Способ автоматической компенсации температурных перемещений бесстыкового рельсового пути
METHOD FOR AUTOMATIC COMPENSATION OF TEMPERATURE DISPLACEMENTS OF A CONTINUOUS RAIL TRACK

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности, к рельсовым стыкам скоростных магистралей, содержащих блок компенсации температурных перемещении длинных плетей и нитей без стыкового пути, состыкованные с зазором рельсы, боковые накладки, болтовые соединения, вкладыши.
Известно стыковое соединение, содержащее удлиненную стыковую накладку, закрепленную на ней стыковую вставку с зазорами с обеих сторон между торцами рельсов и стыковой вставкой [1].
Недостатком стыкового соединения являются ограниченные возможности компенсации многокилометровых без стыковых рельсовых нитей и плетей, поскольку величина компенсируемого зазора в стыке только удваивается при значительно больших температурных деформациях длинных рельсовых плетей и нитей.
Известен блок компенсации рельсового стыка железнодорожного пути, принятый за прототип, содержащий состыкованные с зазором рельсы, торцы которых симметричны относительно линии стыковки, косо срезаны под углом 60°, соединены болтовыми накладками с установленными в зазоре вкладышами, которые закреплены с возможностью их возвратно-поступательного движения относительно угла среза рельсов с приводом от кинематической шарнирно-рычажной системы [2].
Недостатком прототипа являются сложная кинематическая цепь, включающая набор малогабаритных деталей, снижающих надежность и безопасность эксплуатации подвижного состава.
Другим недостатком является ограниченные возможности размеров компенсации и незначительная длина между блоками компенсации стыков (до 33 метров), обеспечивающая непрерывность рельсовой нити.
Общим недостатком многих технических решений рассматриваемого направления является необходимость устранения последствий, возникающих от удара колес о рельсы в зоне стыков, вызывающих разрушение головки, усталостное выкрашивание шеек, угон, увод, разрыв рельсов, износ пути и колес, снижение тяги поездов, а не устранение причин их появления.
Основными же причинами разрушения стыковых соединений является недостаточность костыльных, погонных, стыковых сопротивлений, необходимость частого размещения уравнительных пролетов, неоднократная сезонная замена укороченных и удлиненных рельсов, перезакрепление, регулировка зазоров, постоянный контроль за их состоянием и содержание огромного штата обслуживающего персонала по всей сети дорог [3, 4].
Целью изобретения является автоматическое устранение влияния зазоров на переходных участках бесстыкового рельсового пути на динамику движения подвижного состава, уменьшение потерь на тягу, вероятности угона, выброса пути, разрыва рельсов, уменьшения, ударных нагрузок в стыках, износа колес и рельсов.
Указанная цель достигается использованием способа автоматической компенсации температурных перемещений бесстыкового рельсового пути, включающего рельсовые нити, блоки компенсации стыковых зазоров, уравнительные пролеты, болтовые соединения, шпалы, скрепления, отличающийся тем, что в вырезку рельсовых нитей с обеих сторон и торцов вваривают навстречу друг другу остряковые рельсы с углом рабочих граней от 2 до 30°, которые направляют на внешнюю сторону пути, а велечину зазора между остриями устанавливают в пределах от 1 до 500 мм, в зависимости от угла и длины остряковых рельс, температуры окружающей среды на момент монтажа и ее колебаний, длины бесстыковых нитей, величины компенсируемых зазоров, а на остряковые рельсы на уровне поверхности катания устанавливают с перекрытием длины вырезки, сдвоенную симметричную остряковую платформу с ответной формой прилегающих рабочих граней, при этом остряковые рельсы закрепляют неподвижно на шпальной решетке с возможностью осевого перемещения, а остряковую платформу фиксируют от осевых перемещений пружинными упорами, которые вваривают в неподвижно закрепленный с наружной стороны пути на шпальной решетке рельсовый уголок обеспечивают, при этом ее возвратно-поступательное поперечное перемещение с постоянным прижатием рабочих граней к рабочим граням остряковых рельсов при их расклинивающем действии от температурных перемещений, а при компенсации осевых зазоров более 100-300 мм на остряковой платформе выполняют вырезку части поверхности выходящей за пределы внутренней рабочей грани рельсов, препятствующей прохождению гребней колес, а при увеличении компенсируемых зазоров более 300-500 мм в указанную вырезку устанавливают и закрепляют сезонные вставки, закрывают образующееся не закрытое пространство на поверхности катания, размеры которого определяют по величине угла остряковых рельс, сезонных температурных перемещений, а при компенсации зазоров более 500 мм, в начале сезонного понижения температуры в отрицательную область, в пролетах рельсовых нитей перед сварными швами остряковых рельс устанавливают удлиненные уравнительные рельсы выбирают, при этом полностью зазор между торцами остряковых рельсов, а при повышении температуры в положительную область устанавливают укороченные рельсы с максимальным зазором между торцами до 500 мм, увеличивают при этом возможности температурной компенсации бесстыковьтх рельсовых нитей и плетей в неограниченном диапазоне изменения температур, длины пути и величины зазоров.
