БЕЗРЕЗЬБОВОЕ РЕЛЬСОВОЕ СКРЕПЛЕНИЕ ПУТИ С ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМИ ПОДРЕЛЬСОВЫМИ ОСНОВАНИЯМИ
THREADLESS TRACK RAIL BRACE WITH REINFORCED CONCRETE SLAB TRACK

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и предназначено для использования на железнодорожных путях магистрального и промышленного транспорта, метрополитена и трамвайного хозяйства. Железнодорожный путь с названным скреплением содержит: рельсы, железобетонное подрельсовое основание, металлические анкеры, нижняя сдвоенная часть которых замоноличена в бетон основания, подрельсовые электроизолирующие амортизирующие прокладки, упругие прутковые клеммы, нарельсовые электроизорующие прокладки, центрирующие и несущие элементы, монорегуляторы.
Известен путь [1], содержащий рельсы, железобетонное подрельсовое основание, резьбовое промежуточное рельсовое скрепление с нарельсовыми прокладками и центрирующими элементами.
Недостаток данного скрепления - наличие резьбовых соединений, требующих в условии эксплуатации не реже одного раза в год производить их смазку с откручиванием гаек. Кроме того, под воздействием поездных нагрузок происходит раскручивание гаек, что постоянно требует дополнительных трудовых затрат для их приведения в проектное положени при текущем содержании пути.
Известен также способ регулировки ширины рельсовой колеи с использованием в роли регулировочных элементов самих железобетонных шпал [2]. Этот вариант дал положительные результаты при трех разновидностях отечественных скреплений. Недостаток - возможность использования только при наличии грузоподъемных средств, так как масса одной регулировочной шпалы более 270 кг. При этом количество регулировочных шпал при шаге регулировки 2 мм и изменении ширины колеи с 1520 мм до 1535 мм потребуется 8 их разновидностей. Соответственно необходимо изготавливать столько же металлических форм, что также требует больших материальных и трудовых затрат.
Наиболее близким к данному изобретению (прототипом) является безрезьбовое анкерное промежуточное скрепление АРС [3]. Этот вариант бесподкладочного скрепления по сравнению с другими отечественными вариантами (КБ, ЖБР, КН) отличается минимальным количеством деталей, простотой монтажа и демонтажа железнодорожного пути с существенным снижением трудовых затрат при текущем содержании.
К недостаткам данного скрепления следует отнести: возможность регулировки ширины рельсовой колеи только до 1530 мм при одном типоразмере железобетонного подрельсового основания; ориентир направления усилий при монтаже узла скрепления в перпендикулярную продольной оси рельса сторону, из-за чего исключается сфера применения скрепления АРС в специфических конструкциях пути (например, в стрелочных переводах с железобетонными брусьями).
Техническим результатом заявляемого изобретения является:
снижение трудовых и материальных затрат при текущем содержании пути;
обеспечение при текущем содержании пути визуального контроля величины вертикальной нагрузки на подошву рельсов;
снижение интенсивности бокового износа головки рельсов и гребней колес подвижного состава;
расширение сферы применения подрельсовых оснований с учетом специфических конструкций железнодорожного пути (например, стрелочные переводы с железобетонными брусьями);
упрощение технологии сборки рельсошпальной решетки в условиях путевых машинных станций за счет регулировки ширины рельсовой колеи нарельсовыми прокладками при их массе в узлах промежуточных рельсовых скреплений на одной шпале около 2 кг вместо использования регулировочных шпал при массе каждой свыше 270 кг;
исключение необходимости производить разметку на рельсошпальных решетках в условиях звеносборочных баз характерных мест переходных и круговых кривых для их переноса в последующем непосредственно в путь.
Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что регулируемое ширину колеи безрезьбовое рельсовое скрепление пути с железобетонными подрельсовыми основаниями для передачи вертикальной нагрузки от монорегуляторов к подрельсовому основанию вместо жесткой связи предусмотрены несущие элементы с Т-образной головкой в нижних их частях и шарнирным соединением в нижней части сдвоенных анкеров, при этом, оси шарнирных связей параллельны продольной оси рельсов, а места контакта Т-образных головок в основаниях сдвоенных анкеров предусмотрены по радиусу.
