АНКЕР РЕЛЬСОВОГО СКРЕПЛЕНИЯ

Полезная модель относятся к верхнему строению железнодорожного пути и предназначена для прикрепления рельсов к железобетонным, полимербетонным или композитным подрельсовым основаниям, таким как шпалы, брусья, плиты, блоки, лежни и другие, и может найти применение на магистральных железнодорожных линиях, в том числе высокоскоростных, в тоннелях, метрополитенах и на подъездных железнодорожных путях промышленных предприятий.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели - анкеру рельсового скрепления является известный анкер рельсового скрепления, содержащий верхнюю часть состоящую из двух головок для образования клеммных узлов, выступающих над поверхностью подрельсового основания по обе стороны от подошвы рельса, нижнюю часть замоноличиваемую в подрельсовое основание и объединяющую два клеммных узла, состоящую из перемычки, двух криволинейных участков перехода от основания головок к указанной перемычке, и двух направленных вниз гофрированных хвостовиков. (RU 2190720 С2, 10.10.2002).
Недостатки данного анкера следующие:
- высокая металлоемкость и соответственно стоимость анкера вследствие повышенного (излишне высокого) запаса прочности головок анкера, как от воздействия вертикальных нагрузок передаваемых от оси монорегулятора, так и от боковых сил от торца подошвы рельса, передаваемых через уголок изолирующий. Высокая стоимость анкера оказывает негативное влияние на конкурентоспособность рельсового скрепления в целом.
Техническим результатом данной полезной модели является снижение металлоемкости анкера рельсового скрепления при одновременном обеспечении достаточного запаса прочности и его работоспособности.
1
2
1
2
Для этого в анкере рельсового скрепления, содержащем верхнюю часть, состоящую из двух головок для образования клеммных узлов, выступающих над поверхностью подрельсового основания по обе стороны от подошвы рельса, каждая из которых имеет два разнесенных вдоль рельса крюкообразных кронштейна с поверхностями для взаимодействия с регулятором напряжения клеммы, реборды кронштейнов для контактирования с изолирующей прокладкой рельсового скрепления и основание головки с выступами для взаимодействия с верхней поверхностью подрельсового основания, и нижнюю часть для замоноличивания в подрельсовое основание, объединяющую обе головки и состоящую из перемычки, двух участков перехода от оснований головок к указанной перемычке и двух направленных вниз гофрированных хвостовиков, в каждом крюкообразном кронштейне с внешней, относительно регулятора напряжения клеммы, боковой стороны предусмотрена выемка, образованная сочетанием криволинейных и прямолинейных поверхностей, причем глубина выемки δ не более 13 мм, расстояние от нижнего края выемки до линии замоноличивания в подрельсовое основание h не менее 10 мм, расстояние от верхнего края выемки до верха головки анкера h не менее 15 мм, расстояние t от одного бокового края выемки до поверхности кронштейна, образованной по большему радиусу и расстояние t от другого бокового края выемки до боковой поверхности кронштейна со стороны рельса, не менее толщины реборды.
На фиг.1 представлен анкер рельсового скрепления с выемкой в металле кронштейна согласно полезной модели; на фиг.2 представлена конечноэлементная модель 1/2 части анкера; на фиг.3 представлены поля напряжений (МПа) в головке анкера-прототипа; на фиг.4, фиг 5 - поля напряжений (МПа) в головке анкера с размерами выемки, превышающими
размеры заявленной полезной модели и недостаточной прочностью конструкции; на фиг.6, фиг7 - поля напряжений (МПа) в головке анкера с выемкой в кронштейне согласно полезной модели.
Анкер рельсового скрепления содержит верхнюю часть расположенную над подрельсовым основанием (шпалой и т.п.) и нижнюю часть замоноличенную (забетонированную) в подрельсовом основании. Верхняя часть анкера состоит из двух головок 1 для образования клеммных узлов, выступающих над поверхностью подрельсового основания по обе стороны от подошвы рельса, при этом каждая головка выполнена также с выступами основания 2 головки для взаимодействия с верхней поверхностью 3 подрельсового основания. Нижняя часть анкера, объединяющая обе головки 1, состоит из перемычки 4, двух участков перехода 5 и двух направленных вниз гофрированных хвостовиков 6.
1
2
1
2
Каждая головка 1 имеет два разнесенных вдоль рельса кронштейна 7 с поверхностями 8 для взаимодействия с регулятором напряжения клеммы рельсового скрепления, а также выполнены с ребордами 9 для контакта с изолирующей прокладкой рельсового скрепления. В каждом кронштейне с внешней стороны выполнена выемка 10 в металле, образованная сочетанием криволинейных и прямолинейных поверхностей. Для обеспечения прочности конструкции параметры выемки следующие: глубина δ выемки не более 13 мм, расстояние h от нижнего края выемки до линии замоноличивания 3 в подрельсовое основание не менее 10 мм, расстояние h от верхнего края выемки до верха головки 1 анкера не менее 15 мм, расстояние t от одного бокового края выемки до боковой поверхности большего радиуса крюка кронштейна и расстояние t от другого бокового края выемки до боковой поверхности кронштейна со стороны рельса не менее толщины реборды 9.
