РЕЛЬСОВОЕ СТЫКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Полезная модель относится к конструкциям стыковых соединений железнодорожных рельсов друг с другом.
Известен широко применяемый в верхнем строении железнодорожного пути стандартный стык рельсов с применением двухголовых накладок (Шахунянц Г.М. «Железнодорожный путь», М, Транспорт. 1987 г., стр.182-183). Недостатки стандартного стыка: жесткий удар колес по головке принимающего рельса при проходе подвижного состава через зазор стыка, невозможность измерения величины усилий в стягивающих болтах, наличие болтовых отверстий в накладках и шейке рельса, ослабляющих рабочее сечение рельса и вызывающих концентрацию механических напряжений вокруг отверстий от нагрузок подвижного состава, расклинивающее действие двухголовых накладок на рельс, приводящее к появлению растягивающих механических напряжений в шейке рельсов и образованию трещин по контуру болтовых отверстий (В.И.Болотин и др., под редакцией В.Я.Шульги «Путь и безопасность движения поездов», М, Транспорт, 1994 г., стр.67-68).
Известно безболтовое рельсовое стыковое соединение, состоящее из соединительной и дополнительной скоб, охватывающих подошвы стыкуемых рельсов, стыковых накладок, и клиньев с обратной конусностью (Авторское свидетельство СССР SU №1730310 А1 от 30.04.1992 г.). Недостатки этого решения: отмеченный выше жесткий удар при проходе через зазор стыка подвижного состава; сложная конструкция основной и дополнительной скоб, имеющих несколько точек перегиба; отсутствие средств фиксации элементов стыка в проектном положении; опасность расстройства элементов стыка под действием динамических нагрузок от колес подвижного состава; расклинивающее действие накладок на рельс; невозможность контроля величины расклинивающих усилий в элементах стыка.
Наиболее близким к предложенному является рельсовое стыковое соединение, состоящее из расположенных по обе стороны от рельсов стыковых накладок, скрепленных стяжным болтом, стыковая накладка, устанавливаемая внутри рельсовой колеи, имеет головку и развитую внутрь рельсовой колеи подошву, частично выходящую за пределы рельса, при этом головка выполнена с канавкой для взаимодействия с гребнем колеса, поперечный контур канавки однотипен с контуром гребня колеса, продольный контур дна канавки имеет выпуклую вверх форму, а центральная ось поперечного сечения этой накладки совпадает с вертикальной осью передачи давления от гребня колеса на дно канавки (патент Казахстана №17656, Е01В 11|04, опуб. 15.08.2006).
При проезде колеса подвижного состава через зазор стыка оно контактирует не с рельсом, а с внутренней стыковой накладкой, рельс в этот момент практически не работает, и жесткий удар колеса о зазор стыка исключается. Благодаря форме поперечного и продольного контуров канавки взаимодействие колеса с внутренней стыковой накладкой происходит мягко, повышаются допустимые скорости движения поездов. Обе накладки служат контррельсами, предохраняющими подвижной состав от схода с рельсовой колеи в местах расположения стыков.
Недостатком данного стыкового соединения является наличие стяжного болта, для которого предусмотрены отверстия в рельсах и стыковых накладках, создающие механические напряжения и снижающие прочность, а следовательно надежность и долговечность элементов стыка. Кроме того, жесткое скрепление рельсов с накладками не позволяет рельсу изменять длину при изменении температуры воздуха. Такой путь является термонапряженным и требует перевода рельсовых плетей на летний и зимний режимы работы.
Задачами полезной модели являются увеличение сроков безопасной эксплуатации элементов верхнего строения пути и подвижного состава, сокращение эксплуатационных расходов.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение прочности, надежности и долговечности стыкового соединения за счет исключения сквозного болтового соединения рельсов и накладок, а также обеспечение возможности температурного изменения длины рельсов за счет исключения их жесткой связи со стыковыми накладками.
