УСТАНОВКА ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ БАЛЛАСТНОЙ ПРИЗМЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а именно к установке для укрепления балластной призмы железнодорожного пути и может найти применение при путевых работах, связанных с укреплением балластной призмы на участках железнодорожного пути в кривых малых радиусов, на участках производства путевых работ с глубокой вырезкой балласта и на строящихся или реконструируемых участках железнодорожных магистралей.
Известно устройство для укрепления щебеночной насыпи, содержащее слой щебня на поверхности балластной призмы железнодорожного пути, включающий мелкозернистый материал в количестве 1,5-7% от веса щебня и связующее в виде отходов нефтепереработки, целлюлозно-бумажной промышленности или связующие на основе латексов для образования устойчивого к внешним воздействиям покрытия толщиной около 4 см (патент РФ 887723, опублик. 07.12.1981).
Недостатком известного технического решения является то, что укрепленная указанным образом балластная призма имеет сравнительно низкие эксплуатационные характеристики и амортизирующие свойства, ее поверхностный слой обладает недостаточной удерживающей способностью от горизонтального сдвига шпал, что особенно актуально на участках движения высокоскоростных поездов, тяжеловесных и длинносоставных поездов и перспективных вагонов с нагрузками более 23,5 т/ось.
Известна система для укрепления балластной призмы железнодорожного пути, включающая средства для пропитки верхнего щебеночного слоя жидким полимерным связующим на основе полиуретана (см. патент РФ №100777, опублик. 27.12.2010).
Особенностью известного технического решения является то, что балластная призма содержит укладываемый на земляное полотно слой песчаной или песчано-гравийной подушки, зерна щебня в поверхностной части верхнего щебеночного слоя соединены связующим полимером на основе полиуретана путем их заливки полимерным связующим в жидком виде с его последующим отверждением и образованием пористой структуры за счет склеивания зерен щебня в точках их соприкосновения, при этом глубина пропитки связующим составляет 5-7 см, а верхний слой состоит из щебня фракции 25-80 мм.
К недостаткам известного технического решения следует отнести то, что укрепление балластной призмы осуществляется, как правило, с использованием ручного труда. Это приводит к неравномерной заливке верхнего щебеночного слоя полимерным связующим при увеличении удельных затрат на укрепление балластной призмы. Указанные обстоятельства могут привести к снижению ее эксплуатационных характеристик, к возможным нарушениям верхнего строения пути и ходовой части железнодорожных составов.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является установка для укрепления балластной призмы железнодорожного пути, включающая размещенные на подвижной железнодорожной платформе средства для подготовки и пропитки щебеночного слоя балластной призмы жидким полимерным связующим (см. патент РФ №108455, опублик. 20.09.2011 - прототип).
Особенностью известного технического решения является то, что установка размещена на подвижной железнодорожной платформе и включает, по крайней мере, одну накопительную емкость, заполненную жидким связующим, выход указанной емкости соединен через управляемый вентиль, дозатор и приемный коллектор, размещенный на вертикальной стойке поворотного кронштейна, с входом разбрызгивающего устройства, выполненного в виде консольно расположенного перфорированного трубопровода, состоящего из двух шарнирно связанных частей для изменения расстояния до щебеночного слоя балластной призмы.
Недостатком известной установки для укрепления балластной призмы железнодорожного пути является низкая удерживающая способность укрепленного с поверхности щебеночного слоя из-за возможного осыпания значительной массы нижерасположенных балластных материалов при производстве путевых работ на смежном пути с глубокой вырезкой балласта, при проведении путевых работ на участках пути в кривых при высоких температурах окружающей среды и др. Таким образом, в указанные периоды не обеспечивается поддержание требуемых эксплуатационных характеристик пути и требуемая безопасность движения поездов.
