ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
RAILROAD AND METHOD OF ITS OPERATION (VERSIONS)

Изобретение относится к устройству железной дороги и может быть использовано при строительстве и ремонте железнодорожных и трамвайных путей, метрополитена, аттракционов.
Известна железная дорога, содержащая состыкованные с зазором рельсы (а.с. СССР 998624, Е01В 2/00, Бюл. №7, опубл. 23.02.83).
Ее недостатком является повышенный расход энергии при движении транспортных средств на наклонных участках железной дороги, связанный с подъемом, с необходимостью в области зазора резко, с более сильным (по сравнению с горизонтальным участком дороги) ударом о торец принимающего (последующего) рельса переходить с одного горизонтального уровня на более высокий, с отдающего (предыдущего) рельса на принимающий (последующий) рельс, торец которого находится выше торца предыдущего рельса. При этом повышенные ударные нагрузки испытываются как торцами рельсов, так и колесами транспортных средств, что приводит к быстрому износу рельсов и колес транспортных средств. Возникает более сильный стук колес о торцы вышерасположенных рельсов, что создает дополнительные звуковые ударные нагрузки на пассажиров и окружающую среду.
При прохождении зазора колесо транспортного средства испытывает знакопеременные вертикальные ускорения, сначала проседает в зазоре (движение вниз), а затем вновь поднимается (движение вверх) и занимает более высокое положение на поверхности катания рельса. При этом наивысшие ударные нагрузки приходятся на головку рельса в области пересечения торца с поверхностью катания рельса.
Указанная железная дорога является ближайшим аналогом предлагаемого изобретения.
Технический результат изобретения заключается в снижении энергозатрат при движении транспортных средств на наклонных участках с подъемом, уменьшении ударных нагрузок и шума, воздействующего на окружающую среду, повышение комфортности и удобства пассажиров, увеличение сроков эксплуатации железной дороги, трамваев, подвижного железнодорожного состава, вагонов метро, аттракционов.
Технический результат достигается за счет того, что на железной дороге, содержащей две направляющие рельсовые колеи, образованные состыкованными с зазором рельсами, и, как минимум, один наклонный участок с подъемом, на наклонном участке торцы, по меньшей мере, большинства последующих (принимающих) рельсов выполнены со смещением h в сторону основания (полотна) дороги по сравнению с торцами предыдущих (отдающих) рельсов, находящихся в том же зазоре, при этом h>0.
На фиг.1 показана железная дорога, вид сверху; на фиг.2 - участок колеи со стыком, вид сбоку.
Железная дорога содержит рельсовые колеи 1 и 2, образованные, в том числе, состыкованными с зазором 3 рельсами 4 и 5 и установленными на основании или, что то же самое, полотне железной дороги, находящиеся под углом α к горизонтальной плоскости.
Торец рельса 4, находящийся в зазоре 3, выполнен на величину h дальше от основания дороги или выше на величину k, чем находящийся в том же зазоре торец рельса 5. При этом h=m·tgα, k=m·sinα, где m - наибольшая величина зазора (теплового).
Данное условие обеспечивает, по меньшей мере, более плавный накат колеса транспортного средства, движущегося по отдающему (предыдущему) рельсу 4 через зазор 3 на принимающий (последующий) рельс 5. Пунктирной линией показан рельс железной дороги, взятый за прототип.
Смещение торцов принимающих рельсов по сравнению с торцами отдающих рельсов на величину h, при этом h=m·tgα, гарантирует условия прохождения зазора, аналогичные условиям прохождения зазора колесами транспортного средства на горизонтальном участке колеи, а h>m·tgα уменьшает или полностью исключает продольную составляющую силы удара колеса транспортного средства о торец рельса.
Железная дорога эксплуатируется следующим образом.
При прохождении колесами транспортного средства по рельсовым колеям 1 и 2 через область рельсового стыка происходит наезд на торец последующего рельса, который, вследствие перепада высот k, характеризуется более плавным и мягким переходом колеса через зазор 3 с рельса 4 на рельс 5. Это происходит потому, что колесо транспортного средства с меньшей силой ударяется о стык последующего (принимающего) рельса, соответственно меньше энергии тратится на разрушение указанного торца последующего рельса, создание дополнительных шумовых нагрузок на окружающую среду, в результате чего выше становится коэффициент полезного действия транспортного средства. Кроме того, во время вынужденной остановки транспортного средства на наклонном участке при подъеме при нахождении колеса в стыке увеличивается сопротивление со стороны торца отдающего рельса движению транспортного средства в обратную сторону (так как центр тяжести колеса не смещен в сторону отдающего рельса), что способствует в данном конкретном случае повышению техники безопасности.