Технический результат достигается тем, что в рельсовом стыковом соединении, содержащем расположенные по обе стороны от рельсов стыковые накладки, внутренняя стыковая накладка выполнена с развитыми внутрь рельсовой колеи подошвой и головкой, имеющей продольную канавку для взаимодействия с гребнем колеса, внутренняя и наружная стыковые накладки со стороны примыкания к рельсу имеют в поперечном сечении контур или участки контура, ответные контуру поперечного сечения рельса, и согласно предложению снабжены упорами, расположенными по обе стороны от рельсов со стыковыми накладками, и распорными элементами, установленными соответственно между наружной стыковой накладкой и одним упором и между внутренней стыковой накладкой и другим упором.
Кроме того, наружная и внутренняя стыковые накладки имеют каждая по меньшей мере выступ с углублением для взаимодействия с соответствующим распорным элементом.
Кроме того, поперечный контур канавки внутренней стыковой накладки ответен или однотипен контуру гребня колеса в радиальном сечении, а продольный контур дна канавки на участке, включающем зазор стыка, представляет собой выпуклую вверх, а по ее краям выпуклую вверх или вверх и вниз непрерывную или составную гладкую плоскую кривую.
Кроме того, между скошенными поверхностями головки рельса и ответными поверхностями накладок имеются зазоры.
Кроме того, материал внутренней стыковой накладки распределен в поперечном сечении таким образом, что ось передачи давления от гребня колеса на указанную накладку совпадает с вертикальной главной центральной осью поперечного сечения указанной накладки.
Кроме того, продольный контур дна канавки внутренней стыковой накладки имеет две точки перехода, в которых превышение контактной поверхности головки рельса над дном канавки равно высоте гребня колеса в предельно изношенном состоянии, и две точки перехода, в которых превышение контактной поверхности головки рельса над дном канавки равно высоте гребня нового колеса, причем промежутки между, каждой парой точек перехода представляют собой интервалы перехода.
Кроме того, наиболее рациональный продольный контур канавки внутренней стыковой накладки выбирается из множества семейств эвольвент, эволютами которых являются другие семейства кривых, асимптотически уходящих в бесконечность на интервалах перехода и имеющих точку экстремума в середине зазора стыка.
Кроме того, упоры могут быть выполнены в виде рубок рельсов узкой колеи или скошенных тавров, заанкеренных в струнобетонных шпалах или железобетонных плитах с помощью заершенных болтов.
В другом частном случае упоры могут быть выполнены в виде заершенных свай, заглубляемых в земляное полотно и имеющих закладные детали.
Кроме того, распорные элементы выполнены с возможностью регулирования распорного усилия.
Распорные элементы могут быть выполнены различным образом.
1) Каждый распорный элемент может быть выполнен в виде винтовой пары с головками в виде сегментов тел вращения на свободных концах, при этом каждое углубление выступа каждой накладки имеет поверхность вращения, ответную поверхности головки винтовой пары, а каждый упор имеет углубления с поверхностью аналогичной формы, и концы каждой винтовой пары расположены в соответствующих углублениях соответствующей накладки и соответствующего упора.
2) Каждый распорный элемент может быть выполнен в виде карданного двухзвенника с головкой в виде сегмента тела вращения на свободном конце одного его звена и с резьбой на свободном конце другого звена, при этом каждое углубление выступа каждой накладки имеет поверхность вращения, ответную поверхности головки карданного двухзвенника, каждый упор имеет углубление или отверстие с резьбой, ответной резьбе карданного двухзвенника, и концы каждого карданного двухзвенника расположены в соответствующих углублениях соответствующей накладки и соответствующего упора.
3) Каждый распорный элемент может быть выполнен в виде карданных шарниров, соединенных посредством муфты, при этом на стыковых накладках и на упорах закреплены спаренные пластины, карданные шарниры каждого распорного элемента установлены между соответствующими спаренными пластинами, закрепленными на соответствующей накладке и на соответствующем упоре.
Кроме того, точки примыкания распорных элементов к упорам расположены выше точек их примыкания к накладкам.
Возможен вариант, когда часть распорных элементов установлена таким образом, что их оси в плане расположены под углом к продольной оси рельсов.