Для увеличения количества позиций распределения вертикальной нагрузки на подошву рельсов в качестве основной базовой составляющей монорегуляторов приняты восьмигранники между двумя пластинами, ребра торцевых рабочих поверхностей которых размещены по спирали, а рабочие поверхности составляют семь позиций регулировки вертикальной нагрузки на подрельсовое основание в отличие от прототипа с четырьмя позициями.
С целью исключения эксцентриситета при передаче вертикальной нагрузки на подрельсовое основание в верхней ветви клемм предусмотрено в сторону нижних ветвей закругление радиусом 30 мм по верхней поверхности прутков ветвей с размещением в закругленные части центрирующих вкладышей, имеющих на контакте с монорегуляторами гладкую поверхность, а на контакте с закругленными ветвями клемм - с углублениями 0,5 диаметра прутка, входящими в зацепление с клеммами.
При используемой в настоящее время технологии сборки рельсошпальных решеток на звеносборочных базах путевых машинных станций, ширина рельсовой колеи для прямых участков пути, как правило, занижена (нередко до 1515 мм и менее). С учетом допусков по ширине рельсовой колеи на уширение и сужение по 2 мм при сборке рельсошпальной решетки целесообразно вместо 1520 мм для прямых участков номинальное значение ширины колеи на данном этапе принять 1522 мм.
Для крутых круговых кривых нормативной документацией по строительству и эксплуатации железнодорожного пути отечественных магистральных железных дорог (например, «Инструкцией по текущему содержанию железнодорожного пути») и метрополитена (СНиП 32-02-2003 «Метрополитены») принято выражать цифрами: 1530 мм; 1535 мм и 1540 мм. С учетом выборки люфтов в начальный период эксплуатации, в пути под ширину колеи 1530 мм; 1535 мм и 1540 мм принять соответственно 1528 мм; 1534 мм и 1538 мм.
Регулировку ширины рельсовой колеи в пути с любым радиусом (в диапазоне от 1200 м до 100 м) кривой предусматривается осуществлять с использованием (при необходимости) обеих рельсовых нитей: сначала по внутренней, работающей по сравнению с наружной рельсовой нитью в облегченных условиях, а затем по наружной. В качестве элементов узла скрепления, обеспечивающих регулировку ширины рельсовой колеи, используются нарельсовые электроизолирующие из композиционного материала прокладки. В зависимости от ширины вертикальной полки прокладок предусматривается для регулировки ширины рельсовой колеи в диапазоне от 1522 мм до 1534 мм с шагом регулировки 2 мм четыре разновидности регулировочных прокладок: 12 мм; 14 мм; 16 мм; 18 мм, общая масса которых на одну железобетонную шпалу не превышает 2,2 кГ.
Ширина подрельсовой прокладки должна соответствовать расстоянию L между внутренними поверхностями анкеров на уровне верхней поверхности прокладки. При этом верхняя часть анкеров (на расстоянии 50 мм от поверхности бетона) устраивается с отводом по направлению от оси рельса на 4 мм для облегчения условий изготовления железобетонных подрельсовых оснований. Расстояние L выбирается из условия:
k1
n
L=f+2c+(S-S)+δ - по внутренней рельсовой нити;
k2
k1
L=f+2c+(S-S)+δ - по наружной рельсовой нити, при этом шпала одного типоразмера обретает свойства унифицированной для использования в прямых участках пути, круговых и переходных кривых в соответствии с действующими нормативами, где: f=150 мм - ширина подошвы рельса Р65;
с=12 мм - минимальная ширина вертикальной полки электроизолирующей нарельсовой прокладки;
k1
S=1528(1530) мм - ширина рельсовой колеи, фиксированная нормативами как первая малого радиуса круговая кривая;
n
S=1522(1520) мм - ширина рельсовой колеи в прямом участке пути.
