Способ фрикционной компенсации перемещений бесстыкового рельсового пути и устройство для его осуществления
METHOD FOR FRICTIONAL COMPENSATION OF MOVEMENTS OF CONTINOUS WELDED RAIL TRACK AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Способ фрикционной компенсации перемещений бесстыкового рельсового пути и устройство для его осуществления относится к железнодорожному транспорту, в частности к компенсации силовых и температурных перемещений рельсового пути и может быть использован при сборке уравнительных пролетов и стыковых соединений сварных плетей, для управления напряженно деформационным состоянием, для противодействия силам угона, торможения, на спусках и перевалах для затяжки и защемления деталей.
В машиностроении при необходимости создания больших усилий при штамповке, вытяжке, и других операциях, вместо гидравлических и пневматических устройств.
Известен способ компенсации температурных зазоров бесстыкового рельсового пути, содержащий рельсы, боковые накладки, крепежные элементы, предварительную затяжку, блок компенсации, включающий твердотельный и жидкостной компенсаторы и подогреватели компенсаторов [1]. Недостатком способа является узкая область применения, для уменьшения зазоров в стыковых соединениях рельсов.
Известен способ фрикционной компенсации перемещений рельсового пути, принятый за прототип, содержащий под рельсовое основание, шпалы, рельсы, блоки компенсации, блок программного управления, термоэлементы, электроклапан, нагреватели, жидкость, датчики температуры, тензодатчики, крепежные элементы [2].
Недостатком способа является большая металлоемкость подрельсового основания, большие усилия, действующие в распор колеи, необходимость демонтажа пути при установке устройства.
Преимуществом прототипа являются термические напряжения, возникающие в деталях статически неопределимых систем, при изменений температуры окружающей среды, из-за разности коэффициентов линейного расширения которые можно использовать для крепления рельсов. Простота управления за счет незначительного нагрева от температуры окружающей среды, позволяет создавать усилия соизмеримые с прочностными возможностями материалов. Малые габариты, отсутствие подвижных звеньев, незначительные затраты на подогрев термоэлементов (10-20 Вт) позволяют использовать предлагаемое изобретение в узлах автоматического управления, для получения больших сил сопротивления.
Целью изобретения является уменьшение металлоемкости, упрощение монтажных работ при установке, расширение возможностей применения, автоматизация управления температурными и силовыми перемещениями, напряженно-деформационным состоянием рельсов и другими параметрами верхнего строения пути за счет искусственного интеллекта заложенного в блоке программного управления.
1. Способ фрикционной компенсации перемещений бесстыкового рельсового пути, включающий блок компенсаторов, термоэлементы и жидкость с большим коэффициентом линейного и объемного расширения, ложементы, рельсы, шпальную решетку, плавающие боковые накладки, крепежные элементы, электроклапан, блок программного управления, отличающийся тем, что рельсы закрепляют в ложементах, завинчивают при этом с одной стороны болты, а с другой корпус блока компенсации в резьбовые втулки вертикальных стоек ложементов крутящим моментом предварительной затяжки 300-1000 Нм, создают при этом усилия сжатия шейки через плавающие удлиненные накладки равные длине рельсов, которые устанавливают в пазухах с обеих сторон, на обеих ветвях, создают при этом силу трения, препятствуют осевому перемещению рельсов относительно шпальной решетки.
2. Способ по п. 1 отличающийся тем, что силы трения, противодействующие осевым перемещениям рельсов, суммируют через плавающие в ложементах длинные накладки, которые охватывают 6-30 шпал, а противодействующие им силы сопротивления осевому перемещению шпальной решетки суммируют и увеличивают при этом пропорционально количеству шпал, на которых устанавливают блоки компенсаторов.
3. Способ по п. 2 отличающийся тем, что для автоматического управления перемещениями и НДС рельсов силы трения от предварительной затяжки суммируют с силами от удлинения термоэлементов при изменении температуры окружающей среды и от давления жидкости в полости жидкостного компенсатора, при недостатке которых по команде БПУ включают подогрев, увеличивают температуру компенсатора и силу трения вплоть до полного защемления от осевых перемещений, а для снижения сил сопротивления по команде БПУ отключают подогрев термоэлемента, стравливают давление через электроклапан до требуемой величины.
4. Способ по п. 1 отличающийся тем, что силы трения сопротивления осевым перемещениям рельсов создают давлением плунжера блока твердотельного компенсатора через фрикционные вкладыши, на удлиненные накладки и на шейку рельсов, удваивают при этом количество поверхностей трения скольжения и величину силы трения в каждом ложементе.