Кроме того, внутренняя стыковая накладка прикреплена к струнобетонной шпале или железобетонной плите таким образом, что исключено ее поперечное и продольное перемещение.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 показана внутренняя стыковая накладка для однопутных и двухпутных участков железных дорог, выполненная в форме выпуклого вверх или в двух направлениях симметричного сегмента, усеченного по краям (вид спереди).
На фиг.2 - то же, но несимметричной формы.
На фиг.3 - один из перспективных вариантов поперечного сечения предложенного стыкового соединения рельсов - вид по А-А на фиг.3.
На фиг.4 и 5 - второй и третий перспективные варианты поперечного сечения предложенного стыкового соединения рельсов.
На фиг.6 показана заершенная свая с упором в виде закладной детали.
На фиг.7 (а, б) показаны заершенные болты для заанкеривания упоров на шпале, железобетонной плите или свае.
На фиг.8 показана схема установки части распорных элементов под углом к продольной оси рельса в плане.
На фиг.9 показана схема участка пути с «дышащими» плетями с использованием предложенного стыкового соединения в плане.
0
Рельсовое стыковое соединение предназначено для безударного прохождения колесом 1 подвижного состава (фиг.3) стыка рельсов со скоростью V. На фиг.1 показаны отдающий рельс 2 и принимающий рельс 3, расположенные с зазором 4 стыка на шпалах 5.
В предложенном рельсовом стыковом соединении используются длинные стыковые накладки с выступами и углублениями. Внутренняя стыковая накладка 6 выполнена в форме усеченного с двух сторон криволинейного сегмента, имеющего в продольном направлении канавку 7, наружная стыковая накладка 8 прямолинейна. В стыке рельсов 2 и 3 и в накладках 6 и 8 отсутствуют болтовые отверстия, фиксация накладок 6 и 8 в стыке осуществляется с помощью распорных усилий.
0
с
1
2
На фиг.1 также обозначены: h - превышение контактной поверхности головки рельса над дном канавки 7 по краям внутренней стыковой накладки 6, h - то же в зазоре 4 стыка в середине накладки 6, f - стрелка хорды продольного контура дна канавки 7, балластная призма 9. Продольный контур дна канавки 7 представляет собой симметричный отрезок дуги любой выпуклой вверх или в двух направлениях гладкой или составной кривой с осью симметрии, проходящей через середину зазора 4 стыка. В случае составной кривой отдельные ее участки стыкуются между собой по условиям сопряжения второго порядка. Как видно из фиг.1, длина хорды продольного профиля дна канавки 7 равна длине внутренней стыковой накладки 6. Если величина стрелки f постоянна, то кривизна продольного профиля дна канавки 7 уменьшается с увеличением длины накладки 6. Из всего семейства выпуклых вверх симметричных гладких кривых наилучшими для продольного контура дна канавки 7 следует считать те кривые, у которых кривизна по модулю плавно нарастает от нуля по краям хорды до максимального значения в ее середине. На двухпутных участках железных дорог могут применяться и несимметричные внутренние стыковые накладки 6 (фиг.2), причем длина участка l такой накладки 6 со стороны отдающего рельса 2 больше длины ее участка l со стороны принимающего рельса 3, а в зазоре 4 стыка оба участка продольного контура дна канавки 7 сопрягаются по условиям второго порядка или имеют прямолинейный участок. Продольный контур дна канавки 7 несимметричной накладки, как и в симметричной накладке, выбирается из семейства выпуклых вверх или выпуклых в двух направлениях - вверх и вниз гладких или составных кривых, у которых кривизна по модулю плавно нарастает от нуля по краям накладки до максимума в середине зазора стыка. Обобщая приведенные выше соображения с математической точки зрения, можно заключить, что наиболее предпочтительные продольные контуры дна канавок выбираются из множества семейств симметричных или несимметричных отрезков эвольвент, имеющих по краям накладки нулевую кривизну, плавно возрастающую по модулю до максимума в середине зазора стыка 4. Эволютами этих семейств эвольвент являются, в свою очередь, семейства других кривых, ассимтотически уходящих в бесконечность по краям накладки 6 и имеющих точку экстремума в середине зазора 4 стыка (Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. «Справочник по математике», М., «Наука». 1980 г., стр.724-729).
