Железобетонная шпала с упругой подшпальной прокладкой

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, в частности к верхнему строению железнодорожного пути, в том числе к железобетонным шпалам.
Функциональное назначение упругой прокладки на подошве железобетонной шпалы – это снижение динамического воздействия на балластный слой, увеличение контактной площади шпалы, распределяющей нагрузку от подвижного состава, гашение шума и вибрации, увеличение сопротивления к поперечному сдвигу шпалы в балласте. В зависимости от назначения и условий эксплуатации прокладка может, в том числе, иметь различную толщину и жесткость, характеризуемую модулем статической упругости.
Известны конструкции железобетонных шпал, изготавливаемые из предварительно напряженного железобетона, для армирования которых применяется проволока или арматурные стержни. Нормативно-технической документацией на железобетонные шпалы определен показатель величины защитного слоя бетона от нижней поверхности до арматуры, который в зависимости от конкретной конструкции шпалы может быть не менее 30 мм. Величина защитного слоя влияет на закрепление армирования в толще конструкции, обеспечение совместного нагружения армирования и бетона, прочностные характеристики конструкции и служит защитой армирования от внешнего воздействия: атмосферной, химической или другой коррозии, повышенной влажности, мороза и других вредных факторов.
Известна железобетонная шпала с упругими прокладками на подошве, имеющая упругие элементы из полимерного материала, расположенные на подошве шпалы в подрельсовых ее частях. При этом упругие прокладки погружаются в шпалу в процессе формования бетона на всю их толщину (патент на полезную модель RU 76649 U1, 17.04.2008).
Недостатки известной железобетонной шпалы с упругими прокладками на подошве состоят в том, что:
- в случае закрепления подшпальной прокладки в шпале путем ее интеграции в свежеуложенный бетон не обеспечивается достаточный контакт с бетоном шпалы из-за отсутствия у подшпальной прокладки соединительного (монтажного) слоя, что может привести в процессе эксплуатации, а также при укладке рельсошпальной решетки в пути к отслаиванию подшпальной прокладки, попаданию под нее щебня и скапливанию воды, что после циклов замораживания-оттаивания приведет к ускоренному разрушению железобетонной шпалы;
- в случае применения упругих прокладок в шпалах существующих конструкций (без изменения геометрии шпалы) и погружения упругих прокладок на всю их толщину без ограничения (толщина прокладок может быть различной) возможно уменьшение величины защитного слоя бетона до арматуры менее 30 мм, что приведет, в том числе, к снижению прочностных характеристик железобетонной шпалы (фиг.1 - где величина защитного слоя регламентируется Нормативно-технической документацией, 1 - не менее 30 мм);
- в случае, если края упругих прокладок выполнены заподлицо по краю боковой и торцевой поверхностей подошвы железобетонной шпалы и, при этом, погружены в шпалу на всю их толщину, при воздействии вертикальных сил от подвижного состава и вдавливании частиц щебня в упругие прокладки они деформируются и, соответственно, не в полной мере обеспечивают свои функции, т.к. в этом случае опирание железобетонной шпалы на подшпальное основание происходит неравномерное, в том числе ее непосредственно бетонной поверхностью, а не упругими прокладками (фиг.2 - где 1 - зона опирания на основание шпалы, а не подшпальной прокладки);
- в случае если края упругих прокладок выполнены заподлицо по краю боковой и торцевой поверхностей подошвы железобетонной шпалы и при этом погружены в шпалу на всю их толщину, при воздействии касательных сил, возникающих при погрузочно-разгрузочных работах на базах путевых машинных станций, выправочно-подбивочных работах, а также вертикальных сил реакции балластного основания на воздействие от подвижного состава возможны окалывания кромок шпалы и отслоение прокладок от подошвы шпалы (фиг.3, где 1 - это возможное повреждение кромок шпалы при погрузочно-разгрузочных работах на базах путевых машинных станций и работе выправочно-подбивочной путевой техники).
Известна железобетонная шпала для высокоскоростного движения с упругими прокладками на подошве, имеющая упругие элементы из полимерного материала, расположенные на подошве шпалы в подрельсовых ее частях. При этом упругие прокладки погружаются в шпалу в процессе формования бетона на всю их толщину (патент на изобретение EP 1186709 B1, 24.09.2003).
Недостатки известной железобетонной шпалы с упругими прокладками на подошве состоят в том, что:
- шпала с подшпальными прокладками предназначена для высокоскоростного движения, то есть движения высокоскоростного подвижного, имеющего осевые нагрузки до 19 т/ось, при этом грузовое и скоростное совмещенное движение несет осевые нагрузки 23,5 т/ось и более. Таким образом известная шпала не может выполнять в полном объеме свои функции для грузового и скоростного совмещенного движения;
- в случае если края упругих прокладок выполнены заподлицо по краю боковой и торцевой поверхностей подошвы железобетонной шпалы и, при этом, погружены в шпалу на всю их толщину, при воздействии вертикальных сил от подвижного состава и вдавливании частиц щебня упругие прокладки деформируются и, соответственно, не в полной мере обеспечивают свои функции, т.к. в этом случае опирания железобетонной шпалы на подшпальное основание происходит неравномерно, в том числе ее непосредственно бетонной поверхностью, а не упругими прокладками (фиг.2 - где 1 - зона опирания шпалы на основание, а не подшпальной прокладки).