При отсутствии других дополнительных средств укрепления балластной призмы возможно снижение продольной и поперечной устойчивости эксплуатируемого участка пути под воздействием нагрузок от движения поездов и температурных сил, возникающих в рельсах в ремонтный и послеремонтный периоды. Дополнительное укрепление участков пути в кривых и технологических откосов междупутной зоны балластной призмы железнодорожного пути в указанных случаях практически осуществляют с помощью шпунта или щитовой опалубки, укрепленной с помощью стальной арматуры, заглубленной в балластную призму, что увеличивает удельные затраты на проведение указанных работ.
Техническим результатом предложенной полезной модели является устранение указанных недостатков известных технических решений и увеличение удерживающей способности основной массы щебеночного слоя для предотвращения осыпания балластных материалов на участках пути в кривых и в технологических откосах междупутной зоны при производстве путевых работ с глубокой вырезкой балласта. Дополнительным результатом является снижение затрат на укрепление указанных участков железнодорожного пути при одновременном улучшении амортизирующих и эксплуатационных характеристик балластной призмы.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке для укрепления балластной призмы железнодорожного пути, включающей размещенные на подвижной железнодорожной платформе средства для подготовки и пропитки щебеночного слоя балластной призмы жидким полимерным связующим, согласно полезной модели, на железнодорожной платформе на расстоянии друг от друга по ходу движения консольно размещены с возможностью изменения расстояния до края рельсо-шпальной решетки плужный узел для подготовки на поверхности щебеночного слоя канавчатой выборки заданной глубины и выравнивающее приспособление для восстановления профиля щебеночного слоя балластной призмы, причем плужный узел снабжен каналом и насадкой для регулируемой равномерной подачи из накопительной емкости на дно канавчатой выборки жидкого полимерного связующего, выполненного с возможностью вспенивания и формирования внутри щебеночного слоя каркасной структуры в виде протяженного элемента жесткости балластной призмы за счет образования композита щебень - полимерное связующее.
2
Кроме того, плужный узел установки может быть выполнен с возможностью подготовки на поверхности щебеночного слоя канавчатой выборки глубиной 10-45 см на расстоянии 5-25 см от края рельсо-шпальной решетки в зоне укрепления балластной призмы, выравнивающее приспособление для восстановления профиля балластной призмы может быть расположено на расстоянии 0,1-1,5 м от плужного узла и выполнено в виде соединенных под углом стальных пластин, причем жидкое полимерное связующее может быть выполнено на полиуретановой основе для образования внутри щебеночного слоя каркасной структуры в виде протяженного элемента жесткости сечением не менее 450 см.
Кроме того, установка может быть снабжена пультом управления для полуавтоматического или автоматического управления положением плужного узла, выравнивающего приспособления и работой средств для подготовки и подачи в насадку плужного узла полимерного связующего.
Размещение упомянутых узлов установки указанным образом на мобильной железнодорожной платформе для формирования на поверхности щебеночного слоя канавчатой выборки указанной глубины и последующего восстановления профиля щебеночного слоя, а также использование для укрепления балластной призмы жидкого полимерного связующего, выполненного с возможностью вспенивания и формирования внутри щебеночного слоя каркасной структуры в виде протяженного элемента жесткости за счет образования композита щебень - полимерное связующее позволяет достичь указанный технический результат по увеличению удерживающей способности щебня в технологических откосах, снижению затрат на укрепление указанных участков и обеспечению требуемых амортизирующих и эксплуатационных характеристик балластной призмы на участках движения высокоскоростных поездов, тяжеловесных и длинносоставных поездов и перспективных вагонов с нагрузками более 23,5 т/ось в ремонтный и послеремонтный периоды. Оснащение предложенной установки пультом управления для полуавтоматического или автоматического управления указанными узлами обеспечивает эффективное выполнение необходимого объема работ по укрепления балластной призмы железнодорожного пути при минимальных затратах ручного труда.