Сокращения, принятые в описании изобретения: ОР - остряковый рельс; ОП - остряковая платформа.
На фиг, 1 показан общий вид сбоку на блок компенсатора.
На фиг. 2 показан вид сверху на рельсовый путь.
На фиг. 3 показан разрез в сечении А-А.
На фиг. 4 показана схема распределения осевых и поперечных зазоров при температурных перемещениях ОР и ОП (вид по стрелке А на правый рельс).
На фиг. 5 показана схема заделки ОР и ОП относительно рельсошпальной решетки (вид по стрелке А на левый рельс).
На фиг. 6 показана врезка сезонных вставок в левую ОП.
На фиг 7 показан разрез В-В.
Устройство для осуществления способа состоит из следующих основных деталей: рельсовая нить 1, сварной шов 2, контр-рельс 3, остряковый рельс (ОР) 4, остряковая платформа (ОП) 5, рельсовый уголок 6, пружинный упор 7 (фиг. 1, 2), тарельчатые пружины 8, гайка 9, подкладка 10, накладка 11. шпилька 12, закладные болты 13 (фиг. 3), сезонные вставки 14, 15, набор прокладок 16, крепежные болты 17, колесо 18 фиг. 6, уравнительный рельс 19, блок программного управления (БПУ) 20, блок стыкового компенсатора 21, датчика температуры окружающей среды и рельс 22, конечного переключателя 23, датчика движения и положения 24, тензометрического датчика напряжений 25 (фиг. 1, 2).
Линия проводов 1 и 2 связывает датчик движения и положения с БПУ 20,
3, 4 - конечный переключатель 23,
5, 6 - тензометрический датчик напряжений 25,
7, 8 - блок стыкового компенсатора 21,
9, 10 - датчик температуры рельсов,
11, 12 - датчик температуры окружающей среды.
Посредством устройства способ осуществляется следующим образом. В вырезку бесстыкового рельсового пути 1 вваривают сварными швами 2 ОР 4 с обеих сторон пути остриями навстречу друг к другу, рабочие грани которых направляют на внешнюю сторону пути (фиг 2).
ОР в зависимости от длины рельсовых нитей и величины компенсируемых зазоров выбираются в пределах всей гаммы углов ОР, выпускаемых промышленностью, от 2° до 30°.
После сварки ОР 4 закрепляют на шпальной решетке неподвижно в поперечном направлении на подкладке 10 накладками 11 с затяжкой закладных болтов 13 (фиг. 3), сохраняя при этом возможность осевого перемещения с заниженным сдвиговым сопротивлением для избежания уводов пути в зоне блока компенсации. Схема закрепления ОР 4 показана на фиг. 3, 5.
С внутренней стороны рельсового пути устанавливают контррельсы 3 с усиками с перекрытием длины вырезки рельсовой нити 1 для обеспечения плавного входа и выхода колес подвижного состава в зону блока компенсатора (фиг. 2).