5. Устройство для осуществления способа по п. 1 включающее рельсы, ложементы на шпальной решетке, блоки компенсации, крепежные болты, отличающееся тем, что втулки вертикальных стоек ложементов с обеих сторон и корпус блока фрикционной компенсации снабжены резьбой, для создания предварительной затяжки, сил трения и крепления рельсов при их свинчивании.
6. Устройство по п. 5 отличающееся тем, что снабжено шпальной решеткой, рельсами, ложементами, закрепленными с обеих сторон в размер колеи, плавающими длинными накладками на всю длину рельсов, соединяющими 5-30 шпал, с помощью которых суммируются силы трения на рельсах и силы балластного сопротивления на шпалах, обеспечивая при этом совместное сопротивление осевым перемещениям.
Сокращения, принятые в описании изобретения:
БФК блок фрикционной компенсации;
БРП бесстыковой рельсовый путь;
БПУ блок программного управления;
БАК блок автоматической компенсации
БКС блок компенсации стыковых зазоров;
НДС напряженно-деформационное состояние рельсов.
На фиг. 1 показана схема, вид на рельсовый путь сверху.
На фиг. 2 показан разрез А-А.
Устройство для осуществления способа состоит из следующих основных деталей: рельс 1, шпальной решетки 2, ложементов 3, удлиненных накладок 4 (фиг. 1, 2) крепежных болтов 5, фрикционных вкладышей 6, пружинной гайки 7, винта 8, БФК 9, плунжера 10, твердотельного компенсатора 11, упора 12, набора прокладок 13, теплоизолирующих прокладок 14, манжеты 15, заглушки резьбовой 16, жидкостного компенсатор 17, датчика температуры 18, датчика давления 19, БПУ 20, чехла 21, нагревателя 22, нагревателя жидкости 23, прокладок 24, накладок стыковых 25 (фиг. 1), тензодатчика 26, электроклапана 27.
Линия проводов, связывающая с БПУ 20: датчик температуры 18, датчик давления 19, нагреватель 22, нагреватель жидкости 23, электросеть, тензодатчик 26, электросеть 27, аккумулятор 28.
Посредством устройства способ фрикционной компенсации рельсового пути осуществляется следующим образом. БФК состоит из рельса 1, рельсошпальной решетки 2 ложементов 3 с удлиненными накладками 4 размещенными в пазухах равными длине рельсов. Ложементы закреплены на шпалах в размер колеи крепежными болтами 5(фиг. 2). Крепление рельсов 1 в вертикальных стойках ложементов 3 осуществляется ввинчиванием винтов 8 и корпуса блока компенсации 9 до упора во фрикционные вкладыши 6 (фиг. 2), удлиненные накладки 4 и в шейку рельса 1. Для упрощения крепления рельсов их подошву срезают до ширины головки, обеспечивая свободное опускание в ложементы 3.
Затяжку резьбовых соединений осуществляют по аналогии со стыками серийных магистралей, моментом предварительной затяжки 300-1000 Нм. При этом за счет момента от затяжки создают осевые силы трения, действующие непосредственно на шейку рельсов. Максимальные осевые силы в рельсах могут достигать 15000 Кн, которые способны вызвать выброс пути или разрушение [3, 4].
Зазор Δf с обеих сторон установленный на рельсошпальной решетке необходим для контроля, за смещением удлиненных накладок относительно шпал и рельсов. При выборке зазора сопротивление шпальной решетки с блоками компенсаторов увеличится за счет приращения сопротивления соседней секции рельсов. При обратном ходе подвижного состава зазор восстанавливается.
Шпальная решетка, оснащенная удлиненными накладками 4 на всю длину рельсов, установленными в пазухах обеспечивает суммирование сил сопротивления со стороны балласта против осевого смещения.
При больших длинах бесстыковых плетей, для обеспечения сопротивления РШР сдвигающим усилиям возможна последовательная установка нескольких БФК, соединенных между собой по обеим нитям стыковыми накладками 25 с учетом погонного и балластного сопротивлений на каждом участке пути. БФК собирается в заводских условиях на рельсах стандартной длины, представляет единое целое из двух рельсов в ложементах, закрепленных на шпалах собранных с элементами автоматического управления..
Для гашения ударных нагрузок, шума, регулирования положения рельсов в размер колеи, сил трения между рельсом и шпалами, установку по уровню поверхности катания, осуществляют набором эластичных и металлических прокладок 24 (фиг. 2).
Установка фрикционных вкладышей 6 неподвижных относительно удлиненных накладок и ложементов 3 обеспечивает увеличение сил трения в четыре раза при осевой затяжке винтов 8 и корпуса блока компенсации 9 возникающих между фрикционными 6 и удлиненными накладками 4 с рельсом 1.