Для повышения эффективности использования предложенной установки для укрепления балластной призмы железнодорожного пути целесообразно использовать в качестве связующего - полиуретановую пену и щебень, который должен соответствовать требованиям ГОСТ Ρ 54748-2011. Вспененный полимер застывает на воздухе и самоотверждается на зернах щебеночного слоя, образуя внутри него каркасную пористую структуру в виде композита. Полученная структура не задерживает на поверхности влагу. При этом эластичные свойства каркасной пористой структуры позволяют предохранять щебеночный слой откоса и примыкающих к нему участков балластной призмы от разрыва при различных климатических воздействиях внешней среды, а также повысить удерживающую способность слоя щебня на участках с высокоскоростным движением поездов в ремонтный и послеремонтный периоды.
2
Проведенные в МГУПС (МИИТ) эксперименты показали, что в большинстве случаев сохранение удерживающей способности щебеночного слоя обеспечивается, если количество заливаемого в канавчатую выработку полимерного связующего после вспенивания обеспечивает формирование каркасной структуры в виде протяженного элемента жесткости с площадью поперечного сечения не менее 450 см при глубине нижней границы композита от дневной поверхности балластной призмы не менее 40 см. Для достижения указанного результата плужный узел установки выполняют с возможностью формирования на поверхности щебеночного слоя канавчатой выборки предпочтительно глубиной 10-45 см, расположенной на минимальном расстоянии 5-25 см от края рельсо-шпальной решетки. При этом выравнивающее приспособление для восстановления профиля балластной призмы может быть расположено, без ущерба для процесса укрепления балластной призмы, на расстоянии 0,1-1,5 м от плужного узла.
Использование в установке для укрепления балластной призмы вяжущих материалов, преимущественно, полимерноых связующих для омоноличивания внутренней части щебеночного слоя в зонах плеча и откоса балластной призмы в кривых участках пути, особенно радиусом менее 350 м, со стороны наружной рельсовой нити, как известно, обеспечивает дополнительное увеличение величины поперечного сопротивления сдвигу бесстыкового пути. Аналогичный технический результат достигается при использовании установки для укрепления междупутной зоны балластной призмы на участках производства путевых работ с глубокой (более 0,45 м) вырезкой балласта для обеспечения безопасности пропуска поездов по смежному пути путем ликвидации условий для осыпания балластных материалов, вызывающих нарушение нормативных размеров вновь образующегося откоса балластной призмы.
Для осуществления предложенного технического решения в МГУПС (МИИТ) разработаны требования к структуре и функционированию полимерного вспенивающегося связующего или вяжущего материала, который после введения в щебеночный слой балластной призмы должен создать совместно с щебнем пространственную каркасную структуру в виде композита щебень - полимерное связующее. При этом целесообразно использовать полимерное связующее на основе вспенивающихся полиуретановых полимеров, макромолекулы которых в главной цепи содержат уретановую группу. Полученный композит должен иметь необходимую прочность и устойчивость, обеспечивать фильтрацию воды в окружающем щебеночном слое. Полимерное связующее должно находиться в работоспособном состоянии в диапазоне температур наружного воздуха от 0 до +45°C, в том числе, при воздействии атмосферных осадков, а также обеспечивать необходимую прочность и устойчивость омоноличенного щебеночного слоя с учетом внешних климатических и механических воздействий на балластную призму. Время полной полимеризации вспененного связующего на основе полиуретановой пены составляет от минут до нескольких часов при положительной температуре. После схватывания и образования композита он должен соответствовать экологическим нормативам. Сформированный в щебеночном слое композит не должен уменьшать стабильность балластной призмы как в период проведения путевых работ, так и в процессе дальнейшей эксплуатации. При глубокой вырезке балласта композит должен обладать такой прочностью, чтобы под действием поездной нагрузки не происходило понижение внутренней рельсовой нити смежного пути и не происходило обрушения закрепленного плеча балластной призмы.