С наружной стороны пути устанавливают рельсовый уголок 6, который закрепляют неподвижно в осевом и поперечном направлении на шпальной решетке. Схематично заделка уголка 6 показана на фиг. 2, 5. Для повышения жесткости крепления элементов компенсирующего блока устанавливается подкладка 10 (фиг. 3). Для более жесткой фиксации контррельсов, рельсового уголка, ОР возможна установка вместо подкладки 10 общего подрельсового основания, объединяющего в единое целое конструкцию компенсирующего блока.
Сверху на ОР с обеих сторон пути устанавливают симметричную двухстороннюю ОП 5 (фиг. 2, 3), рабочие грани остряков которой, выполнены сопрягаемыми (эквидистантными) с рабочими гранями ОР 4. Утоненные концы ОП направлены противоположно друг от друга. Поверхность катания ОП при сопряжении с ОР формирует единый профиль катания с рельсами, который располагается на одном уровне с ними (фиг. 3). Ширина ОП (фиг. 5) вписывается в двойную ширину рельсов. Длина вдоль нити равняется сумме двух вваренных ОР с прибавленным компенсируемым зазором (фиг. 4, 5 линейный размер дан для остряковых рельсов 1/22). При установке остряковых рельс с другими углами размеры меняются. Пружины 8 пружинных упоров 7 прижимают рабочие грани ОП 5 к граням ОР 4 закрепленного неподвижно от поперечных перемещений на рельсощпальной решетке (рельсошпальная решетка условно не показана).
0
0
п
0
0
п
0
0
п
п
При продольном перемещении и расположении торцов АС острия ОР 4 на нулевой линии 0-0 они обозначены буквами А, С (фиг. 4, рис. а, б, с, d, е, а точка выходящая за внутреннюю рабочую грань рельс на линии О-О обозначена буквой Ап фиг. 4, рис. с, d, е. Положение точек А, А, С, (фиг. 4, рис c, d, e) и точки Е (фиг. 5) при поперечном смещении ОП обозначено буквами А', А', С', Е'. Смещение точки А в положение А' равно зазору С (фиг. 3, 5) и находится в пределах 1-10 мм при компенсации осевых зазоров до 500 мм при установке ОР 1/22. Колесо поз. 18 показывает относительное положение при входе его на ОР и далее на ОП (фиг. 4, 5, 6).
ОП закрепляется неподвижно в осевом направлении за счет пружинных упоров 7, вваренных в отверстие неподвижно закрепленного на шпальной решетке рельсового уголка 6. В пружинных упорах размещены тарельчатые пружины 8 большой жесткости с регулируемым усилием прижатия гайкой 9 рабочих граней ОП к рабочим граням ОР (Фиг 3). Пружинные упоры 7 входят в кольцевые проточки на корпусе ОП 5, препятствуют ее осевому смещению, обеспечивая поперечное возвратно-поступательное перемещение.
Центрирование тарельчатых пружин осуществляется по внутреннему диаметру на шпильке 12 относительно корпуса ОП ограничивающей совместно с корпусом пружинного упора возможность осевого перемещения. Шпилька 12 с пружинным возвратом является одновременно упором для переключения положения концевого переключателя 23 и подвижным элементом датчика движения 24.
Усилия прижатия рабочих граней ОП к ОР регулируемое гайкой 9, определяются из условия обеспечения их неотрывного контакта. Движущей силой автоматических поперечных перемещений ОП по стрелке Б (фиг. 2), компенсирующих поперечные и осевые зазоры, являются осевые температурные перемещения рабочих граней ОР, движущихся по стрелке А. На сопряженных рабочих гранях реализуется расклинивающий эффект, сдвигающий ОП в поперечном направлении при удлинении рельсов в процессе нагрева и укорочении их при охлаждении (состояние осевых зазоров и перемещений ОР и ОП стрелками А и Б показано на схеме фиг. 4, рис. а).