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в стабильности прочностных характеристик железобетонных шпал (за счет исключения возможности нарушения защитного слоя бетона до арматуры при погружении упругих прокладок в шпалу на всю их толщину без ограничения), сохранении функционального назначения упругих прокладок (так как исключается возможность работы упругих прокладок не всей поверхностью при вдавливании в них частиц щебня и опирания в этом случае железобетонной шпалы на подшпальное основание непосредственно ее бетонной поверхностью), исключении  повреждений кромок шпалы при погрузочно-разгрузочных работах на базах путевых машинных станций и работе выправочно-подбивочной путевой техники.
Указанный технический результат достигается тем, что:
1) упругая прокладка может выполняться цельной деталью или состоять из составных частей, размеры которых должны повторять габаритные размеры подошвы конкретного типа железобетонной шпалы, расстояния от их краев до ближайших торцевых и боковых поверхностей подошвы железобетонной шпалы составляют от 10 до 20 мм (фиг. 1-3), а общая площадь подшпальной прокладки должна быть не менее 85% от площади подошвы шпалы;
2) погружение соединительного (монтажного) слоя упругой прокладки в железобетонную шпалу производится на величину, равную от 3 до 10 мм (фиг. 4), что позволяет обеспечить необходимую адгезию подшпальной прокладки и бетона шпалы, выполнив при этом требования к толщине защитного слоя;
3
3) жесткость упругой прокладки, применяемой для железобетонных шпал, характеризуемая статическим модулем упругости, должна быть от 0,05 до 0,50 Н/мм.
Железобетонная шпала с подшпальной упругой прокладкой из эластомерного и/или полимерного материала (или материалов) выполнена единой монолитной конструкцией, в которой упругая прокладка своим соединительным (монтажным) слоем интегрирована в бетон шпалы в процессе ее формовки. Упругая прокладка может выполняться цельной деталью или состоять из составных частей, размеры которой должны повторять габаритные размеры подошвы конкретного типа железобетонной шпалы. Глубина интеграции упругой прокладки в железобетонную шпалу, расстояния от их (ее) краев (я) до торцевых и боковых поверхностей подошвы железобетонной шпалы являются фиксированными величинами, при этом, расположение верхней (монтажной, соединительной) поверхности упругой прокладки не должно быть заподлицо с поверхностью подошвы шпалы, а должно быть выше. Для возможности установки технологической оснастки в процессе формовки шпал, а также если это предусмотрено в конструкторской документации на конкретный тип шпалы, подшпальная прокладка может выполняться со сквозными отверстиями.
Заявленная полезная модель поясняется чертежами 1-4, где на фигурах 1-3 схематично изображен общий вид шпалы с подшпальной упругой прокладкой, а на фигуре 4 приведено исполнение, в котором прокладка не полностью погружена в тело шпалы, а лишь на величину, равную от 3 до 10 мм, что позволяет, с одной стороны, обеспечить необходимую адгезию подшпальной прокладки и бетона шпалы, выполнив при этом требования к толщине защитного слоя, а с другой - создаёт дополнительный внешний упругий слой, который соприкасается с поверхностью подшпальной основы (землёй, грунтом, щебёнкой, балластом и т.п.).
Примеры осуществления и результаты испытаний
Из уровня техники известны шпалы с подшпальной полимерной эластичной прокладкой. Обыкновенно, такие прокладки располагаются по всей нижней поверхности шпалы. Такое расположение является не вполне удачным, поскольку прокладка подвергается внешнему воздействию и испытывает боковые нагрузки. Намного более удачным вариантом является размещение прокладки в границах шпалы, но с некоторым отступом от края. Если данный отступ будет слишком большим, то эластичные свойства прокладки будут проявляться не в полной мере, а вертикальная нагрузка опорного слоя на бетон шпалы будет слишком высока. Если данный отступ будет слишком большим, то это приведёт к непрочности и искрашиванию бетонных краёв. В качестве оптимального варианта были подобраны параметры, когда расстояние от краев прокладки до ближайших торцевых и боковых поверхностей подошвы железобетонной шпалы составляют от 10 до 20 мм, а общая площадь подшпальной прокладки составляет не менее 85% от площади подошвы шпалы.
Упругая прокладка может выполняться цельной деталью или состоять из составных частей, размеры которой должны повторять габаритные размеры подошвы конкретного типа железобетонной шпалы и глубина погружения монтажного слоя упругой прокладки в железобетонную шпалу обеспечивать ее применение в существующих конструкциях железобетонных шпал, а различные варианты жесткости подшпальной прокладки обеспечивать наиболее эффективное применение в различных условиях эксплуатации.
Отдельное достоинство предлагаемой железобетонной шпалы с подшпальными упругими прокладками из полимерных материалов состоит в том, что данное изделие не требует доработки конструкции железобетонной части шпалы для получения возможностей, связанных с установкой подшпальной прокладки, поскольку прокладка замоноличивается в тело шпалы прямо в момент изготовления шпалы путём погружения прокладки с заданными габаритами в ещё жидкий бетон, залитый в шпальную форму. При этом не затрагивается ни форма, ни армирующий каркас.