Необходимые требования к составу используемого в предложенной установке однокомпонентного или многокомпонентного полимерного связующего и полученного композита включают пожаробезопасность, минимальную степень воздействия на организм человека и окружающую среду, электромагнитную совместимость и др. Требования, касающиеся условий эксплуатации: полученный композит не должен препятствовать выполнению ремонтно-путевых работ, он должен разрушаться на отдельные щебенки под воздействием рабочих органов выправочных и щебнеочистительных машин, должен не терять своих свойств под воздействием поездов и характерных для железных дорог химических материалов и климатических воздействий в интервале температур от минус 50 до плюс 60°C. При закреплении междупутья срок службы композита должен быть не менее срока проведения ремонтно-путевых работ на данном участке пути. После завершения работ, связанных с глубокой вырезкой и восстановлением проектного очертания балластной призмы требования к условиям эксплуатации не устанавливаются.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки для укрепления балластной призмы железнодорожного пути.
Установка для укрепления балластной призмы железнодорожного пути включает размещенные на подвижной железнодорожной платформе 1 средства для подготовки и пропитки щебеночного слоя 2 балластной призмы 3 жидким полимерным связующим. При этом на железнодорожной платформе 1 на расстоянии друг от друга по ходу движения консольно размещены с возможностью изменения расстояния до края рельсо-шпальной решетки 4 плужный узел 5 для подготовки на поверхности щебеночного слоя 2 канавчатой выборки 6 заданной глубины H и выравнивающее приспособление 7 для восстановления профиля щебеночного слоя 2 балластной призмы 3. Плужный узел 5 снабжен каналом 8 и насадкой 9 для регулируемой равномерной подачи из накопительной емкости 10 на дно канавчатой выборки 6 слоя 11 жидкого полимерного связующего, выполненного с возможностью вспенивания и формирования внутри щебеночного слоя 2 каркасной структуры в виде протяженного элемента 12 жесткости балластной призмы 3 за счет образования композита щебень - полимерное связующее.
Плужный узел 5 установки выполнен с возможностью подготовки на поверхности щебеночного слоя 2 канавчатой выборки 6 глубиной, преимущественно, 10-45 см на расстоянии в диапазоне 5-25 см от края рельсо-шпальной решетки 4 в зоне укрепления балластной призмы 3. При этом плужный узел 5 содержит регулируемый механический привод 13 для изменения расстояния до края рельсо-шпальной решетки 4 и глубины погружения в щебеночный слой 2. Выравнивающее приспособление 7 для восстановления профиля балластной призмы 3 может быть расположено на расстоянии в диапазоне 0,1-1,5 м от плужного узла 5 и выполнено в виде соединенных под углом стальных пластин. Приспособление 7 также содержит регулируемый механический привод 14 для изменения расстояния до края рельсо-шпальной решетки 4 и поддержания уровня выравнивания поверхности щебеночного слоя 2 балластной призмы 3.
В установке используется доступное двухкомпонентное жидкое полимерное связующее на полиуретановой основе, выполненное с возможностью вспенивания (так называемая полиуретановая пена). В состав средств для подготовки данного полимерного связующего, могут входить накопительные емкости для его компонентов, смеситель, трубопроводная арматура, управляемые вентили, дозаторы, датчики расхода и др. (не показаны). Указанные средства также могут быть размещены на подвижной железнодорожной платформе 1 с накоплением готового полимерного связующего в емкости 10. Установка снабжена пультом управления 15 для полуавтоматического или автоматического управления положением плужного узла 5, выравнивающего приспособления 7 и работой указанных средств для подготовки и подачи из накопительной емкости 10 на дно канавчатой выборки 6 слоя 11 полимерного связующего.
Функционирование установки при укреплении междупутной зоны балластной призмы железнодорожного пути при производстве путевых работ с глубокой вырезкой балласта осуществляется следующим образом.
В верхнем щебеночном слое междупутной зоны балластной призмы на расстоянии 5-25 см от края рельсо-шпальной решетки 4 формируют методом продольного распахивания с помощью плужного узла 5, по крайней мере, одну канавчатую выработку глубиной 30-40 см. При этом используется регулируемый механический привод 13 для изменения расстояния до края рельсо-шпальной решетки 4 и глубины H погружения плужного узла 5 в щебеночный слой 2. По командам микроконтроллера (не показан) в пульте управления 15 или с помощью оператора выход накопительной емкости 10 соединяют с помощью управляемых вентилей и дозатора (не показаны) через канал 8 с насадкой 9 плужного узла 5, обеспечивающих подачу заранее подготовленного полимерного связующего слоем 11 на дно канавчатой выборки 6.