k1
n
2
Разница S-S=1528-1522=6 мм; δ=1 мм - дополнительное увеличение ширины колеи для упрощения технологии монтажа узлов рельсового скрепления. При дальнейшем увеличении ширины рельсовой колеи до уровня второй фиксированной нормативами малого радиуса круговой кривой Sk=1534(1535) мм - аналогичные операции проводятся теперь по наружной рельсовой нити.
k2
k1
Разница S-S=1534-1528=6 мм, т.е. соответствует аналогичному показателю по внутренней рельсовой нити. Для третьей фиксированной круговой кривой 1538(1540) мм относительно смежной круговой кривой 1534 мм требуемое увеличение ширины рельсовой колеи составляет 4 мм при шаге регулировки 2 мм. Достигнуть ширины рельсовой колеи 1538 мм здесь предусматривается за счет нормируемого до 8 мм допуска по уширению.
Выбранный выше размер L ширины между внутренними поверхностями анкеров соответствует ширине подрельсовых прокладок. Он распространяется на всю длину круговой и переходных кривых рельсовой нити, на которой осуществляется регулировка ширины рельсовой колеи.
Протяженность пути при каждом шаге регулировки не должна быть менее его протяженности под 5 последовательно расположенными шпалами.
В целях экономии металла срединная часть анкеров на длине 72 мм занижена на 25 мм.
Удлиненные концевые части верхних ветвей клемм от поверхности нижней части конца удлинения до верхней поверхности горизонтально расположенной в направлении продольной оси рельсов верхней части нижней ветви клемм составляет 16 мм до приложения монорегулятором вертикальной нагрузки и находится в контакте с ней после приложения монорегулятором вертикальной нагрузки требуемой величины
Приведенный материал для классической конструкции железнодорожного пути с железобетонным подрельсовым основанием приемлем для использования в стрелочных переводах марок 1/9 и 1/11 с железобетонными брусьями.
С учетом вышеизложенного представилась возможность сборку на звеносборочных базах рельсошпальных решеток производить под ширину рельсовой колеи 1522 мм, что исключает необходимость отмечать на решетках характерные места переходных и круговых кривых в отличие от использования в настоящее время для регулировки ширины рельсовой колеи самих регулировочных шпал. Кроме того, при регулировочных шпалах существенно усложняется технология выполнения работ при монтаже пути и эксплуатации из-за необходимости создания запасов дополнительно семи разнотипных железобетонных шпал, их складирования с сортировкой, использования грузоподъемных средств как в условиях ПМС, так и дистанций пути. При использовании нарельсовых регулировочных прокладок регулировку ширины рельсовой колеи осуществляют при замене инвентарных рельсов безстыковыми рельсовыми плетями с одновременным размещением характерных согласно проекта мест переходных и круговых кривых.
Применительно к метрополитенам регулировка ширины рельсовой колеи в пути с железобетонными шпалами имеет особое значение. В 2003 г. Госстроем России утверждены нормативы строительства и содержания пути с учетом плана линии. Согласно СНиП 32-02-2003 ширина рельсовой колеи должна составлять, мм:
на прямых и кривых участках радиусом от 1200 м и более… 1520;
на кривых участках радиусом от 600 до 1200 м… 1524;
то же, от 400 до 600 м… 1530;
то же, от 125 до 400 м… 1535;
то же, от 100 до 125 м… 1540.
По данным Московского метрополитена введение этого мероприятия в тоннелях и наземных участках пути с деревянными шпалами обеспечило снижение интенсивности бокового износа головки рельсов в 2,5…3 раза. Хороший показатель и по снижению износа гребней колес подвижного состава. Но эти показатели только для пути с деревянными шпалами, где легко можно выполнять эти мероприятия. Однако для классической конструкции пути с железобетонными шпалами ни в отечественной, ни в зарубежной практике нет используемого практически способа регулировки ширины рельсовой колеи за счет промежуточных рельсовых скреплений.
