Рельсовый стык
RAIL JOINT

Изобретение относится к рельсовым стыковым соединениям и может быть использовано на рельсовом транспорте, преимущественно железнодорожном.
Под рельсовым стыком понимается место соединения двух рельсов на железной дороге.
Классический стык включает в себя два рельса, соединяемые друг с другом путем торцевого стыка с образованием зазора для свободного удлинения рельсов при изменении температуры. Рельсы удерживает от сдвига металлические пластины, прижимаемые к рельсам болтами с двух сторон [В.Б. Каменский, Л.Д. Горбов. Справочник дорожного мастера и бригадира пути // М.: Транспорт, 1985 г. 487 с. С. 155].
Основными недостатками классического стыка являются: износ концов рельса (головок); большая вероятность возникновения выплесков пути, обусловленная конструкцией стыка; нестабильный электрический контакт; необходимость сезонной смены уравнительных рельсов.
Известен рельсовый стык конструкции Л.Н. Буркова [патент на изобретение РФ № 2336385, опубл. 20.10.2008], в котором 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 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.
Недостатками известной конструкции являются: низкая прочность на изгиб из-за отсутствия усиления в районе стыка; низкая прочность посадочных отверстий под болты из-за значительного утонения одной из ответных частей стыка, вызванное вырождением заостренной части конца рельса в ноль; отсутствие качественного электрического контакта.
Известен безударный рельсовый стык [патент на изобретение РФ № 2492285, опубл. 10.09.2013], который содержит примыкающие друг к другу концы рельсов, связанные между собой болтовыми соединениями. Стыкуемые рельсы оснащены наконечниками с усиленной до ширины головки шейкой и взаимно проникающими пазами и выступами. Ширина каждого из пазов и выступов обоих наконечников составляет одну треть ширины головки, а глубина - две трети высоты рельса. Пазы и выступы обоих наконечников выполнены с возможностью образования комплементарных пар. А между торцами пазов и выступов обоих наконечников образованы четыре несовпадающих по вертикали друг с другом термокомпенсационных зазора, три из которых расположены на головке рельса, а четвертый - на его подошве.
Недостатком известной конструкции является сложность конструкции, а также существенное увеличение материалоемкости. Кроме того, отсутствие усиления для увеличения прочности на изгиб, как и в предыдущем аналоге.
Техническим результатом заявляемого рельсового стыка является устранение указанных недостатков аналогов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявляемый рельсовый стык включает
два соединяемых между собой рельса,
каждый рельс состоит из подошвы, шейки и головки,
в концевой части подошвы и шейки каждого рельса выполнен осевой продольный вертикальный разрез, образующий на каждом рельсе в месте стыка вертикальную поверхность контакта,
а в соответствующей части головки каждого рельса на длину продольного разреза шейки выполнен вертикальный разрез под углом к продольной оси рельса с образованием наружной и внутренней опорных горизонтальных поверхностей, симметричных у обоих рельсов,
причем наружная поверхность первого рельса предназначена для опоры на нее сверху второго рельса посредством его внутренней поверхности, а наружная поверхность второго рельса предназначена для опоры на нее сверху первого рельса посредством его внутренней поверхности,
при этом в шейке одного рельса выполнены сквозные отверстия, а на шейке второго рельса соответственно упомянутым отверстиям установлены шпильки, выполненные с возможностью прохода через отверстия при соединении двух рельс и зафиксированные с помощью шайб и гаек.
Возможен вариант, при котором с обратной стороны от стыкуемой поверхности на рельсах образованы ребра жесткости.
Возможен еще вариант, при котором разрезы рельсов выполнены на наконечниках, изготовленных отдельно от рельсов и затем соединенных с ними.
Таким образом, благодаря указанному симметричному выполнению разрезов каждого из стыкуемых рельсов и образованию комплементарной пары рельс, удалось получить надежный стык, обеспечивающий необходимую вертикальную поверхность для стабильного электрического контакта. Одновременно с этим благодаря отсутствию полного вырождения заостренной части конца рельса в ноль повышена прочность, уменьшен износ концов рельса. Кроме того, вертикальный разрез головки рельса под углом устраняет ударно-динамическое воздействие и необходимость сезонной замены уравнительных рельсов.