Для устранения осевого перемещения удлиненных накладок 4 поверхность трения вкладышей 6 со стороны накладок подвергаются обработке плазменным напылением карбидов SiO, WC. Обработка способствует повышению сил трения при смещении накладок в осевом направлении.
Величину перемещений и силы трения на удлиненных накладках, кроме того, регулируют подбором коэффициента трения прокладок 24.
При сборке блока компенсации 9 для уменьшения потерь тепла устанавливаются по всему периметру твердотельного компенсатора 11 теплоизолирующие прокладки 14.
Набором прокладок 13 при установке упора 12, и завинчивании заглушки 16 и винтов 8 обеспечивают устранение зазора и натяг между плунжером 10 и фрикционными вкладышами 6, сохраняя при этом достаточный зазор Δt в пределах 2-3 мм. При необходимости создания дополнительного осевого усилия давлением плунжера 10 на фрикционные вкладыши 6 при собранном блоке компенсации, обеспечивают за счет прокладок 13 при затяжке заглушки 16. Зазор Δt необходим для обеспечения усилий защемления при положительных и отрицательных температурах.
При замерзании жидкости происходит увеличение ее объема на 8% от первоначального. Герметизация утечек жидкостного компенсатора 17 осуществляется сплошной манжетой 15. Датчик давления 19, датчик температуры 18, электроклапан 27, нагреватели 22 и 23 и тензодатчик 26 связаны с БПУ, включение и выключение которых осуществляется по программе, заложенной в блоке.
При изменении температуры окружающей среды из-за разности коэффициентов линейного расширения материалов твердотельного компенсатора 11, плунжера 10 и корпуса блока компенсации 9 формируются, значительная разность деформации, которая сопровождается образованием сил сжимающих рельс и сил трения препятствующих перемещению рельсовых нитей в осевом направлении. Реакция от продольных силы затяжки винтов 8, блока фрикционной компенсации 11, от разности температурных удлинений сопряженных деталей компенсаторов воспринимается вертикальными стойками ложементов.
Силы трения используются для автоматического управления осевыми перемещениями и НДС рельсов. С ростом длины бесстыковых нитей, температуры, НДС рельсов приближается к предельно допустимому состоянию способному вызвать выброс или разрушение.
Тензодатчик подает сигнал на отключение защемления и переводит излишние перемещения на остряковые рельсы БАК перемещений [3]. БАК обеспечивает за счет подвижки остряковых рельсов в осевом направлении, грани которых сопряжены с гранями остряковой платформы подвижной в поперечном направлении, за счет пружинного прижатия.
Система автоматического регулирования с помощью БПУ 20 на фоне естественных температур обеспечивает включение и выключение подогрева термоэлементов из условия сохранения допускаемых температурных перемещений, прочности рельсов и других деталей, устойчивости пути, устранения выбросов и угонов. Критерием работоспособности рельсов при контролируемом уровне напряжений становится устойчивость пути, которой можно управлять в автоматическом режиме смещением температуры защемления рельс в положительную или отрицательную область в зависимости от годового смещения ее максимума относительно нулевого значения.
Тензодатчик 26 на рельсах, выдает информацию о напряженном состоянии, в соответствии с которой согласно программе БПУ 20 регулирует силу трения.
При достижении предельных значений, например при отрицательных температурах, представляющих опасность для порыва рельсов, по сигналу датчика температуры окружающей среды 18 и тензодатчика 26, БПУ 20 включает кратковременный подогрев замерзшей жидкости 17 нагревателем 23. Подогрев обеспечивает временное плавление жидкости, снижает растягивающие напряжения в рельсах до безопасного уровня в пределах от 5% - до 10% от их предельного значения с последующим отключением. Возникающие при этом аварийные перемещения компенсируются по способу, предусмотренному патентом [3].
Для экономии энергии при длительной сезонной постоянной температуре предусмотрена возможность подачи давления через электроклапан 19 от плунжерного насоса.
При использовании предлагаемого изобретения появляется возможность аккумулировать значительную часть деформации на отдельных специально уложенных участках между БФК перемещений за счет защемления при определенных температурах для сохранения необходимого уровня деформации и напряжений в рельсах уменьшающих предельные значения, вызывающие выброс или разрушение.
Увеличение, уменьшение продольных сил трения, полученное за счет подогрева твердотельного компенсатора, замораживания жидкости, или изменении давления обеспечивает уникальную простоту автоматического управления параметрами пути.