В настоящее время на наземных участках Московского метрополитена ежегодно заменяют более 1000 штук одиночных дефектных деревянных шпал железобетонными, которые, как правило, имеют заниженную ширину колеи. Это приводит к повышенной боковой неравножесткости пути, негативно влияющей, особенно в кривых участках, на снижение жизненного цикла вновь установленных шпал и увеличение интенсивности износа головки рельсов и гребней колес.
На фиг.1 представлен вид предлагаемого узла безрезьбового бесподкладочного промежуточного анкерного рельсового скрепления для пути с железобетонными подрельсовыми основаниями;
на фиг.2 - вид сдвоенных анкеров 1, замоноличиваемых в заводских условиях нижней частью в бетон при изготовлении подрельсовых оснований;
на фиг.3 - вид боковой поверхности несущего элемента 4 (см. фиг.1);
на фиг.4 - общий вид монорегулятора;
на фиг.5 - вид боковой поверхности монорегулятора;
на фиг.6 - общий вид центрирующего элемента;
на фиг.7 - общий вид упругой прутковой клеммы;
на фиг.8 - вид фиг.7 в плане;
на фиг.9 - общий вид поперечных сечений нарельсовых регулировочных прокладок с минимальной и максимальной шириной вертикальной полки, обеспечивающих ширину рельсовой колеи 1522 мм в прямых участках пути, в круговых кривых с шириной рельсовой колеи 1528 мм и 1534 мм;
на фиг.10 - общий вид боковой поверхности фиг.2. Регулируемое ширину колеи безрезьбовое рельсовое скрепление пути с железобетонными подрельсовыми основаниями содержит металлические анкеры 1, объединенные поперечной связью 2 в единый элемент под названием «сдвоенные» анкеры, нижняя часть которых замоноличивается в бетон подрельсового основания. В верхней части связи 2 предусмотрены углубления 3 для размещения нижних частей несущих элементов 4 с шарнирной связью по направлению продольной оси рельсов. В верхней части несущих элементов 4 размещены монорегуляторы 5, а под ними центрирующие вкладыши 6, нижняя часть которых контактирует с упругими прутковыми клеммами 7 в зоне закругленной части верхних ветвей.
Концевые части прутковых клемм 7 контактируют: в хвостовом направлении - с металлическими выступами 8 из бетона, а со стороны подошвы рельса - с нарельсовыми электроизолирующими прокладками 9 через горизонтально ориентированную часть нижней ветви клемм. Ширина подрельсовых электроизолирующих прокладок 10 должна соответствовать расстоянию L (см. фиг.2) в свету между поверхностями анкеров 1 на уровне толщины этих прокладок.
Размер L применительно к конкретному радиусу любой круговой кривой принимается на всей ее длине с учетом двух переходных кривых при шаге 2 мм увеличения ширины рельсовой колеи. Плавный отвод рельсовых нитей, как на уширение, так и на сужение производится раздельно сначала по внутренней рельсовой нити, а затем по наружной.
Для увеличения прочности связи анкеров 1 с железобетонными подрельсовыми основаниями в нижней части сдвоенных анкеров предусмотрены по аналогии, с прототипом, выступающие части 11. В нижней части углублений 3 (см. фиг.1) предусмотрены горизонтально ориентированные отверстия 12 (см. фиг.2) для продолжения их в железобетоне с целью обеспечения отвода воды на боковые (наклонные) поверхности железобетонных шпал или брусьев стрелочных переводов. В углублениях 3 несущие элементы 4(см. фиг.1), имеющие в нижней части Т-образную головку 13 (см. фиг.3) с конусообразными концевыми частями радиусов 10 мм и 9 мм, контактируют с соответствующими закруглениями в сдвоенных анкерах. В верхней части несущих элементов предусмотрены прорези 14 (см. фиг.3) для заведения монорегуляторов.