Для того чтобы полностью исключить продольную составляющую удара колеса транспортного средства о торец принимающего рельса, смещение h в сторону основания (полотна) железной дороги по сравнению с торцами предыдущих (отдающих) рельсов должно соответствовать выражению h≥m·tgα+R(1-cosarcsin m/R), где h - величина смещения, m - наибольшая величина зазора, α - угол наклона основания (полотна) железной дороги относительно горизонтальной плоскости, R - радиус колеса транспортного средства по кругу катания. При этом колесо транспортного средства не будет иметь продольной составляющей силы удара колеса о торец принимающего рельса, а будет плавно «садиться» на его поверхность катания.
Необходимо учитывать, что значения h будут соответствовать указанным выше только в том случае, если при переходе колес транспортного средства с отдающего рельса через зазор торец отдающего рельса не будет под действием силы тяжести транспортного средства опускаться ниже торца принимающего рельса. В противном случае нужно учитывать дополнительное прижатие (величину дополнительного смещения) 1 отдающего (предыдущего) рельса к полотну железной дороги по сравнению с принимающим (последующим) рельсом и на величину указанного смещения 1 необходимо увеличивать значение h, что приведет к улучшению технического результата.
При движении через зазор колеса транспортных средств будут накатываться на последующие рельсы сверху, что исключит знакопеременные нагрузки, которые вызываются движением колеса вниз (до середины зазора) и движением вверх (после прохождения середины зазора).
Способ эксплуатации железной дороги, включающий движение транспортных средств, заключается в том, что движение транспортных средств осуществляется по вышерассмотренной железной дороге, содержащей, как минимум, один наклонный участок с подъемом.
В качестве варианта рассмотрим железную дорогу, содержащую две направляющие рельсовые колеи, образованные состыкованными с зазором рельсами, и, как минимум, один горизонтальный участок, отличающуюся тем, что на горизонтальном участке торцы, по меньшей мере, большинство последующих (принимающих) рельсов выполнены со смещением h в сторону основания дороги по сравнению с торцами предыдущих (отдающих) рельсов, находящихся в том же зазоре, при этом h>0.
Так как речь идет о горизонтальном участке, то величина h будет определяться из соотношения h≥R(1-cosarcsin m/R), где h - величина смещения, m - наибольшая величина зазора, R - радиус колеса транспортного средства по кругу катания.
Если учитывать прогибание (смещение) торца предыдущего (отдающего) рельса по сравнению с торцом последующего (принимающего) рельса в момент перехода через зазор, когда колесо транспортного средства еще не коснулось торца принимающего (последующего) рельса, то необходимо, чтобы большинство последующих (принимающих) рельсов были выполнены с дополнительным смещением 1 в сторону основания дороги по сравнению с торцами предыдущих (отдающих) рельсов, находящихся в том же зазоре, при этом 1 должно определяется опытным путем, так как зависит от характеристик полотна (основания) дороги и соединения рельсов в области стыка.
Способ эксплуатации железной дороги, включающий движение по ней транспортных средств, отличается тем, что движение транспортных средств осуществляется по железной дороге, рассмотренной выше.
Реализация предложенного технического решения, при всей его, казалось бы незначительности (слишком малы величины h и α), значительно уменьшит количество сколов на торцах принимающих рельсов, сократит разрушение колес, уменьшит силу удара, приведет к экономии энергозатрат при преодолении транспортным средством подъемов. Указанное следует из того очевидного факта, что полностью исчезнет режущее воздействие на колесо со стороны кромки рельса (плоский предмет не оказывает режущего воздействия), и вся энергия будет тратиться на преодоление сопротивления поверхности катания рельсов и подъем на более высокую высоту.
Снижение звуковых ударных нагрузок также сократит расход энергии, необходимый для их создания, и благоприятно скажется на здоровье пассажиров, окажет менее негативное влияние на окружающую среду.
Данное техническое решение особенно актуально в условиях появления частных железных дорог, конкурирующих между собой за предоставление больших удобств пассажирам и снижение энергозатрат на транспортные средства и железную дорогу, увеличение сроков службы рельсового пути, трамваев, подвижного железнодорожного состава, вагонов метро.
Оно может найти применение в городских условиях при прокладке трамвайных путей или строительстве метрополитена, при создании и эксплуатации аттракционов, в том числе «американских горок».
Предложенное техническое решение промышленно применимо, в уровне техники не обнаружено и явным образом из него не следует.