СТЫКОВОЧНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОТЯЖЕННЫХ РЕЛЬСОВЫХ ПУТЕЙ

Полезная модель относится к магистральному железнодорожному транспорту с повышенными требованиями к путевому хозяйству по скоростным и нагрузочным характеристикам в резко континентальных условиях эксплуатации.
Известен стык рельсов, описанный в книге «Железнодорожные станции и узлы» под ред. проф. Ю.И.Ефименко. М.: ACADEMA, 2006 г., стр.40-41. Он представляет собой соединение концов рельсов, отрезанных перпендикулярно их продольным осям и уложенных между шпалами в так называемый «висячий стык», скрепленных двумя накладками с двух сторон и соединенных болтами с гайками.
Недостатком такого стыка является невозможность достигнуть совпадения концов соединяемых рельсов без уступа, в результате колеса стучат на стыках.
Наиболее близким по конструкции и достигаемому эффекту является выбранный в качестве прототипа рельсовый стык конструкции Л.Н.Буркова (см. пат РФ №2336385 на изобретение, опубл. 2008.10.20). В рельсовом стыке соединяемые концы рельсов выполнены со срезом обоих концов рельсов под острым углом к их продольной оси и уложены на две соседние шпалы, соединенные вместе стяжками в одно целое. Элементы крепления выполнены в виде фиксаторов, установленных с равным шагом по плоскости разъема стыка, длина которого определяется по формуле (3-5)×1,618×Hp, где Hp - высота рельса, и концы которого уложены на две соседние шпалы. Фиксаторы состоят из двух частей: одна в виде центрального болта жестко соединена с одним из рельсов, а вторая в виде шаров с пружинами и опорной тарелкой шарнирно соединена со вторым рельсом с возможностью продольного перемещения одного рельса относительно другого. При этом отверстие под центральный болт во втором рельсе выполнено продолговатым.
К недостаткам этого стыка можно отнести недостаточную надежность и безопасность этой конструкции, особенно для железнодорожных перевозок, т.к.:
- рельсовый стык согласно предложенной формуле имеет длину до 1456 мм и опирается всего на две шпалы, при этом заостренные концы стыкуемых рельс находятся вне опоры на шпалах;
- рельсовый стык выполнен без боковых креплений, что при значительной длине стыка неизбежно приведет к его разрушению от осевого воздействия реборд колес, особенно на криволинейных участках пути, где центробежные силы многократно увеличивают осевое давление на рельсы и стыки;
- жесткое соединение центрального болта фиксатора с одним из рельсов обеспечивает смещение только одного рельса относительно другого, что вдвое снижает возможность стыка как температурного компенсатора в условиях резкого перепада температур.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение требуемой надежности и безопасности стыка при прохождении тяжеловесных составов на высоких и сверхвысоких скоростях в условиях экстремальных перепадов температур. Этот технический результат достигается тем, что соединяемые концы рельсов выполнены со срезом под углом 7° к их продольной оси, соединены при помощи полностью перекрывающих длину стыка боковых накладок, и скреплены шестью стяжными болтами с квадратными плечиками, фиксирующими их положение, и динамометрическими пружинными шайбами арочного типа с переменным сечением, обеспечивающими требуемую надежность и безопасность стыка при прохождении тяжеловесных составов на высоких и сверхвысоких скоростях в условиях экстремальных перепадов температур.
При угле косого среза стыкуемых рельс 7° длина стыка не превышает допустимых пределов, снижающих прочностные характеристики заостренных концов рельс, а продольное смещение соединяемых рельс относительно друг друга не приводит к значительному изменению ширины колеи пути в месте стыка рельс. При меньшем угле среза повышается длина стыка, и при этом снижается его надежность и безопасность за счет более заостренных концов стыкуемых рельс. Увеличение угла более 7° приводит к тому, что при экстремальных плюсовых температурах происходит сужение колеи пути, что может привести к заклиниванию реборд колес в месте стыка.
Применение боковых накладок, полностью перекрывающих длину стыка, позволяет соединить рельсы надежно и безопасно, придать стыку дополнительную прочность, тем самым обеспечив его надежность и безопасность.
Применение болтов с квадратными плечиками позволяет избежать их самовывинчивания в условиях воздействия динамических вибрационных нагрузок при прохождении тяжеловесных составов на больших скоростях, тем самым обеспечивая надежность и безопасность стыка.
Динамометрическая пружинная шайба арочного типа с переменным сечением постоянно находится в подпружиненном состоянии и тем самым обеспечивает поддержание практически на одном уровне сжатие стыка рельс, не зависимо от перепада температур и соответствующих им изменений размеров стыка, чем обеспечивает надежность и безопасность стыка.
