КРЕСТОВИНА ДЛЯ РЕЛЬСОВОГО ПЕРЕСЕЧЕНИЯ
SPIDER FOR RAIL CROSSING

Изобретение относится к рельсовому транспорту и может быть использовано при изготовлении крестовин стрелочных переводов и глухих пересечений.
Известна крестовина для рельсового пересечения (SU №1245640, Е01В 7/10, 1986 г.), содержащая сердечник и два усовика с возвышениями продольного профиля их поверхностей катания на наиболее интенсивно изнашиваемом участке крестовины от ее горла до сечения сердечника, равного ширине головки рельса. За счет возвышений поверхностей катания усовиков и сердечника крестовина имеет дополнительный запас металла на вертикальный износ как раз на том участке, который определяет срок ее службы.
Недостаток конструкции заключается в том, что приведенное в ней уравнение, описывающее форму возвышений, не учитывает условий сопряжения возвышенной зоны с примыкающими к ней участками крестовины. В местах сопряжении имеются вертикальные углы перегиба поверхностей катания. И от этого вертикальный износ в рассматриваемой зоне приобретает волнообразный характер, что повышает динамику взаимодействия колеса с крестовиной и повышает интенсивность износа взаимодействующих элементов пути и подвижного состава.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является конструкция крестовины (RU №14942, Е01В 25/06, 2000 г.), содержащая передний и задний вылеты, сердечники и два усовика, образующие горло крестовины, имеющая возвышения продольного профиля на участке, ограниченном горлом крестовины и сечением сердечника, равным ширине головки рельса. В ней за счет соответствующих поправок, которые вводятся в уравнение при вычисление возвышений профиля крестовины, углы перегиба рабочих кантов на границах участков сведены к минимуму. Недостатком конструкции является то, что эти углы не устранены до конца. Отсутствие плавных сопряжении продольного профиля участка возвышений с передним и задним вылетами крестовины ограничивает срок ее эксплуатации из-за развития волнообразного износа усовиков и сердечника в рассматриваемой зоне.
При работе над предлагаемым изобретением ставилась задача повышения сроков службы крестовин с запасом металла на износ за счет исключения возможности развития волнообразного износа, вызванного наличием углов перегиба поверхности катания на границах зоны перекатывания колес с усовиков на сердечник и обратно.
Технический эффект достигается тем, что в крестовине для рельсового пересечения, содержащей передний и задний вылеты, сердечник и два усовика, образующие горло крестовины, имеющей возвышения продольного профиля на участке, ограниченном горлом крестовины и сечением сердечника, равным ширине головки рельса, продольный профиль возвышений плавно сопрягается с передним и задним вылетами и осуществляется соотношением:
где у - ордината продольного профиля в любом сечении участка возвышений;
x - расстояние от горла крестовины до расчетного сечения;
D - допуск на вертикальный износ сердечника крестовины;
L - длина участка возвышений;
0
k - отношение расстояния x от горла крестовины до сечения, в котором регламентирован допуск D к длине L участка возвышений.
Суть технического решения разъясняется с помощью иллюстраций.
Фиг.1. Крестовина. Вид сверху и схема линий контакта колеса с поверхностью катания крестовины.
Фиг.2. Продольный профиль участка возвышений.
Фиг.3. Схема прохода колес по участку возвышений крестовины прототипа.
Крестовина для рельсового пересечения содержит два усовика 1, сердечник 2, а также передний и задний вылеты 3. Крестовина имеет наиболее изнашиваемую зону L, расположенную между сечением горла 4 и сечением 5, в котором ширина сердечника 2 равна ширине головки рельса. В рассматриваемой зоне нагрузка от колеса на крестовину передается не по всей ширине поверхности катания колеса, а по ограниченным площадкам, отмеченным утолщенными линиями на фиг.1. Величины площадок зависят от положения колеса на крестовине, а также от размеров желоба и сердечника в каждом конкретном положении. Чем меньше площадки контакта, тем выше контактные напряжения, тем интенсивнее износ поверхности катания колеса и крестовины в рассматриваемом сечении. На участке между сечениями 4 и 5 крестовина имеет возвышения 6 продольного профиля 7, форма которого представляет собой зеркально перевернутый профиль изношенной поверхности катания усовика 4 и сердечника 2 (соответственно 8 и 9). За счет этого удваивается объем изнашиваемого металла в зоне перекатывания колес с усовиков на сердечник, которая определяет срок службы всей крестовины в целом. Возвышения 6 профиля 7 крестовины определяются из условия, что при сохранении существующей закономерности распределения интенсивностей износа по длине зоны перекатывания вертикальный износ крестовины происходит без промежуточных неровностей.