Параметры выемки (углубления) кронштейна выбирались расчетным путем с использованием метода конечных элементов. Объемная конечноэлементная модель анкера рельсового скрепления разработана с
0,2
высокой степенью дискретизации сетки конечных элементов (см. фиг.2). Прикладываемые нагрузки соответствовали усилиям, полученным из расчета узла анкерного скрепления в целом при нормативных расчетных нагрузках от действия колеса на рельс (≈100 кН вертикальная и ≈50 кН боковая, приходящаяся на наружную относительно колеи головку анкера) и усилия прижатия рельса от натяжения клеммы при постановке регулятора напряжения клеммы на рабочую ступень (≈20кН). Поскольку в эксплуатации возможна регулировка положения рельса по высоте, то приложение горизонтальной боковой нагрузки от подошвы рельса моделировалось для разных случаев, когда рельс находится на амортизирующей прокладке (0 мм) и для случаев когда под рельс подложены регулирующие прокладки (до 20 мм). Наиболее неблагоприятным с позиции напряженного состояния выемки являлось смещение рельса на 20 мм. При расчетах также варьировались глубина выемки и расстояния до поверхностей кронштейна. Расчетные эквивалентные напряжения сравнивались с условным пределом текучести высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧ-40) σ=250 МПа. Для сравнения в таблице приведены основные результаты вариантов расчетов анкера.
Таблица
Наименование зоны кронштейна
Максимальные эквивалентные напряжения (МПа) для:
анкера-прототипа
анкера с размерами выемки выходящими за предельные значения
анкера с выемкой согласно полезной модели
1
2
3
4
Паз под регулятор
228
236
236
Зона реборды (рельс не смещен 0 мм)
175
196
186
Зона реборды (рельс смещен на 20 мм)
182
228
199
Зона выемки (рельс не смещен 0 мм)
-
183
162
Зона выемки (рельс смещен на 20 мм)
-
311
229
1
2
1
2
Из сопоставления полей напряжений представленных на фиг.3 и фиг.6 видно, что выемка в кронштейнах головки анкера, с предельными параметрами, согласно полезной модели (δ=13 мм, h=10 мм, h=15 мм, t≈t приблизительно равные толщине реборды), практически не повлияла на зону паза для регулятора, где максимальные напряжения возросли менее чем на 4% (см. столбец 2 и 4 таблицы), но остались ниже условного предела текучести чугуна ВЧ-40. Для случая приподнятого на 20 мм рельса, с теми же параметрами выемки эквивалентные напряжения внутри самой выемки составили 229 МПа, что сопоставимо с напряжениями в зоне паза под регулятор, но также менее условного предела текучести чугуна ВЧ-40. В других зонах концентрации напряжений не наблюдается. Т.е. прочность и работоспособность анкера сохранены, при максимально возможном уменьшении металлоемкости для зон головок анкера.
1
2
1
2
Изменение параметров выемки в пределах габаритов кронштейна анкера до указанных, согласно полезной модели, предельных значений (δ<13 мм, h>10 мм, h>15 мм, t≈t больше толщины реборды), на прочность и работоспособность конструкции не оказывает влияния, но при этом экономия металла будет меньшей.
Наибольшее влияние на напряженное состояние оказывает глубина выемки. Так при увеличении глубины выемки δ более 13 мм, внутри выемки ухудшается напряженное состояние. На фиг.5 показано, что для случая приподнятого на 20 мм рельса эквивалентные напряжения возросли до 311 МПа (см. столбец 3 таблицы), что больше условного предела текучести чугуна ВЧ-40, т.е. прочность конструкции уменьшилась и во время работы возможно накопление пластической деформации и далее образование трещин в данной зоне, что нарушит работоспособность анкера. В других зонах также наблюдается более значительное увеличение напряжений, чем для выемки с оптимальной глубиной (сравнение столбцов 3 и 4 таблицы). Т.е. дальнейшее увеличение глубины выемки производить нельзя.
2
1
1
2
Уменьшение расстояния от верхнего края выемки до верха головки анкера h менее 15 мм так же ухудшает напряженное состояние, при этом возрастают напряжения в пазах под регулятор, поскольку ослабевает зона крюков кронштейнов. Уменьшение расстояния h менее 10 мм ведет к увеличению напряжений в зоне перехода вертикальных поверхностей в основание головки анкера и в нижнем радиусе скругления выемки. Максимальные напряжения в этих случаях сопоставимы по величине с условным пределом текучести чугуна ВЧ-40, что ухудшают работоспособность конструкции. Уменьшение расстояний t и t менее толщины реборды 9 не целесообразно поскольку в процессе литья могут не до конца заливаться более тонкие части, т.е. возможен брак при изготовлении.
В результате выполнения выемки в кронштейнах анкера с параметрами согласно полезной модели обеспечивается прочность и работоспособность конструкции анкера при снижении его металлоемкости относительно конструкции прототипа.