Устройство для обеспечения стабильной ширины железнодорожной колеи в кривых разного радиуса

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а именно к верхнему строению железнодорожного пути, и предназначена для обеспечения стабильной ширины железнодорожной колеи в кривых разного (малого) радиуса посредством формирования комбинированной (поперечной) нагрузки и жесткости анкерного рельсового скрепления (АРС) на железнодорожном пути со скреплением АРС.
Известны анкерные рельсовые скрепления (см. Патент РФ №2190720, дата публикации -10.10.2002 г. либо Патент РФ №2364673, дата публикации - 20.08.2009 г). Проблемным элементом в известных устройствах в узле скрепления АРС с точки зрения износа является демпфирующий уголок (он же изолятор или изолирующий уголок), служащий для опирания на него нарельсовой части клеммы АРС. Срок службы такого демпфирующего уголка составляет порядка 800 млн т брутто в прямом участке пути. В то же время в кривых радиусом 650 м и менее из-за увеличения боковых сил происходит интенсивное смятие демпфирующих уголков, что приводит к расстройству ширины рельсовой колеи. Это происходит по нескольким причинам. Во-первых, из-за избытка возвышения наружного рельса в кривых, устанавливаемого из расчета скоростей пассажирского подвижного состава, которые значительно выше скоростей грузовых поездов. По этой причине грузовой подвижной состав, имея меньшую скорость движения, скатывается на внутреннюю нитку рельса и катится по ней большим диаметром колесной пары, а по упорной рельсовой нити - меньшим диаметром. Следствием этого является увеличение давления на демпфирующие уголки на обеих рельсовых нитях с наружных сторон, что способствует их быстрому выходу из строя. Во-вторых, из-за укладки железобетонных шпал в кривых не ортогонально к оси пути при производстве капитальных работ. На некоторых участках до 70% шпал уложены не по нормали к оси пути. При этом происходит перекос демпфирующих уголков и неравномерное их сжатие с последующим интенсивным износом. Одновременно с этим на демпфирующие уголки, установленные на соседних шпалах, увеличивается усилие передаваемых на них боковых сил, что, по сути, провоцирует цепную реакцию более интенсивного износа демпфирующих уголков.
Наиболее близким по технической сущности является АРС, описанное в патенте РФ №2364673, дата публикации - 20.08.2009 г. Анкерное рельсовое скрепление содержит анкер с направленными вниз хвостовиками, жестко установленный в железобетонной шпале. Каждая головка анкера имеет два разнесенных вдоль рельса кронштейна. Амортизирующая подрельсовая прокладка расположена между головками анкера на подрельсовой части шпалы (подрельсового основания). Две пружинные клеммы надеты на головки анкера и выполнены с возможностью взаимодействия концевыми усами через регулятор натяжения с соответствующими кронштейнами головки анкера Клемма опирается своими скругленными частями на подклеммную подкладку, расположенную на шпале, и прямолинейной нарельсовой частью прижимают рельс к шпале через демпфирующий уголок (изолятор или изолирующую прокладку), выполненный либо в виде двухполочного уголка с выступом, размещенным между кронштейнами головки анкера, либо в виде трехполочного элемента и имеет, кроме облегающих подошву рельса полок, дополнительную верхнюю вертикальную полку, препятствующую касанию прямолинейной нарельсовой части клеммы головки анкера. Вертикальная полка нарельсовой части демпфирующего уголка расположена между боковой гранью подошвы рельса и кронштейнами с возможностью сопряжения с поверхностью основания головки анкера, выполненным с внутренней стороны прямолинейным как продолжение вертикальных поверхностей кронштейнов, по краям которых имеются вертикальные реборды, также взаимодействующие с вертикальной полкой. Для обеспечения более полного контактирования по поверхности вертикальной полки демпфирующего уголка между кронштейнами анкера выполнена горизонтальная реборда высотой h, которая выбирается с учетом обеспечения контактирования на высоту не ниже верхней кромки боковой грани подошвы рельса. Сопряжение горизонтальной реборды и верхней поверхности основания головки анкера выполнено скругленным по радиусу для усиления реборды в нижней части и снижения концентрации напряжений от действующих боковых нагрузок.