Монорегулятор 5 (см. фиг.1) - отдельный металлический элемент в количестве двух штук в узле промежуточного рельсового скрепления, содержащий составные части: восьмигранник 15 (см. фигуры 4 и 5), примыкающие к нему с обеих сторон две однотипные пластины 16 с ребристыми очертаниями по спирали поверхностей 17 и две концевые части 18 круглого очертания. Контакт концевых частей 18 монорегуляторов 5 осуществляется с закругленной верхней частью несущих элементов 4 (см. фиг.1 и 3), а поверхностями 17 однотипных пластин 16 - с центрирующими вкладышами 19 (см. фиг.6). Верхняя поверхность 20 центрирующих вкладышей гладкая, а нижняя - с углублениями 21. При этом величина углублений 21 в центральной части закруглений должна соответствовать 0,5 диаметра прутка клемм, а расстояние между осями углублений 21 - расстоянию между осями прутков верхних ветвей клемм. Стабильное положение центрирующих вкладышей 19 достигается зацеплением их нижней части с верхними закругленными ветвями 22 клемм (см. фиг.7 и 8).
Опорными поверхностями прутковых клемм являются: хвостовой части 23 - выступающие из бетона с полевой стороны металлические поверхности, а продольно ориентированной части 24 клемм - нарельсовые электроизолирующие регулирующие ширину рельсовой колеи прокладки 9 (см. фиг.1) и 25; 26 (см. фиг.9).
Для обеспечения в эксплуатационных условиях визуального контроля величины вертикальной нагрузки на подошву рельсов предусматривается удлинение 27 концевых частей верхней ветви клемм (см. фиг.7 и 8). При передаче на подошву рельсов номинальной в соответствии с действующими нормативами нагрузки концевая часть 27 будет находиться в контакте с продольно ориентированной частью 24 клеммы (см. фиг.1). При полном отсутствии нагрузки положение частей 27 относительно 24 будет соответствовать положению, приведенному на фиг.7. При наличии зазора между частями 24 и 27 - признак неисправности узла скрепления по причинам: износа или потери упругих свойств подрельсовых прокладок 10 (см. фиг.1), некачественные по показателям упругости прутковые клеммы и др.
С учетом выше изложенного предлагается набор четырех разновидностей по показателю ширины вертикальной полки нарельсовых прокладок: 12 мм; 14 мм; 16 мм и 18 мм. Двумя нарельсовыми прокладками 25 и 26 (см. фиг.9) соответственно минимальной 12 мм и максимальной 18 мм представляется возможным обеспечивать прямые участки пути с шириной рельсовой колеи 1522 мм, круговые кривые с шириной рельсовой колеи 1528 мм при регулировке по одной рельсовой нити и 1534 мм - при регулировке по обеим рельсовым нитям. Ниже приводится описание размещения показанных на фиг.9 нарельсовых прокладок для названных выше характеристик пути:
прямые участки железнодорожного пути с шириной рельсовой колеи 1522 мм по обеим рельсовым нитям - со стороны оси пути прокладки минимальной (12 мм), с наружной стороны максимальной (18 мм) ширины;
круговые кривые с шириной рельсовой колеи 1528 мм - по внутренней рельсовой нити со стороны оси пути прокладки максимальной (18 мм), с наружной стороны минимальной (12 мм) ширины, а по наружной рельсовой нити - со стороны оси пути прокладки минимальной (12 мм), с наружной стороны - максимальной (18 мм) ширины;
круговые кривые с шириной рельсовой колеи 1534 мм - по обеим рельсовым нитям. - со стороны оси пути прокладки максимальной (18 мм), с наружной стороны минимальной (12 мм) ширины.
Переходные кривые дополнительными нарельсовыми прокладками с шириной полки 14 мм и 16 мм обеспечивают плавный отвод рельсовых нитей, как на уширение, так и на сужение сначала по одной рельсовой нити, а затем и по другой.