Сущность заявленного технического решения раскрывается с помощью фигур и нижеследующего описания.
На Фиг. 1 представлен общий вид рельсового стыка.
На Фиг. 2 представлен вид снизу рельса 1.
На Фиг. 3 представлен вид снизу рельса 2.
На Фиг. 4 представлена разнесенная сборка рельсового стыка.
На Фиг. 5 представлен вид на обратную сторону рельсового стыка, изображенного на Фиг. 1.
На Фиг. 6 представлен вариант размещения рельсового стыка на шпалах.
На Фиг. 7 представлен общий вид варианта рельсового стыка для кривых участков.
На Фиг. 8 представлена разнесенная сборка рельсового стыка, изображенного на Фиг. 7.
На Фиг. 9 представлен условный вид на рельс 1 по стрелке А с Фиг. 8.
На Фиг. 10 представлен вид на внутреннюю сторону рельса 2 с Фиг. 7.
Рельсовый стык (Фиг. 1-10) включает два соединяемых между собой рельса 1 и 2, соответственно. Каждый рельс 1 и 2 состоит, соответственно, из подошвы 3, 4, шейки 5, 6 и головки 7, 8.
В концевой части подошвы 3, 4 и шейки 5, 6 каждого рельса 1, 2 выполнен осевой продольный вертикальный разрез, образующий на каждом рельсе 1, 2 в месте стыка вертикальную поверхность 9, 10 контакта, соответственно. Длина разреза определяется в зависимости от достижения необходимого прижимного усилия между поверхностями контактов двух стыкуемых рельс 1, 2, а также для прочности и сохранения целостности рельсового стыка. Диапазон длины разреза может составлять 500-900 мм.
В соответствующей продольному вертикальному разрезу части головки 7, 8 каждого рельса 1, 2 на длину продольного разреза шейки 5, 6 выполнен вертикальный разрез под углом к продольной оси рельса 1, 2 с образованием наружных опорных горизонтальных поверхностей 11, 12 и внутренних опорных горизонтальных поверхностей 13, 14, симметричных у обоих рельсов 1, 2.
Причем наружная поверхность 11 рельса 1 предназначена для опоры на нее сверху рельса 2 посредством его внутренней поверхности 14, а внутренняя поверхность 13 рельса 1 предназначена для опоры посредством нее рельса 1 на наружную поверхность 12 рельса 2.
При этом в шейке 5 рельса 1 выполнены сквозные отверстия 15, а на шейке 6 рельса 2 соответственно упомянутым отверстиям 15 установлены шпильки 16, например, приварены. Отверстия 15 выполнены продолговатой формы для обеспечения возможности свободного хода концов рельсов 1, 2 вдоль оси пути. Длина шпильки 16 выбрана в зависимости от обеспечения возможности ее сквозного прохождения сквозь шейку 5 и должна быть достаточна для фиксирования соединения с помощью крепежных изделий. Количество отверстий 15 и шпилек 16 так же, как и длина разреза шейки определяется в зависимости от достижения необходимого прижимного усилия между поверхностями контактов двух стыкуемых рельс 1, 2, а также для прочности и сохранения целостности рельсового стыка. Обычно достаточно двух болтовых соединений. Для обеспечения свободного хода концов рельса относительно друг друга порядка 60 мм необходим косой срез головки рельса под углом порядка 1:10.
Шпильки 16 выполнены с возможностью прохода через отверстия 15 при соединении двух рельс 1, 2 и зафиксированные с помощью шайб 17, 18 и гаек 19. Шайбы 17 могут иметь продолговатую форму, соответствующую форме отверстий 15 и размер, перекрывающий размер отверстий 15, для защиты поверхностей 9, 10 контакта от влаги и грязи.