Использование для автоматического управления, механизмов статически неопределимой системы, движущей силой которого являются внутренние напряжения, возникающие при изменении температур, позволяет автоматизировать управление параметрами пути. Использование предлагаемого изобретения в комплексе с ранее полученными патентами, направленными на компенсацию температурных деформаций позволяет полностью исключить их влияние на прочность, долговечность и устойчивость и сократить до минимума объем регламентированных работ, повысить эффективность и безопасность эксплуатации ЖД транспорта.
Расчет силовых и геометрических параметров показывают высокие относительные показатели конструкции, незначительное энергопотребление, высокую компактность, простоту и надежность реализации способа, на фоне больших требуемых усилии.
т
6
6
2
Исходные данные для расчета: пределе текучести рельсовой стали σ=750 МПа; Е-модуль упругости 2,1⋅10, температурное удлинение километровой плети  где α=11,8⋅10, Δt=60°С,  F=95 см, n=1,3 запас прочности в рельсах.
Ориентировочная оценка напряженного состояния, величины перемещений и деформации проведена для жестко защемленных концов рельсов при температуре ± 60°С. Значение температуры выбрано из условия обеспечения безопасной эксплуатации пути.
1. При +60°С свободное перемещение километрового бесстыкового участка пути составляет 708 мм. Напряжения в рельсах при защемлении указанной деформации составят:
Допускаемые напряжения в рельсах:
2
[σ]=.750/1,3=576 МПа (5760 кг/см),
Осевое усилие при максимальных температурах и предельных напряжениях на одной плети достигает:
Р=[σ]F=5760 95=547200 кг (547 т),
2
где F=95 см - площадь сечения рельса Р75.
Эти усилия необходимо компенсировать за счет фрикционной компенсации перемещений рельсов.
Для преодоления максимальных усилий в рельсах от температурных перемещений, потребуются суммарные усилия сжатия шейки рельсов развиваемых компенсаторами:
к
ΣР=Р/f=547/0,4=1367,5 т (13750 Кн),
где f коэффициент трения, равный 0,4 [6]. который можно увеличить за счет плазменного напыления вкладышей карбидами WC, SiO и другими известными способами до 0,7 и уменьшить усилия до 781 Кн.
При габаритах твердотельного компенсатора 11:  диаметре 120 мм; температуре нагрева ΔТ=60°С его удлинение составит
-5
где α=7,9×10 коэффициент линейного расширения материала твердотельного компенсатора. При необходимости увеличения величины  необходимо увеличить длину компенсатора 11.
Осевая сила Рк, развиваемая одним твердотельным компенсатором 11, при гашении собственного температурного удлинения 0,0945 см будет:
3
2
2
где Е=217 10 - модуль упругости материала твердотельного компенсатора, F=0,785 D=113 см, площадь сечения твердотельного компенсатора.
Суммарная сила поперечного сжатия рельса одним блоком фрикционной компенсации составит:
к
б
ΣР=Р+Р=1226+100=1320 Кн (132 т) в каждом ложементе
б
P=T⋅d⋅tg(β+ϕ)/2~10 т.
б
Здесь Р - осевое усилие при контролируемой затяжке резьбового соединения 8. Т -  среднее значение крутящего момента (принято 500 Нм).
Максимальная сила трения, создаваемая в осевом направлении давлением плунжера блока компенсаторов через фрикционный вкладыш 6, удлиненную накладку 4 на шейку рельса через 4 поверхности скольжения в одном ложементе, при коэффициенте трения 0,4 [6] составит:
Fт=ΣP⋅f n=1320⋅4 0,4=2112 Кн (211 т),
где f - коэффициент трения, n - количество поверхностей трения между удлиненными накладками, фрикционными вкладышами и рельсом.
Для компенсации максимальных напряжений и перемещений при максимальных температурах потребуется установка:
к
т
N=ΣР/F=13280/2112=6,5 штук
Установка 14 блоков БФК 9 компенсации на двух ветвях позволят компенсировать температурные перемещения вплоть до защемления рельсов в любых экстремальных случаях.
2. Расчет давления жидкости 17 в полости упора 12, обеспечивающего возможность создания постоянных усилий фрикционного торможения.
ж
2
2
2
Усилие со стороны упора 12 от давления жидкости: Р=S⋅Р, где S - площадь полого поршня диаметром 120 мм, S=0,785⋅D=113 см, Р давление жидкости равное 250 кг/см:
ж
Р=113 250=28250 кг=282,5 Кн (28,5 т).