Задачей заявленной полезной модели является обеспечение комбинированной жесткости скрепления АРС и одинаково успешное использование анкерного рельсового скрепления в частности и железнодорожного пути в целом, как для грузовых перевозок, так и для пассажирских перевозок, исключение быстрого износа элементов железнодорожного пути (в первую очередь демпфирующих уголков (изоляторов)) и опасного увеличения ширины рельсовой колеи. Также задачей настоящей полезной модели является создание обеспечения стабильности расчетной ширины колеи в кривых разного (малого) радиуса.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение безопасности движения железнодорожного транспорта, повышение надежности и долговечности конструкции анкерного рельсового скрепления (в частности, демпфирующих уголков, подрельсовых прокладок, шпал, рельсов) и железнодорожного пути в целом, снижение эксплуатационных расходов посредством сокращения трудозатрат на текущее содержание железнодорожного пути за счет стабилизации ширины рельсовой колеи в нормативных допусках и, как следствие, уменьшение путевых работ на регулировку ее по шаблону.
Сущность заявляемой полезной модели состоит в том, что для обеспечения стабильной ширины железнодорожной колеи в кривых разного радиуса посредством формирования комбинированной нагрузки, устанавливают на шпалах с чередованием жесткий уголок повышенной прочности из материала, отличного от материала демпфирующего уголка, при этом шаг чередования определяют в зависимости от конкретного радиуса кривой и от условий надежности работы анкера, причем жесткий уголок устанавливают на шпалах только с наружной стороны рельсов.
Согласно заявленной полезной модели жесткий уголок могут устанавливать с чередованием на разных шпалах, и выполнен он из стали или чугуна.
В настоящей полезной модели используется принцип комбинирования жесткости скрепления АРС, т.е. объединения на одном участке железнодорожного пути в анкерном рельсовом скреплении, как демпфирующих уголков (изоляторов), так и жестких уголков (элементов скрепления с более высокой жесткостью).
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами.
Фиг. 1 - общий вид заявляемого и используемого в настоящее время анкерного рельсового скрепления.
Фиг. 2 - график изменения средней ширины колеи в кривой R-590 м в зависимости от наработки тоннажа, построенный по результатам испытаний при осуществлении заявленной полезной модели.
Используемое в настоящее время анкерное рельсовое скрепление содержит (см. Фиг. 1) анкер 1 с направленными вниз хвостовиками 2, жестко установленный в железобетонной шпале 3. Каждая головка анкера 1 имеет два разнесенных вдоль рельса 4 кронштейна 5. Амортизирующая подрельсовая прокладка 6 расположена между головками анкера 1 на подрельсовой части шпалы 3 (подрельсового основания). Две пружинные клеммы 7 надеты на головки анкера 1 и выполнены с возможностью взаимодействия концевыми усами через регулятор натяжения 8 с соответствующими кронштейнами 5 головки анкера 1. Клемма 7 опирается своими скругленными частями на подклеммную подкладку 9, расположенную на шпале 3, и прямолинейной нарельсовой частью прижимают рельс 4 к шпале 3 через демпфирующий уголок (изолятор или изолирующую прокладку) 10, выполненный либо в виде двухполочного уголка с выступом, размещенным между кронштейнами 5 головки анкера 1, либо в виде трехполочного элемента и имеет, кроме облегающих подошву рельса полок (нарельсовой полки и вертикальной полки 12), дополнительную верхнюю вертикальную полку 11, препятствующую касанию прямолинейной нарельсовой части клеммы 7 головки анкера 1.
Вертикальная полка 12 нарельсовой части демпфирующего уголка 10 расположена между боковой гранью 13 подошвы рельса 4 и кронштейнами 5 с возможностью сопряжения с поверхностью 14 основания головки анкера 1, выполненным с внутренней стороны прямолинейным как продолжение вертикальных поверхностей кронштейнов 5, по краям которых имеются вертикальные реборды 15, также взаимодействующие с вертикальной полкой 12. Для обеспечения более полного контактирования по поверхности вертикальной полки 12 демпфирующего уголка 10 между кронштейнами 5 анкера 1 выполнена горизонтальная реборда 16 высотой h, которая выбирается с учетом обеспечения контактирования на высоту не ниже верхней кромки боковой грани 13 подошвы рельса 4. Сопряжение горизонтальной реборды 16 и верхней поверхности основания головки анкера выполнено скругленным по радиусу для усиления реборды в нижней части и снижения концентрации напряжений от действующих боковых нагрузок.