o
o
o
o
При укорочении рельсов (при достижении, максимальных отрицательных температур) ОР расходятся по стрелке А. ОП-мы размещенные с наружной стороны пути автоматически сближаются с обеих сторон по стрелке Б фиг. 2, 3 за счет усилий пружин 8, перекрывая осевые и поперечные зазоры в обеих рельсовых нитях, не нарушая контакта между рабочими гранями остряков и сплошность поверхности катания рельс. Перед торцами острия ОР при принятых исходных зазорах до 500 мм образуются поверхности, очерченные Δ AAC, (фиг. 4. рис. b, с, д, е, Δ AACC, на рис. 4а (поверхности заштрихованы двойной штриховкой) с постоянным значением малого катета, равного толщине острия ОР (порядка 1-5 мм). По мере уменьшения зазора катет АС перемещается к нулевой линии, площадь Δ AAC по мере роста температур заполняется ОР, постепенно уменьшаясь исчезает. Линия сопряжение рабочих граней ОР и ОП при этом смещается на внешнюю сторону пути на величину зазора С (фиг. 3, 4, рис. а).
При компенсации зазоров более 300 мм на примере ОР 1/22 (вершина тупого угла ОП, точка Ап, она же пересечение рабочих граней) начинает выходить за пределами точки N за внутреннюю рабочую грань ОР, образуя перед точкой N Δ NAoAп (фиг. 4 с, д, е) перекрывая путь движению ребордам колесных пар, что требует удаления этой части металла. На фиг. 4 c,d,e показана площадь удаляемого металла Д NAoAп, обозначенная горизонтальной штриховкой. Все ссылки, размеры удаляемой площади приведенные в описании, зависят от геометрии используемых остряковых рельс, их длины, компенсируемых зазоров, показаны на примере использования ОР 1/22
o
o
o
o
о
При уменьшении компенсируемых зазоров ниже тачки N точки А и С займут положение A, C, точка Ап сместится в точку Ап', а C - в точку С' (максимум смещения показан на фиг. 4е). Срезанная площадь Δ NAoAп при выходе точки N на линию О-О постепенно уменьшается, исчезая на нулевой лини, и занимает положение Δ NAп'C'. фиг. 4е. Указанная площадь треугольника при движении ОП по стрелке Б остается не закрытой на поверхности катания (площадь обозначена наклонной штриховкой). Малый катет ее равен толщине острия ОР (1-5 мм).
При поперечных перемещениях ОП по стрелке Б фиг. 3, 4, связанных с температурным перемещением ОР по стрелке А и изменением осевого зазора (зазор С меняется от 10 до 1 мм, фиг. 3). На разрезе А-А показано сечение на ОР при положительных температурах при выбранном зазоре Е фиг. 2 до соприкосновения торцов ОР. Изменение зазора С в пределах 1-10 мм не оказывает влияния на прохождение колес по составной поверхности катания остряков ОР и ОП. Указанный зазор меняется при температурном движении ОР (фиг. 3, 4 по стрелке А, без нарушения контакта рабочих граней основной части ОР и ОП.
При осевых зазорах между рельсами длиной более 500 мм и минимальном уклоне серийно выпускаемого остряка, например, 1:22 необходимо ограничить допускаемые значения осевых и поперечных зазоров, остающихся не закрытыми (в местах отсутствия сплошного контакта между колесом и рельсом с площадью Δ NAп'C'o фиг. 4, рис. е), скорость движения, увеличить стыковые сопротивления уменьшающие величину локальной подвижки свободных концов стыкуемых рельсов. С этой целью возможна установка стыковых рельсовых соединений на подвижных концевых участках длиной 150-300 метров, оснащенных блоками стыковых компенсаторов 21 обеспечивающих автоматическое регулирование стыковых сопротивлений (заявка №.2017141329 от 27.11.2017, отд. №17).
В ординарном исполнении длина компенсируемых осевых зазоров находится в пределах до 500 мм. При поперечном ходе ОП (1-10 мм, зазор С фиг. 3, 4) возможна компенсация зазоров рельсовых нитей бесстыкового пути длинной в десятки километров.
о
При необходимости компенсации зазоров более 300-500 мм возможно использование сезонных вставок 14, 15, закрепляемых винтами 17 к ОП (фиг. 6, 7), заполняющих пространство между гранями, образующееся с правой стороны ОР (наклонная штриховка, максимальная площадь Δ NAп'C, фиг. 4, рис. е). На разрезе В-В фиг. 6, 7 показана установка сезонной вставки 15.