На фиг.1 изображен общий вид рельсового пути в месте стыка, вид сверху, на фиг.2 изображен рельсовый стык, вид сбоку, на фиг.3 изображено боковое крепление стыкуемых концов рельс, выполненное в разрезе по линии А-А, на фиг.4 изображен рельсовый стык, вид сверху, на фиг.5 изображен рельсовый стык, вид сбоку, на фиг.6 изображена накладка, вид спереди, на фиг.7 изображена накладка, вид сбоку, на фиг.8 изображен крепежный болт, на фиг.9 изображена динамометрическая пружинная шайба, вид спереди, на фиг.10 изображена динамометрическая пружинная шайба, вид сверху.
Стыковочное соединение протяженных рельсовых путей представляет собой следующее.
Рельсовая плеть требуемой длины сварена встык из стандартных рельс, которые имеют головку 1, шейку 2 и подошву 3. Соединенные в стыке концы рельсовых плетей 4 и 5 отрезаны под углом а, равным 7 к их продольной оси, как показано на фиг.4.
Вдоль всей линии стыка 6 (фиг.5) в шейке 2 имеется шесть овальных отверстий 7, по три на каждом состыкованном конце. Отверстия 7 расположены с равным шагом по длине стыка. Состыкованные концы рельс по длине стыка с боковых сторон стянуты двумя накладками 8, которые перекрывают всю длину стыка. В каждой накладке выполнены шесть отверстий 9, которые имеют квадратную форму и расположены с шагом, равным шагу овальных отверстий 7. Для соединения рельсовых плетей применены крепежные болты 10 с квадратным плечиком и динамометрические пружинные шайбы 11 арочного типа с переменным сечением (фиг.3). С обеих сторон стыка расположены накладки, отверстия в которых также совпадают с отверстиями в стыкуемых концах рельсов. Стык закреплен путем размещения в отверстиях крепежных болтов 10. Болты 10 с внутренней стороны рельсового пути закреплены гайками 12. Между гайками 12 и накладками 8, расположенными с внутренней стороны рельсового пути, установлены динамометрические пружинные шайбы 11. Болты затянуты с усилием 110-120 кгм, что обеспечивает надежность соединения с возможностью относительного сдвига стыкуемых рельс при перепаде температур. Состыкованные концы рельсов, срезанные под углом 7°, соединены между собой по этому срезу так, что головки 1 рельс расположены по одной линии, а квадратные отверстия 9 в накладках 8 находятся в середине овальных отверстий 7, выполненных в шейках 2. Болты 10 вставлены в отверстия в накладках каждый раз с обратной стороны, что обеспечивает равномерное распределение стягивающего усилия шайб на накладки и шейку состыкованных рельс. Собранное таким образом стыковочное соединение уложено на пять шпал и прикреплено к шпалам традиционным способом, что обеспечивает повышенную надежность опоры на щебеночный слой.
Рельсовый стык работает следующим образом. При движении поездов по такому стыку он обеспечивает плавный ход колес без стука, т.к. косой срез не дает уступа. Соединение при помощи шайб 11 выполняет роль температурного компенсатора. При повышении температуры состыкованные рельсы сдвигаются навстречу друг другу на определенную величину, и наоборот. В качестве расчетной величины растяжения или сжатия применен температурный коэффициент линейного растяжения стали при изменении температуры на 1°С, который равен:
T
-5
K=1,06×10 - для среднелегированной стали
T
-5
K=0,91×10 - для высоколегированной стали
Для расчета применена формула:
пл
пл
T
ΔL=K×L×Δt,
пл
где ΔL - изменение длины сварной плети при перепаде температур, мм;
пл
L - принятая длина сварной плети, мм;
Δt - перепад температур от средней принятой величины +20°С.
Так, например, сварная рельсовая плеть из высоколегированной стали длиной 100 м увеличит длину при +60°С на 2,2 мм, а длина стыка увеличится на 1,1 мм. При температуре -50°С длина этой плети уменьшиться на 2,8 мм, а длина стыка уменьшится на 1,4 мм.
В таблице приведены расчетные величины рекомендуемых длин сварных рельсовых плетей и их возможные увеличения или сокращения длин при изменении температуры от средней температуры +20°С.
Таблица
Качество стали рельса
Температурный коэффициент линейного расширения (сжатия)
Изменение длины сварной плети при предельных перепадах температуры на один стык (м)
500 м
600 м
700 м
800 м
+60°
-50°
+60°
-50°
+60°
-50°
+60°
-50°
Среднелегированная
1,06×10<sup>-5</sup>
12,5
16,6
15,1
20,0
17,5
23,2
20,1
26,7
Высоколегированная
0,91×10<sup>-5</sup>
10,1
14,4
13,0
17,2
15,2
20,0
17,1
23,0
Стыковочное соединение протяженных рельсовых путей имеет надежную конструкцию. Применение указанных выше элементов крепления обеспечивает надежность и безопасность стыка, а использование динамометрической шайбы 11 делает возможным продольный сдвиг рельсовых плетей на требуемую величину при температурных перепадах, что является температурным компенсатором. Стыковочное соединение может быть выполнено имеющимися техническими средствами на имеющемся оборудовании.