Возможные конструкторские решения предлагаемого рельсового стыкового соединения представлены в трех вариантах. Учитываем, что в бесстыковом пути рельсы путем сварки объединяются в плеть. На фиг.3 показан один из перспективных вариантов поперечного сечения предложенного рельсового стыкового соединения рельсов, на котором показаны выступ 10 для взаимодействия с распорным элементом, гребень 11 колеса, выступы 12 на внутренней стыковой накладке 6, примыкающие к рельсу 2, выступ 13 на наружной стыковой накладке 8 с внешней стороны рельсовой колеи для взаимодействия с распорным элементом, подошва 14 внутренней стыковой накладки 6, винтовые пары 15, расположенные между упорами 16 в виде рубок рельсов узкой колеи и соответствующим накладками 6 и 8, головка 17 внутренней стыковой накладки 6, в которой образована канавка 8, и зазоры 18 между нижними поверхностями головки рельса 2 и скошенными поверхностями накладок 6 и 8. Каждый распорный элемент выполнен в виде винтовой пары 15 с головками в виде сегментов тел вращения на свободных концах. Каждое углубление выступа 10 или 13 каждой накладки 6 или 8 имеет поверхность вращения, ответную поверхности головки винтовой пары 15, а каждый упор 16 имеет углубления с поверхностью аналогичной формы, и концы каждой винтовой пары 15 расположены в соответствующих углублениях соответствующей накладки 6, 8 и соответствующего упора 16.
На фиг.4 и 5 показаны второй и третий перспективные варианты поперечного сечения предложенного рельсового стыкового соединения. Упоры 19 выполнены в виде скошенных тавров. распорные элементы выполнены в виде карданных двухзвенников 20 или составных стержней 21, состоящих из двух частей, стянутых муфтой 22, причем каждая составная часть стержня 21 и муфта 22 имеют правую и левую резьбу. На стыковых накладках 6 и 8 и на упорах 19 закреплены спаренные пластины (не показаны), а установленные на конца карданных двухзвенников 20 или на концах составных стержней 21 карданные шарниры 23 установлены между соответствующими спаренными пластинами.
На фиг.7 показана заершенная свая 24 с упором 25 в виде закладной детали. Свая 24 забивается в земляное полотно в промежутки между шпалами. Упоры 16 или 19 могут быть выполнены в виде рубок рельсов узкой колеи или скошенных тавров, заанкеренных в струнобетонных шпалах или железобетонных плитах с помощью заершенных болтов (фиг.7 а, б).
Внутренняя стыковая накладка 6 выполнена с развитой внутрь рельсовой колеи головкой 17 и с канавкой 7, поперечный контур которой с целью наилучшего распределения контактных напряжений от давления гребня 11 колеса 1 на накладку 6 либо ответен, либо однотипен очертанию контура гребня 11 колеса 1 в радиальном сечении. Участки контуров накладок 6 и 8, контактирующие с рельсом, ответны соответствующим участкам поперечного контура рельса 2. В выступах 9 и 13 накладок и в упорах 16 или 19 специальной фрезой высверливаются углубления в форме сегментов тел вращения. В частности, углубления могут быть выполнены в форме сферических сегментов. На концах элементов винтовой пары 15 вытачиваются головки в форме сегментов тел вращения, ответных сегментам углублений в упорах и выступах накладок.
Рассмотрим последовательность операций монтажа элементов нового стыкового соединения для каждого из трех предложенных вариантов его конструкции.
Стык с винтовыми парами
1. Одна из головок винтовой пары 15 вводится в углубление на выступе 10 или 13 стыковой накладки 6 или 8, другая - в углубление на упоре 16.
2. Создание распорного усилия путем раздвижки элементов винтовой пары 15 газовыми ключами.
3. Закрепление стыковых накладок 6 и 8 в проектном положении с помощью гаек, контргаек и шайб.
Стык с карданными двухзвенниками
1. Ввинчивание звена с резьбой в резьбовое отверстие на упоре 19.
