ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ ШПАЛА
REINFORCED CONCRETE SLEEPER

Изобретение относится к конструкции рельсовых опор и может быть применено для изготовления шпал, в основном железобетонных, применяемых в верхнем строении железнодорожного пути, преимущественно бесстыкового.
Общеизвестна железобетонная шпала, представляющая собой балку переменного трапецеидального сечения (см. «Общий курс железных дорог», стр. 56 /  Под ред. Ю.И. Ефименко. М. 2005 г). Ее конструкция цельнобрусковая, предварительно напряженная, а нижняя постель плоская.
Недостатком этих рельсовых опор является появление трещин при эксплуатации под действием поездной нагрузки по верху средней части шпалы и по ее подошве в подрельсовой зоне, а также низкий коэффициент сцепления с балластом железнодорожного пути, приводящий к значительному снижению усилия сдвига.
Указанные недостатки сокращают долговечность шпал и снижают надежность железнодорожного пути от выброса рельсошпальной решетки под действием продольных температурных сил в рельсовых плетях, которые могут достигать значений 320 тс.
Для решения этих проблем предлагалось, например, увеличивать вес, делать рифления подошвы, уширять подрельсовую часть шпал и уменьшать их ширину в центральной части. Но практического применения эти технические решения не имели, так как затраты увеличивались существенно, а усилие сдвига повышалось незначительно, лишь на 5-10%.
Известно также техническое решение по изобретению SU 1772284 А1, в котором шпала имеет на подошве выступ в подрельсовых зонах. Такое изменение конструкции для стандартных железобетонных шпал позволяет снизить растягивающие напряжения и по подошве подрельсовых зонах и по верху средней части изделия, а следовательно, приводит к повышению трещиностойкости рельсовой опоры.
Подрельсовая зона постели по этому техническому решению не содержит зубцов.
Принимаем SU 1772284 А1 за прототип. Но по изобретению SU 1772284 А1 усилие сдвига шпал в балласте верхнего строения пути увеличивается незначительно и проблема предотвращения выброса от действия продольных температурных сил в рельсах бесстыковой железнодорожной колеи остается нерешенной.
Целью предлагаемого изобретения является значительное увеличение силы сопротивления смещению в балласте железобетонной шпалы с выступом на подошве в подрельсовой зоне и сохранение при этом высокой трещиностойкости.
Указанная цель достигается тем, что в железобетонной шпале с выступом на подошве в подрельсовой зоне:
подошва содержит зубья;
зубья закреплены на выступе, расположенном в средней части подошвы шпалы;
зубья закреплены на выступе, расположенном на подошве по бокам шпалы;
толщина выступа в подрельсовой зоне превышает на 20-70 мм толщину выступа на средней части подошвы;
толщина выступа на подошве по бокам шпалы превышает на 10-60 мм толщину выступа на средней части подошвы;
толщина выступа на подошве в подрельсовой зоне превышает на 10-60 мм толщину выступа по бокам шпалы.
Наличие выступа в подрельсовой зоне, то есть на участке проекции подошвы рельса на нижнюю поверхность шпалы, увеличивает момент сопротивления и прочность изделия.
Кроме того, расположение в этом месте утолщения рельсовой опоры способствует наибольшему уплотнению щебня под ним, максимальной ответной силе реакции балласта на действие поездной нагрузки, отсутствию изгибающего момента по подошве подрельсовой части и верхней поверхности средней зоны шпалы.
Для увеличения усилия сдвига необходимо введение в конструкцию зубьев. Установить их предпочтительнее на средней части подошвы шпалы. Допустимым вариантом места размещения зубьев являются и боковые части подошвы рельсовой опоры. Кроме того, возможен и совмещенный вариант с установкой зубьев и на средней части, и по бокам шпалы.
Выполнить все это можно, например, на стадии изготовления рельсовой опоры, установив их, например, на плоской подошве средней части и углубив в тело шпалы, или углубив в сформированное на подошве утолщение на стадии затвердевания бетона. Зубья можно закрепить, например, и в специально просверленные отверстия плоской, ровной подошвы готового изделия.
Критерием минимальной толщины выступа подрельсовой зоны является такое значение его высоты, при котором при воздействии поездной нагрузки сила реакции балласта на выступ не меньше силы реакции балласта на оставшиеся части подошвы. При высокой степени уплотнения щебня минимальная толщина выступа подрельсовой зоны стремится к нулю.