б
Учитывая, что при закреплении рельсов резьбовыми соединениями создается усилие сжатия рельса Р=100 Кн (10 т). Суммарное усилие сжатия от давления и затяжки составит:
Р=100+282,5 ~ 382 КН (38,5 т).
Сила трения в осевом направлении от давления, от затяжки и от удлинения термоэлемента 11 при фактической температуре окружающей среды (с учетом разности между температурой закрепления рельсов и фактической (принята четвертая часть от максимальной температуры нагрева 60/4=15С°) составит:
б
ж
Fт=n⋅f(P+0,25 Fт+Р)=4⋅0,4⋅(100+0,25 2121+282)=1517 Кн (151 т).
2
Для обеспечения компенсации перемещений на уровне защемления при длительных сроках и экстремальных температур с целью экономии энергии при подаче давления 250 кг/см достаточно усилия трения развиваемого 18 компенсаторами на обеих ветвях, что обеспечит экономию энергии и установку в местах отсутствия электричества.
к
т
N=ΣP/F=13750/1517=9
3. Расчет требуемого объема жидкости для фрикционного торможения рельс.
При замерзании жидкости (например, воды) происходит увеличение ее объема на 8%. Расчет требуемого объема ведется из условия обеспечения равенства перемещений и усилий развиваемых БФК 9 при изменении температуры до -60°С.
Максимальное перемещение плунжера термоэлемента при указанном изменении температуры должно составляет  что необходимо обеспечить за счет прокладок 15 и 24 при сборке БФК с натягом всей размерной цепи при затяжке резьбовых соединений (винтом 8, БФК и заглушкой 16),
2
2
При диаметре полости 120 мм и перемещении, равном перемещению плунжера от удлинения твердотельного компенсатора, требуемое увеличение объема жидкости составит  где S площадь поршня S=0,785 D=113 см.
3
3
ΔV=113 0,1=11,3 см, что приравниваем к требуемому увеличению объема на 8% при замерзании жидкости. Отсюда из пропорции требуемый объем жидкости V=~400 см. Линейный размер полости упора 12, обеспечивающий размещения требуемого объема:
L=V/S=400/113=3,53 см.
Длина цилиндрической части упора 12, который заполнен жидкостью, составляет 4 см.
Проведенные расчеты силовых и геометрических параметров устройства по способу показывают высокие относительные показатели конструкции, возможность длительной работы без энергопотребления, высокую компактность, простоту и надежность воплощения способа, на фоне больших требуемых усилии.
Сопоставительный анализ свойств, предлагаемого способа и прототипа показывает, что способ отличается возможностью простого и надежного управления в автоматическом режиме параметрами пути, такими как сопротивление РШР, НДС рельсов, консервировать требуемый уровень температурных напряжений и перемещении разного знака. Обеспечивает управление температурой и уровнем фрикционного защемления, позволяет смещать температуру закрепления рельс в положительную или отрицательную область в зависимости от сезонных смещений максимума относительно нулевого значения, что соответствует критерию изобретения «Новизна».
В качестве движущей силы исполнительных механизмов автоматики используется естественное изменение температуры окружающей среды, что обеспечивает простоту конструкции, отсутствие исполнительных дорогостоящих механизмов, незначительное энергопотребление, высокую надежность и безопасность обеспечения выполняемых функции, что отвечает критерию изобретения «Промышленная применимость».
Варьирование геометрическими размерами, давлением, температурой нагрева, защемления позволяют расширить возможности применения предлагаемого изобретения.
Эксплуатация рельсовых нитей представляет одну из сложнейших дорогостоящих технических проблем, связанных с постоянным контролем и поддержанием в установленных пределах уровня напряжений в рельсах, сезонной постановкой и заменой уравнительных пролетов, мониторингом линейных и поперечных смещений пути, профилактикой выбросов, угонов, упреждением постоянной угрозы аварийных ситуации. Перечисленный объем работ связан с содержанием огромного штата обслуживающего персонала высокой квалификации. Стоимость обслуживания верхнего строения пути составляет 40% от общих затрат на его содержание.
Использование предлагаемого способа позволяет управлять основными параметрами верхнего строения пути, обеспечивает снижение вероятности аномальных проявлений и ликвидацию аварийных ситуации.
Литература
1. Патент №2679849 С1, МПК Е01В 11/32, 27.11.2017.
2. Патент №2686597 С1, МПК Е01В 11/32. 22.06.2018.
3. Патент №2685491 С1, МПК Е01В 11/32 22.06.2018.
4. Бесстыковой путь. М.: "Транспорт", 2000.
5. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути М.: "Транспорт", 2000.
6. Крагельский И.В., Виноградова И.Э. Коэффициенты трения. Москва, 1962.