2. Фиксация звена в направлении углубления в выступе 10 или 13 накладки 6 или 8 путем поворота около карданного шарнира 23.
3. Создание распорного усилия путем вывинчивания двухзвенника 20 и закрепления головки в углублении выступа 10 или 13 стыковой накладки 6 или 8.
4. Закрепление звена в проектном положении с помощью гаек, контргаек и шайб.
Стык с составными стержнями.
1. Фиксация каждой составной части стержня 21 между пластинами карданных шарниров 23 на каждом краю стержня.
2. Создание распорного усилия с помощью газовых ключей.
3. Закрепление составного стержня 21 в проектном положении с помощью гаек, контргаек и шайб.
в
н
в
н
Во всех трех вариантах очень важно, чтобы точки примыкания распорных элементов к упорам (точки В и В на фиг.3-5) были выше точек примыкания к выступам накладок или пластинам (точки А и А на фиг.3-5). Таким образом обеспечивается плотное прижатие накладок 6 и 8 к рельсу 2 и 3 и дополнительное прижатие рельса 2 и 3 к шпале 5.
Предложенное рельсовое стыковое соединение под нагрузкой работает следующим образом. Двигаясь по рельсу 2 по направлению стыка, колесо 1 подвижного состава, начиная с некоторой точки перехода, кругом катания перестает контактировать с рабочей поверхностью головки рельса 2, но зато гребнем 11 начинает контактировать с канавкой 7 стыковой накладки 6. После прохода через зазор 4 стыка в другой точке перехода гребень 11 колеса 1 перестает контактировать с канавкой 7, но зато кругом катания вновь вступает в контакт с рабочей поверхностью головки рельса 3. Таким образом, с зазором 4 стыка колесо 1 не контактирует - поэтому проход колеса 1 через стык 4 происходит практически без удара Поэтому нет местных разрушений головок рельсов в зоне стыка, отсутствует угон пути, значительно уменьшается износ рельсов и колес подвижного состава. Следовательно, сроки безопасной эксплуатации элементов верхнего строения пути и подвижного состава увеличиваются и соответственно снижаются эксплуатационные расходы.
Благодаря отсутствию сквозных отверстий и болтов в накладках и рельсах нет концентрации механических напряжений в элементах стыка, что также способствует повышению их долговечности и надежности, а наличие зазоров 18 (фиг.3-5) между нижними поверхностями головок рельсов 2 и скошенными поверхностями накладок 6 и 8 исключает расклинивающее действие накладок на рельс и появление растягивающих напряжений в шейке рельсов. Очень важно, чтобы во внутренней стыковой накладке 6 материал был распределен таким образом, чтобы направление передачи давления Р гребня 11 колеса 1 лежало на вертикальной главной центральной оси поперечного сечения накладки (фиг.3-5).
Величина усилия в распорных элементах может измеряться, контролироваться и регулироваться с помощью тензометров (Биргер И.А., Мавлютов P.P. «Сопротивление материалов», М., Наука, 1986 г., стр.76-77). С этой целью создается замкнутая электрическая цепь, состоящая из тензометра, расположенного на распорном элементе, источника питания и индикатора, проградуированного в единицах усилия. Цепи могут быть объединены и собраны в кабель, подведенный в помещение дистанции пути с компьютерами на рабочем столе диспетчера, который дистанционно на экране компьютера может наблюдать за техническим состоянием каждого стыка даже в момент прохода поезда и, при необходимости, принимать специальные меры.
Заанкеривание упоров на шпале, железобетонной плите или свае производится при помощи заершенных болтов (фиг.7 а, б), заглубленных головками в тело бетона. Соединение рельсов со шпалами производится с помощью прикрепителей, исключающих боковые смещения рельсов и накладок, но допускающих свободное продольное перемещение рельсов, обусловленное изменением температуры воздуха («Основы устройства и расчетов железнодорожного пути» под ред. проф. С.В.Амелина и проф. Т.Г.Яковлевой, М, Транспорт, 1990 г., стр.70, табл.1.15). Однако соединение со шпалой или железобетонной плитой подошвы 14 внутренней стыковой накладки 6 проводится с помощью прикрепителей, исключающих ее боковые или продольные перемещения. При сильной затяжке элементов винтовой пары 15, или карданного двухзвенника 20, или составного стержня 21 между соприкасающимися поверхностями возможно появление настолько больших сил трения, что в результате температурных деформаций рельс будет «увлекать» за собой накладки, что может вызвать расстройство стыка. Чтобы расстройства стыка не произошло и чтобы положение накладок не изменялось при любых колебаниях температуры воздуха, необходимо часть распорных элементов устанавливать под некоторым углом к продольной оси рельса, что схематично показано в плане на фиг.8.
