенную между торцами стыкуемых рельсов 2 и 3, расположенные по обе стороны стыкуемых рельсов стыковые композитные накладки 4, магнитопроводящие вкладыши 5, размещенные в зазорах между стыковыми композитными накладками 4 и шейками рельсов, магнитопроводящие вставки 6 и 7, установленные на внешних сторонах композитных накладок 4 со стороны наружной и внутренней сторон рельса.
Рельсовое изолирующее стыковое соединение может дополнительно включать в себя одну магнитопроводящую вставку 8, установленную под подошву рельса.
Стыковые композитные накладки 4 имеют сквозные отверстия для установки крепежных элементов.
Вкладыши 5 выполнены в виде пластин с отверстиями, размеры и положение которых совпадают с соответствующими отверстиями в стыковых композитных накладках.
Вставки 6 и 7 также имеют сквозные отверстия для установки крепежных элементов размеры и положение которых совпадают с соответствующими отверстиями в стыковых композитных накладках.
Вставка 8 под подошву рельса крепится к ножке рельса элементами крепления 9.
Магнитопроводящие вкладыши 5, образующие внутренний контур системы МШИ, и магнитопроводящие вставки 6, 7, 8, образующие внешний контур системы МШИ, имеют наружный слой (защитную оболочку), изготовленный из полимерного материала с хорошими диэлектрическими и антифрикционными свойствами, и внутренний сердечник, набранный из пластин трансформаторного железа, магнитная проницаемость которого превышает магнитную проницаемость рельсовой стали.
Толщина набора магнитопроводящего материала в структуре вкладыша и наружных полимерных слоев вкладышей не должны превышать величину имеющегося зазора между шейкой рельса и композитной накладкой.
Междурельсовая прокладка 1 выполнена из полимерного материала, стойкого к торцевому давлению при температуре не менее 90°C.
Крепежные элементы 10 обеспечивают в стыке стяжку между собой накладок через шейку соответствующего рельса, а также крепление вкладышей и боковых вставок элементов системы МШИ.
Вкладыши внутреннего контура 5 и вставки внешнего контура 6, 7, 8 представляют собой полную систему магнитошунтирования изолирующего стыка. Наружные слои прокладок и вкладышей (оболочка) формуются из полимерного износостойкого материала, а внутри каждого вкладыша и вставки размещен соответствующий сердечник, который набирается из пластин трансформаторного железа.
Использование предложенных вкладышей внутреннего контура между стыковыми накладками и шейками рельсов, совместно с вставками внешнего контура с сердечниками из материала с максимальной магнитной проницаемостью не менее 6000 и максимальной индукцией насыщения не менее 1,7 Тл, т.е. с магнитной проницаемостью, существенно превосходящей магнитную проницаемость рельсовой стали, приводит к изменению конфигурации магнитного поля в области рельсового стыка, его концентрации в сердечниках магнитопроводов (т.е. к магнитошунтированию) и к уменьшению величины торцевой намагниченности, как по высоте, так и вдоль рельса.
2
2
Величины силовых параметров магнитного поля (мТл/м), полученные при установке предлагаемых элементов системы МШИ, измеренные прибором «Стык-3Д» в зоне трех изолирующих стыков, были выбраны с разным начальным уровнем намагниченности (18, 63 и 125 мТл/м) приведены ниже в таблице.
Величины усредненных параметров напряженности магнитного поля (мТл<sup>2</sup>/м) в зоне изолирующих стыков (получены измерением прибором «Стык-3Д»)
Элементы системы МТТТИ
Параметры напряженности магнитного поля;мТл<sup>2</sup>/м
1
Без системы МШИ
18
63
125
2
2 боковых вкладыша
11
22
48
3
2 бок вкладыша+2 бок вставки
5
11
19
4
2 бок вкладыша+2 бок вставки+1 вставка в подошву рельса
3,5
7,7
13,4
Из приведенных данных видно, что использование в качестве магнитошунтирующих элементов только двух боковых вкладышей под композитную накладку обеспечивает стабильное снижение торцевой намагниченности в изостыке в 1,6-2,5 раза, сразу же после их установки. Если использовать комплект магнитошунтирующей изоляции, состоящий из двух боковых вкладышей и двух боковых вставок, установленных на боковую поверхность композитной накладки, то это обеспечивает снижение торцевой намагниченности в изостыке в 3-4 раза. В случае установки полного комплекта элементов МШИ (2 боковых вкладыша+2 боковые вставки + вставка под подошву рельса) уменьшение торцевой намагниченности в изостыке может достигать в 5-8 раз.
Поэтому для обеспечения безопасного уровня намагниченности в изостыке следует применять:
2
- полный комплект МШИ, если уровень намагниченности превышает 100 мТл/м.(фиг.1);
- если величина силового параметра магнитного поля в изостыке по измерениям прибором «Стык-3Д» не превышает 100, то комплект может использоваться без вставки под подошву рельса (фиг.2).
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет более чем в 4 раза снизить уровень торцевой намагниченности в изостыке, повысить эксплуатационную надежность рельсовых стыковых электроизолирующих соединений за счет уменьшения напряженности магнитного поля вблизи торцевой поверхности рельс без каких-либо изменений в конструкции концевых участков стыкуемых рельсов.