Поскольку эксплуатационные наблюдения за работой крестовин прототипа показали, что возможность появления промежуточных неровностей в зоне перекатывания у данных крестовин не исключена, был проведен анализ по выявлению причин их формирования. Главная из этих причин заключается в том, что логарифмическая функция y=f(x), используемая в конструкции прототипа для описания продольного профиля 10 (на фиг.3) крестовины, не обеспечивает плавное сопряжение продольного профиля зоны L возвышения с примыкающими участками. В начале координат эта функция y=f(x) ни при каких параметрах не обращается в ноль, а это значит, что кривая 10 отходит от прямого направления 11 в точке А под некоторым углом α, а в другом конце кривой 10 она асимптотически приближается к направлению 11, но нигде не смыкается с ним. Это значит, что при проектировании ее приходится искусственно прерывать в точке D, как это показано пунктирной линией 12, которая пересекает прямое направление 11 в точке D под углом β.
Штрихпунктирными линиями 14 и 15 показаны поверхности катания колес, набегающих на возвышение 10 соответственно слева и справа. Как видно на схеме, уже на новой крестовине вертикальный износ ее поверхности катания начинается не от «подножья» возвышения (точки А и Д), а в точках В и С, расположенных выше уровня 11. Но на самом участке ВС закономерность распределения износов сохраняется. Она показана пунктирной линией 13, которая к середине участка ВС опускается. А это значит, что при проходе колеса по изношенной зоне перекатывания оно преодолевает сначала неровность типа «бугор», затем неровность типа «впадина» и снова неровность типа «бугор». Наличие этих неровностей вызывает вибрации подвижного состава, которые ускоряют износ крестовины и в самой зоне перекатывания и на примыкающих к ней участках. В данном случае необходимы конструктивные изменения, которые гарантировали бы плавный (без вертикальных углов) вход колес подвижного состава на участке L возвышений. Уравнение, описывающее форму продольного профиля прототипа не дает таких гарантий. Для реализации нового конструктивного признака нужна математическая зависимость, обеспечивающая плавное сопряжение участка возвышений с передним и задним вылетами крестовины без «углов перегиба поверхностей катания в местах сопряжении. При этом максимум функции должны совпадать с сечением, в котором нормами регламентируется допуск на вертикальный износ крестовины (в отечественных крестовинах это сечение сердечника с шириной 40 мм). Поместив начало координат 0, как это показано на фиг.2, в сечение 4 горла крестовины, сформулируем вышевыдвинутые конструктивные требования в математическом виде:
при
при
при
при
при
при
где х - расстояние от горла крестовины до расчетного сечения;
у - ордината продольного профиля в расчетном сечении, мм;
L - длина участка возвышений профиля;
0
x - расстояние от горла крестовины до сечения, в котором регламентирован нормами допуск на вертикальный износ сердечника крестовины;
D - нормативный допуск на вертикальный износ сердечника крестовины.
К разработке было принято уравнение параболы 5-й степени вида:
6
В соответствии с требованием (1) подставляем в уравнение (7) х=0; у=0. Получаем а=0. Дифференцируем (7) для (2):
В соответствии с требованием (2) подставляем в уравнение (8) х-0;
5
Получаем а=0.
Выражение (7) принимает вид:
На основании требований (3), (4), (5) и (6) составляем с уравнений с 4-мя неизвестными:
где k - отношение расстояния от горла крестовины до сечения, в котором регламентирован нормами допуск на вертикальный износ сердечника крестовины, к длине L участка возвышений профиля:
Решив систему уравнений (10) - (13) относительно коэффициентов равенства (9), имеем:
После подстановки (15), (16), (17) и (18) в (9) получаем окончательное выражение для описания формы продольного профиля крестовины на участке зоны перекатывания колес подвижного состава с усовиков на сердечник и обратно:
Крестовина для рельсового пересечения работает следующим образом.
На первом этапе состав, проходящий по крестовине, преодолевает вертикальную неровность типа «бугор» между сечениями 4 и 5, которая плавно сопрягается с примыкающими участками переднего и заднего вылетов 3 крестовины. Вертикальный износ зоны перекатывания происходит без образования промежуточных углублений и приводит к постепенному сглаживанию параболической неровности вплоть до ее полного спрямления.
Второй этап характеризуется образованием углубления в наиболее изнашиваемой зоне за счет дальнейшего износа сердечника 2 и усовиков 1. Второй этап работы крестовины идентичен процессу износа крестовины без возвышений.
Нам не известны технические решения, в которых устранение волнообразного износа крестовин с запасом металла на износ обеспечивается посредством выполнения плавного сопряжения продольного профиля участка возвышений с передним и задним вылетами крестовины.