Сборка анкерного рельсового скрепления осуществляется следующим образом. На подрельсовую зону шпалы 3 (фиг. 1) укладывают подрельсовую резиновую прокладку 6. Затем после укладки рельса 4 вставляют демпфирующие уголки 10, так чтобы вертикальная полка 12 располагалась между боковой гранью 13 подошвы рельса 4 и кронштейнами 5, контактируя с поверхностью 14 основания головки анкера 1, вертикальными ребордами 15 и горизонтальной ребордой 16. Пружинную клемму 7 надевают на головку анкера 1 сверху, помещая ее прямолинейную часть на демпфирующий уголок 10, а концевые усы, располагая над верхней поверхностью основания головки анкера 1. Нашпальные скругленные участки клеммы 7 укладывают на защитные подклеммные подкладки 9, располагая витки клеммы 7 на их плоскости. Регулятор натяжения 8 заводят в зацепление с крюками кронштейнов 5 и путем поворота на одну из граней регулируют натяжение клеммы 7.
В заявленной полезной модели предлагается с определенным шагом с наружной стороны рельсов чередовать установку в анкерном рельсовом скреплении демпфирующего уголка и жесткого уголка, чья жесткость и модуль упругости имеют более высокие значения. При этом место установки, расположение и номинальные толщины нарельсовой и вертикальной полок жесткого уголка являются идентичными месту установки, расположению и номинальным толщинам нарельсовой и вертикальной полок демпфирующего уголка 10. Форма выполнения жесткого уголка может несколько отличаться от формы выполнения демпфирующего уголка 10, например, иметь укороченную форму нарельсовой и вертикальной полок. При этом материал изготовления жесткого уголка отличается от материала изготовления демпфирующего уголка 10, за счет чего и достигается более высокая жесткость элемента. Жесткий уголок может быть изготовлен из любого подходящего для его назначения материала, например из стали или чугуна. Его устанавливают только с наружной стороны каждой рельсовой нити, т.е. с внутренней стороны рельсов на каждой шпале согласно заявленной полезной модели по-прежнему устанавливают стандартный демпфирующий уголок 10. Благодаря этому сохраняются демпфирующие свойства рельса. Шаг чередования демпфирующего уголка 10 и жесткого уголка может быть любым и зависит от конкретного радиуса кривой и от условий надежности работы анкера, при этом жесткий уголок может быть установлен с наружной стороны рельса, либо на каждой второй шпале, либо на каждой третьей шпале, либо на каждой четвертой шпале, либо с большим интервалом, либо на каждой шпале. При расстановке жестких и демпфирующих уголков необходимо также добиться того, чтобы возникающее при проходе в кривой подвижного состава усилие не разрушало головку анкера.
При движении подвижного состава по железнодорожному пути в кривой (приблизительно от 650 м до 350 м) при изгибе рельса большие усилия принимают на себя жесткие уголки, а на демпфирующие уголки приходятся меньшие усилия, тем самым снижая уровень их износа. Именно в этом и заключается принцип формирования комбинированной нагрузки.
На Фиг. 2 наглядно проиллюстрировано, что при обеспечении комбинированной жесткости скрепления АРС за счет одновременного использования с чередованием на разных шпалах и демпфирующих и жестких уголков, как это имеет место быть в настоящей полезной модели, стабилизируется ширина рельсовой колеи. Ширина колеи находится в диапазоне от 1519,5 мм до 1523,6 мм, что является хорошим результатом при номинальной ширине колеи 1520 мм. Без использования заявленной полезной модели ширина колеи колеблется гораздо в более широком интервале.
Сущность полезной модели базируется на расчетах по способности замоноличенного анкера в шпале воспринимать более высокую интенсивность горизонтальной силы и на линии влияния, построенной по уравнениям механики деформируемого твердого тела. Данное предложение апробировано в кривой радиусом 590 м на Московской железной дороге в реальных условиях эксплуатации. Испытания кривой с комбинированной жесткостью показали хорошее обеспечение стабильной ширины рельсовой колеи в нормативных допусках.
Полезная модель позволяет поддерживать требуемые по стандарту значения ширины рельсовой колеи, снизить эксплуатационные расходы путем сокращения трудозатрат на текущее содержание железнодорожного пути со скреплением АРС в кривых разного (малого) радиуса за счет стабилизации ширины рельсовой колеи в нормативных допусках и, как следствие, уменьшить путевые работы на регулировку ее по шаблону.