Прибетонированные по предлагаемому техническому решению выступы на подошве по ее средней зоне и бокам рельсовой опоры предназначены для установки зубьев на подошву готовой стандартной шпалы. Этот прием позволяет снизить концентрацию напряжений на подошве, повысить надежность и исключает какую-либо механическую доработку самой рельсовой опоры, изготовляемой по ГОСТ Р 54747-2011. Поэтому даже при повреждении или разрушении зубатого выступа прочность, работоспособность и неизменность тела самой шпалы полностью сохраняется на уровне указанных в стандарте значений. Это объясняется тем, что максимально  возможным уровнем повреждений зубатого элемента является его отрыв от поверхности соприкосновения с подошвой, являющейся наиболее уязвимым местом соединения. Тело стандартной шпалы при этом не повреждается. Поэтому технология закрепления зубьев на прибетонированном к подошве готовой шпалы выступе гарантирует при испытаниях опытных изделий в пути сохранение прочности и трещиностойкости модернизированной рельсовой опоры на уровне, не ниже стандартного.
Увеличение усилия сдвига в балласте железнодорожной колеи предлагаемой рельсовой опоры зависит от степени уплотнения щебня, размеров и количества зубьев и может превышать аналогичный параметр обычного изделия в 10-15 раз.
Наиболее эффективна установка зубатого выступа в средней, центральной части шпалы. Здесь балласт не подбивается рабочими инструментами путевых выправочных машин и всегда находится уплотненном состоянии от трамбовки подошвой шпалы под действием нагрузки колесных пар поезда. Но выступ в центре может привести к наиболее опасному из вариантов контакта нижней поверхности рельсовой опоры с балластом верхнего строения пути: опиранию серединой подошвы. Поэтому его толщина (высота) должна быть меньше толщины (высоты) выступа подрельсовой зоны как минимум на 10-20 мм. В этом случае гарантируется зазор и отсутствие опасного опирания шпалы средней частью на балласт пути. Максимальное превышение толщина выступа в подрельсовой зоне по сравнению с толщиной выступа средней части подошвы определяется толщиной балластного слоя, прилагаемой нагрузкой и в большинстве случаев составляет 40-70 мм.
Количества зубьев, которые можно разместить на выступах средней зоны, достаточны для создания усилия сдвига, обеспечивающего безопасность движения поездов. Тем не менее допустима и их установка на выступе подошвы по бокам шпалы. Причем этот выступ во избежание опирания серединой рельсовой опоры на балласт должен быть выше выступа на средней части. Минимальное превышение толщины бокового выступа над средним составляет приблизительно 10 мм, а максимальное около 60 мм. Эти параметры также определяются необходимостью обеспечения минимального зазора под центральной частью шпалы и возможной максимальной величиной осадки слоя щебня, которая зависит от его толщины, степени уплотнения и действующей нагрузки. Кроме того, для исключения появления изгибающего момента в подрельсовой зоне подошвы шпалы и по верху ее средней части, также необходимо выполнение превышения толщины подрельсового выступа над выступами по бокам. В большинстве случаев диапазон значений этого параметра составляет 10-60 мм.
Предлагаемые соотношения толщин выступов на подошве модернизированной рельсовой опоры позволяют обеспечить высокую трещиностойкость при доработке старогодной или вновь изготовляемой шпалы. Наличие зубьев предопределяет значительное увеличение усилия сдвига шпалы в балласте. Поэтому при повышении надежности бесстыкового пути от выброса при использовании предлагаемого изобретения можно понизить температуру закрепления плетей и благодаря этому существенно сократить количество изломов рельсов из-за уменьшения растягивающих напряжений в плетях бесстыкового пути в зимний период. Экономический эффект значителен.
Затраты ОАО «РЖД», например, в 2014 г. на диагностику пути составили 10,1 млрд.р. Существенную долю в них составляют расходы на проверку геометрии колеи и определение дефектов рельсов, из которых наиболее опасными являются те, которые приводят к излому. Из-за опасности возможных аварий из-за изломов частота диагностики пути в ОАО «РЖД» чрезвычайно высока и превышает этот показатель на зарубежных железных дорогах в десятки раз.
Определенным преимуществом нового технического решения является и то, что наличие зубьев на средней части не требует изменения правил укладки рельсовых опор в штабеля, транспортировки пакетов рельсовых звеньев по платформам, рольгангам моторных платформ и укладочного крана УК 25/9-18. Кроме того, наличие именно сжимающих, а не растягивающих напряжений на подошве центральной зоны шпалы предопределяет высокую прочность и надежность работы бетонного тела изделия с закрепленными на подошве зубьями.
Применение предлагаемого изобретения позволяет значительно увеличить усилие сдвига шпал в балласте, уменьшить температурные силы в рельсах, исключить выбросы железнодорожной колеи, уменьшить частоту излома рельсов, повторно использовать старогодные шпалы не только на малодеятельных, но и на главных путях.