Геометрия вставок и их длина определяются предельным положением ОР 4 (фиг. 6), В пределах зазоров до 500 мм могут использоваться короткие сезонные вставки 15, более 500 мм - удлиненные сезонные вставки 14. При сезонных температурных перемещениях торцов ОР приближающихся к торцам вставок (зазора h фиг. 6) сезонная вставка заменяется. Колеса беспрепятственно проходят по поверхности ОП и вставок. Сечения 0-0,  показывают границы допустимых температурных перемещений для соответствующей сезонной вставки.. При автоматизации датчик движения 24 и конечные переключатели 23 фиксирующие предельные положения ОП и ОР включают аварийный сигнал на замену вставок.
При необходимости компенсации осевых зазоров много более 500 мм (например, до и более метра) с сохранением предлагаемого способа компенсации необходимо использовать сезонные рельсовые вставки 19 фиг. 1. Для этого в пролетах между ближайшими стыками в рельсовую нить 1 перед сварными швами 2 (фиг. 2), при сезонном понижении температуры в отрицательную область устанавливают удлиненные рельсы 19 выбирая полностью осевой зазор Е между торцами ОР 4 (фиг. 1, 2). При сезонном переходе температуры в положительную область устанавливают укороченные рельсы с установкой максимального зазора Е до 500 мм, обеспечивая таким образом, не ограниченную температурную компенсацию в широком диапазоне температур и длин бесстыковых рельсовых нитей.
Предлагаемая система компенсации температурных перемещений работает в автоматическом режиме без участия обслуживающего персонала. Для управления уровнем перемещений и напряжений в рельсах конечные переключатели 23 (фиг. 3) при крайних положениях ОП включают блок БПУ 20. Блок БПУ считывает показания датчиков температуры окружающей среды и рельс 22, датчиков направления движения, положения ОП и ОР 24, тензодатчика 25 и в соответствии с программой подает сигнал на управление стыковыми компенсаторами 21. Для этих целей предусматривается сборка подвижных концевых участков рельсов длиной 150-300 метров со стыковыми компенсаторами 21 регулирующими стыковое сопротивление и напряженно-деформационное состояние рельсов, обеспечивающих консервацию и взаимодействие определенной доли растягивающих и сжимающих температурных напряжений, исключающих аварийные проявления в виде выбросов пути, угона, разрушения соединений [5].
Эксплуатация рельсового пути представляет одну из сложнейших дорогостоящих технических проблем, связанных с постоянным контролем и поддержанием стыковых зазоров в установленных пределах. Контролем уровня напряжений растяжения и сжатия в рельсах, уровня затяжки закладных и стыковых болтов, неоднократной сезонной постановкой и заменой уравнительных пролетов, мониторингом смещения рельс, профилактикой выбросов, угонов, упреждением постоянной угрозы аварийных ситуации, требующих содержания огромного штата обслуживающего персонала.
Стоимость обслуживания верхнего строения пути составляют 40% от общих затрат на его содержание.
Внедрение предлагаемого изобретения открывает возможность автоматизации сложных дорогостоящих и опасных процессов, не допускающих субъективных и спонтанных решений. Разработка предлагаемого комплекса мероприятий и внедрение компактных узлов компенсации по предлагаемому способу, позволит использовать их для установки в местах концентрации аварийных проявлений, выявленных в процессе многолетней эксплуатации. Упредить вероятность случайных аварий, сосредоточить и автоматизировать узлы управления зазорами и напряженным состоянием в рельсах в одном месте. Использование сезонных вставок 14, 15, блоков стыковых компенсаторов 21. уравнительных пролетов позволит значительно увеличить возможности температурной компенсации бесстыкового рельсового пути в неограниченном диапазоне изменения температур, длины пути с промежутками в несколько десятков километров, повысить надежность и безопасность скоростного движения.
Литература
1. Патент №2374376 С1 МПК Е01В 11/32 от 28,03.2008.
2. Патент №2254408 С2 МПК Е01В 11/32 от 11.11.2002.
3. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути. МПС России. М.: Транспорт, 2000. 223 с.
4. Бесстыковой путь. Москва «Транспорт» 2000.
5. 3аявка №.2017141329 от 27.11.2017, отд. №17.