Поверхность шайбы 17, прилегающая к рельсу повторяет поверхность шейки рельса. На прилегающей к рельсу поверхности шайбы 17 образованы фаски. Такие фаски не дают шайбам 17 перекашиваться при движении рельсов друг относительно друга вследствие температурных деформаций рельсов. Для уменьшения сил трения шайбы 17 о шейку рельса на поверхность шайбы 17 может быть нанесено покрытие. Полость, образованную продолговатым отверстием под шайбой 17, может быть заполнена токопроводящей или другой защитной антикоррозийной смазкой. Агрегатное состояние смазки – гель или паста. Это для того, чтобы дать возможность шпильке 16 свободного хода внутри продолговатого отверстия 15.
С обратной стороны от стыкуемой поверхности на рельсах 1, 2 могут быть образованы ребра 20, 21 жесткости, соответственно, приваренные к телу рельса или изначально отлитые вместе с рельсом, возможен вариант их образования методом штамповки. При этом ребра 21 жесткости дополнительно усиливают посадочное место шпилек 16, поэтому могут быть выполнены крупнее, чем ребра 20 жесткости, их количество зависит от количества шпилек 16.
Увеличить прочность разрезанной вдоль шейки 5, 6 возможно с помощью утолщения половинок шейки 5, 6 до размеров несколько больших размеров стандартной шейки 5, 6, примерно на 2-5 мм.
Поверхность 9, 10 контакта тщательно шлифуется для того, чтобы максимально улучшить качество контакта и увеличить срок службы стыка, она может быть приподнята на некоторую высоту (порядка пары мм) над остальной поверхностью продольного разреза. Это сделано по нескольким причинам. Ввиду того, что к продольному разрезу в двух местах под прямым углом примыкают другие элементы рельса 1, 2, технологически будет очень сложно качественно отшлифовать всю поверхность продольного разреза из-за ограниченного доступа инструментом. А малейший бугорок на поверхности контактов приведет к неплотному примыканию контактных плоскостей друг к другу, что негативно скажется на качестве контакта, как в плане электропроводности, так и в плане надежности и срока службы. Выделенная же поверхность контактов позволяет легко подобраться к ней инструментом и качественно отшлифовать. Кроме того, в ситуации, когда рельсы сжимаются под действием низких температур, стык расходится и образуются щели и пазухи, через которые у пыли, грязи, атмосферной влаги и воздуха есть возможность проникнуть непосредственно к поверхностям контактов. Выделение поверхности 9, 10 контакта позволяет этого избежать. При этом оставшаяся полость 22 может быть заполнена графитовым напылением или прокладкой 23. Таким образом, ни влага, ни воздух, ни пыль не будут иметь возможности проникнуть к поверхности 9, 10 контактов ни при каких условиях.
Заявляемый рельсовый стык может быть реализован на концевых частях целых рельс или же на специально подготовленных наконечниках, которые затем привариваются к основным рельсам для их стыковки. Наконечники предпочтительнее изготавливать отдельно с тем, чтобы потом приваривать их к рельсовым плетям или рельсам. Возможно изготавливать наконечники как методом отливки, так и штамповкой.
Ввиду того что, в отличие от типового висячего стыка у заявляемого стыка отсутствуют двухголовые накладки, которые в стянутом болтами состоянии представляют из себя мощную сборную стальную балку, под заявляемый стык необходимо прочное основание 24, для исключения возможности прогиба стыка и исключения таким образом существенных нагрузок элементов стыка на изгиб, а болтов (шпилек) на срез. На Фиг. 6 представлен один из вариантов такого основания. Основание 24 на Фиг. 6 выполнено с возможностью унификации с типовой рельсошпальной решеткой 25, т.е. с использованием типовых креплений и их элементов.
Возможен вариант, при котором заявляемый стык вместо основания 24 можно уложить на сдвоенные шпалы (на чертеже не показано).
Между подошвой 3, 4 рельса 1, 2 и элементами 26 крепления рельсов 1, 2 к основанию 24 расположены прокладки 27, удлиненные до размеров основания 24.
Имеется вариант конструкции рельсового стыка для кривых участков (Фиг. 7-10), заключающийся в том, что на конце рельса 1 в его шейке 5 выполнен выступ 28, включающий нижнюю часть головки 7, с образованной на ней опорной поверхности 29. При этом соответственно выступу 28 на части шейки 6 и головки 8 рельса 2 выполнено углубление 30.