В настоящее время на железных дорогах СНГ широко применяются участки бесстыкового пути с жесткими прикреплениями рельса к шпале, не позволяющими рельсу изменять длину при изменении температуры воздуха. Такой бесстыковой путь является термонапряженным. Эксплуатационные затраты на его содержание складываются из ежегодных сезонных расходов по переводу рельсовых плетей на летний и зимний режимы работы и расходов на содержание уравнительных пролетов между плетями. В термонапряженной рельсовой плети при резком повышении температуры воздуха в летний период возможен боковой или вертикальный выброс (потеря устойчивости) рельсошпальной решетки («Основы устройства и расчетов железнодорожного пути» под ред. проф. С.В.Амелина и проф. Т.Г.Яковлевой, М., Транспорт, 1990 г., стр.49). Чрезвычайная опасность этого явления усугубляется тем обстоятельством, что выброс происходит практически мгновенно, и, если в этот момент по участку выброса движется поезд, то неизбежна катастрофа с тяжелыми последствиями. Избежать описанных выше значительных эксплуатационных затрат и опасности выброса пути позволяет предложенное стыковое соединение, позволяющее использовать рельсовые плети со свободным упруго-фрикционным проскальзыванием рельса относительно шпал и между накладками - «дышащие» плети. На фиг.9 схематически показан в плане участок пути с «дышащими» плетями. В середине участка 26 рельсовая плеть жестко заанкерена с использованием накладок типа накладки 8 (фиг.3-5) путем сильной затяжки распорных элементов. В стыках 27 и 28 по краям участка производится умеренная затяжка распорных элементов, исключающая боковое перемещение рельсов, но допускающая свободное упруго-фрикционное перемещение рельсов в продольном направлении. Эти стыки являются «дышащими». При такой конструкции закреплений рельсовые плети обладают следующими положительными свойствами: отпадает необходимость устройства дорогостоящих уравнительных пролетов, отпадает необходимость в ежегодных сезонных затратах на разрядку температурных напряжений в рельсах, исключаются выбросы пути. В конечном итоге резко снижаются эксплуатационные затраты при одновременном значительном повышении допускаемых скоростей движения поездов и увеличении сроков безопасной эксплуатации всех элементов верхнего строения пути.
При действии вертикальных и горизонтальных нагрузок от подвижного состава возникают вертикальные и горизонтальные упругие перемещения отдельных элементов стыка и всего стыкового соединения в целом. На эти перемещения накладываются упругие перемещения балластной призмы и земляного полотна как упругих сред. Благодаря наличию жестко заанкеренных упоров и появлению обратимых перемещений в двух направлениях концов распорных элементов после прохода подвижного состава стыковое соединение возвращается в исходное положение и может продолжать многократно воспринимать наезды подвижного состава.
Предложенное рельсовое стыковое соединение с использованием распорных устройств и выпуклого вверх или в двух направлениях продольного контура канавки внутренней стыковой накладки может также применяться в крестовинах и контррельсах стрелочных переводов, глухих пересечений, сплетений и съездов на двухпутных участках железных дорог. Кроме того, распорные устройства могут использоваться для фиксации определенных участков рельсовых плетей в проектном положении, например, для фиксации наружного рельса на кривых малых радиусов закруглений.
Приведенные в настоящем описании конструкции распорных элементов по существу представляют собой разновидности винтовых домкратов. С таким же успехом для создания распорных усилий в новом стыковом соединении могут применяться гидравлические домкраты с другими решениями конструкции стыка.