На фиг.10 представлен боковой вид фиг.2. Пространства 28 предназначены для частичного размещения несущих элементов 4 (см. фиг.1 и 3) с Т-образной головкой в нижней части, которая контактирует с закругленной поверхностью углублений в зоне козырьков 29. Шарнирная связь, ось которой параллельна продольному направлению рельсовых нитей, в сочетании с увеличенной шириной подрельсовых прокладок обеспечивает возможность изменять положение несущего элемента 4 за счет поворота в поперечном горизонтальном направлении вправо и влево относительно центра О (см. фиг.1). Внецентренность передачи вертикальных нагрузок на подошву рельса исключается за счет закруглений 22 верхних ветвей прутковых клемм (см. фиг.7) и использованием при этом центрирующих вкладышей 6 (см. фиг.1) и вид сбоку 19 (см. фиг.6).
Сборку рельсошпальных решеток на звеносборочных базах путевых машинных станций производят по схеме для прямых участков пути с шириной рельсовой колеи 1522 мм. Работы производят в следующей последовательности:
- раскладывают унифицированные шпалы в соответствии с эпюрой по проекту;
- на подрельсовые площадки шпал раскладывают подрельсовые прокладки;
- на подрельсовые прокладки укладывают 25-метровой длины рельсы, на подошву которых раскладывают под прямой участок пути с шириной рельсовой колеи 1522 мм нарельсовые регулировочные прокладки;
- устанавливают упругие прутковые клеммы, несущие элементы, центрирующие вкладыши и монорегуляторы;
- поворотом монорегуляторов вдоль продольной оси рельса обеспечивают в соответствии с действующими нормативами передачу вертикальной нагрузки на подошву рельса.
Работы по замене инвентарных рельсов на бесстыковые рельсовые плети выполняют в следующей последовательности:
- переводят до начала переходной кривой не менее чем на пяти шпалах (в зависимости от длины переходной кривой) ширину колеи с 1520 мм на 1522 мм;
- на таком же количестве шпал осуществляют по внутренней рельсовой нити плавный отвод с шагом 2 мм ширины колеи до величины 1528 мм;
- после ширины колеи 1528 мм при необходимости ее дальнейшего увеличения до ширины 1534 мм осуществляют аналогичный отвод по наружной нити.
Все эти операции производятся при унифицированных железобетонных шпалах, приемлемых для прямых участков пути, переходных и круговых кривых.
В предлагаемом регулируемом ширину колеи безрезьбовом рельсовом скреплении для пути с железобетонными подрельсовыми основаниями обеспечивается получение следующих преимуществ по сравнению с прототипом:
- возможности использования на стрелочных переводах с железобетонными брусьями;
- возможности визуального ориентировочного контроля состояния взаимодействующих элементов в узлах скреплений;
- увеличение на 3 количества позиций регулировки передачи вертикальной нагрузки на подрельсовое основание;
- возможности регулировки ширины рельсовой колеи до 1534 мм при унифицированных под один типоразмер железобетонных шпалах, приемлемых для использования в прямых участках пути, переходных и круговых кривых;
- наличие четырех разновидностей по показателю ширины вертикальной полки: 12 мм, 14 мм, 16 мм и 18 мм нарельсовых электроизолирующих из композиционных материалов прокладок, обеспечивающих регулировку ширины рельсовой колеи до 1534 мм. При этом прокладками 12 мм и 18 мм обеспечиваются прямые участки пути шириной рельсовой колеи 1522 мм, круговые кривые шириной рельсовой колеи 1528 мм и 1534 мм.
Применительно к железнодорожному пути с железобетонными подрельсовыми основаниями для метрополитенов, где нормативами предусматривается и ширина рельсовой колеи 1540 мм, целесообразно дополнительно предусмотреть две разновидности (10 мм и 20 мм) нарельсовых прокладок.
Источники информации
Патент на изобретение №2267569. Рельсовое анкерное скрепление.
Патент на изобретение №2373318. Способ плавного отвода ширины колеи железнодорожного пути и подрельсовое железобетонное основание для его осуществления (варианты).
В.М.Круглов, Ю.Н.Аксенов, А.Ю.Богачев, Е.Г.Курзина. Модернизированное рельсовое скрепление АРС // Путь и путевое хозяйство, №2, 2011.