Основное предназначение выступа 28 – создать упор для прижимающегося к головке рельса гребня колеса. С таким упором гребень уже не всползет на рельс при полностью разошедшемся в холодное время года стыке. В месте сочленения выступа 28 и основного тела рельса 1, 2 может быть выполнена канавка 31, предназначенная для того, чтобы внутри полости не создавался эффект поршня. По канавке 31 воздух, конденсат и пр. смогут свободно выходить из образующейся полости наружу, создавая естественную вентиляцию. Рядом с углублением 30 на шейке 6 может быть образован упор 32 для выступа 28 на тот случай, когда стык полностью разошелся.
Как было указано выше, из-за отсутствия в представленной конструкции стыка мощной сборной стальной балки, необходимо усиление стыка. Помимо усиления ребрами жесткости, возможно усилить за счет утолщения шейки. На Фиг. 7-8 представлен компромиссный вариант усиления наконечника. Усиление конструкции достигается за счет нескольких небольших ребер 33 жесткости, рамки 34, и планки 35. Перечисленные элементы (33-35) в совокупности составляют единый узел, выполняющий сразу несколько функций: в собранном виде рамка 34 и планка 35 представляют из себя утолщение шейки наконечника; ребра 33 жесткости усиливают соединение головки 2 с рамкой 34; планка 35 одновременно является и усилением шейки 5 и выполняет функции шайб 17, одновременно защищая от доступа пыли, грязи и влаги к контактным поверхностям 9, 10 через отверстия 15.
Выступ 28 выполняет свое предназначение на всем сроке службы рельса в кривой. На внутренней нити при этом имеется точно такой же стык, выступ которого сориентирован на внешнюю сторону колеи. Получается, что весь срок службы рельса на внутренней нити выступ не работает. Однако широко распространена практика смены рельсов внешней и внутренней нити местами. Дело в том, что в кривых по внешней нити идет боковой износ головки рельса от контакта с гребнем колес, а по внутренней нити – вертикальный. При значительном износе рельсы внешней и внутренней нити меняют местами, т.к. изношенные части головок после смены практически не контактируют с колесами, и рельсы снова можно использовать некоторое время, что дает существенную экономию. Когда стык с изношенным выступом попадает после смены на внутреннюю нить, то, во-первых, нет контакта колес с изношенным выступом, а во-вторых, на внутренней нити гребни колес не прижимаются к головке, и выступ на другой стороне стыка уже не нужен. Таким образом, даже учитывая практику смены рельсов в кривых местами, нет нужды оснащать стык выступами с обеих сторон.
Ввиду того, что геометрия стыкуемых рельсов такова, что соединить их вместе, можно подводя один рельс к другому только сбоку, существует два варианта стыковки рельсовых плетей.
Вариант 1 - для плетей с уже приваренными наконечниками: ослабить все крепления стыкуемых плетей к шпалам для снятия температурного напряжения; освободить крепления стыкуемых концов к шпалам для возможности подъема концов плетей; приподнять концы плетей подъемным механизмом на небольшую высоту (20-40 см) таким образом, чтобы концы стыкуемых плетей оставались в одной плоскости, но располагались параллельно; соединить наконечники, подводя один к другому сбоку; наживить шайбы 17 и гайки 19; опустить концы плетей; зафиксировать должным образом крепления плетей к шпалам; затянуть гайки 19 болтовых соединений стыка.
Вариант 2 - для плетей без наконечников, а также с уже приваренными наконечниками: соединить два наконечника отдельно (наживить шайбы и гайки); ослабить все крепления стыкуемых плетей к шпалам для снятия температурного напряжения; освободить крепления концов плетей; вырезать подлежащий замене стык целиком; поместить на место вырезанного стыка состыкованные наконечники; приварить наконечники к обрезанным концам плетей; зафиксировать должным образом крепления плетей к шпалам; затянуть гайки 19 болтовых соединений стыка.
Для стыковки плетей через уравнительные рельсы, а также для стыковки отдельных рельсов способы стыковки аналогичны.