2
Непосредственно после этого восстанавливают профиль щебеночного слоя 2 балластной призмы 3 до начала вспенивания связующего с помощью выравнивающего приспособления 7 путем воздействия на поднятую из канавчатой выборки 6 часть щебня соединенными под углом стальными пластинами указанного приспособления. Внутри щебеночного слоя 2 на глубине H формируется каркасная структура в виде протяженного элемента жесткости 12. Количество заливаемого в канавчатую выборку 6 полимерного связующего до вспенивания составляет 0,2-0,4 л/м и выше из расчета, чтобы поперечное сечение образованной после вспенивания каркасной структуры композита и элемента жесткости 12 превышало 450 см. После этого обработанный участок балластной призмы предпочтительно выдерживают при положительной температуре в условиях отсутствия эксплуатационных нагрузок в течении 1-4 час для отверждения связующего
Реакция в полимерной смеси протекает с значительным увеличением объема полимерного состава. Вспененный состав проникает под некоторым давлением в зазоры между частицами щебня и полимеризуется. В результате в массиве формируется упрочненная область каркасной пористой структуры в виде протяженного элемента жесткости 12 для укрепляемого участка балластной призмы 3 из-за образования композита щебень - полимерное связующее. Внутри щебеночного слоя 2 образуется прочное эластичное, химически стабильное, стойкое к вибрациям и колебаниям протяженное соединение - элемент жесткости 12, который может воспринимать дополнительную нагрузку на участках пути с высокоскоростным движением поездов в ремонтный и послеремонтный периоды.
2
Для верхнего щебеночного слоя балластной призмы в зоне междупутного участка целесообразно применять щебень, соответствующий требованиям ГОСТ Ρ 54748-2011, а качестве вспенивающегося жидкого полимерного связующего - полиуретановую пену. Функционирование установки при проведении неотложных и планово-предупредительных работ на участках закругления железнодорожного пути осуществляется аналогично. При этом полимерное связующее необходимо вводить в щебеночный слой для укрепления плеча и откоса балластной призмы в кривых участках пути радиусом менее 350 м со стороны наружной рельсовой решетки на глубину 20-35 см, а для закрепления щебеночного слоя в междупутье - на глубину 45 см. При повышенной глубине вырезки балласта в междупутной зоне балластной призмы может возникнуть необходимость формирования внутри щебеночного слоя каркасных структур в виде двух протяженных элементов жесткости балластной призмы с общим сечением более 450 см.
В результате проведенных в МГУПС (МИИТ) экспериментов было выявлено, что при использовании предложенной установки для укрепления балластной призмы железнодорожного пути нет необходимости в защите обработанного указанным способом щебеночного слоя от осадков. Технологические операции по укреплению балластной призмы могут быть выполнены в отдельные «окна» продолжительностью 2-4 часа до реконструкции или капитального ремонта пути. В условиях отсутствия эксплуатационных нагрузок по истечении указанного или большего времени на ремонтируемом участке можно выполнять технологические операции соответствующих типовых технологических процессов без каких-либо ограничений.
Использование предложенной установки на строящихся участках железнодорожных магистралей или при путевых работах по укреплению балластной призмы позволяет сохранить ее основные эксплуатационные характеристики как на период проведения указанных работ, так и на период дальнейшей эксплуатации. Увеличение удерживающей способности балластной призмы и технологических откосов предотвращает осыпание материала щебня. Дополнительным результатом предложенного технического решения является значительное снижение затрат на укрепление балластной призмы при проведении ремонтных работ за счет рационального использования полимерного связующего и затрат на его проливку в сравнительно широком диапазоне климатических условий.