ВЫСТУП ШПАЛЫ
OUTHANG OF SLEEPER

Изобретение относится к устройству рельсовых опор и может быть применено в конструкции шпал, преимущественно железобетонных, применяемых в верхнем строении железнодорожного пути, в основном бесстыкового.
Общеизвестна конструкция цельнобрусковой, предварительно напряженной, струнобетонной железобетонной шпалы, в которой нижняя постель плоская или в своей средней части она может иметь выемку.
Железобетонная шпала должна обладать высокой надежностью и долговечностью. Поэтому нормируемый срок ее использования должен составлять не менее 40-50 лет. Основным дефектом, ограничивающим срок эксплуатации стандартных рельсовых опор, является появление и развитие трещин по верхней поверхности средней зоны, а также в той части подошвы, которая расположена непосредственно под подошвой рельса, то есть в подрельсовой зоне шпалы. Это наиболее уязвимые участки конструкции, значительно сокращающие долговечность изделия.
Поэтому через 20-25 лет при смене рельсов полностью заменяют и шпалы. Из них 14% сразу выбраковывают, остальные могут быть использованы на станционных и подъездных путях.
При подбивке балласта подбойками выправочно-подбивочно-рихтовочных машин уплотнение щебня, расположенного в подрельсовой зоне подошвы шпалы, не происходит, потому что попасть туда лопаткам подбоек путевой машины мешает подошва рельса. Длина этой зоны примерно 200 мм.
Кроме того, необходимо учесть, что при выправке величина подъемки пути составляет 50-70 мм и более. Поэтому, при сжатии подбоек и перемещении щебня под подошву поднятой шпалы, возникают 4 значительных по высоте бугра, по одному с правой и левой стороны каждой плети, а в под рельсовой зоне, наоборот, образуется впадина шириной по верху до 200 мм, а глубиной, в самом низком месте, по продольной оси плети, до 100 мм.
В то же время, именно к центру этой зоны (впадины) от колеса вагона приложена максимальная вертикальная поездная нагрузка Рп, величина которой вследствие статической и динамической составляющих, возможного волнообразного износа рельсов до 1,4 мм, допустимого ползуна на ободе колеса 0,65 мм доходит 20 тс, а из-за удара на стыке плетей увеличивается до 30 тс.
Поэтому на подошве шпалы, в подрельсовой ее части, возникают значительные изгибающие моменты. Кроме того, наличие в этой зоне в теле рельсовой опоры отверстий для закладных болтов и клемм уменьшает сечение, а неизбежные и существенно увеличенные кромочные напряжения ослабленных мест провоцируют появление трещин и разрушение шпалы. Это является одним из главных недостатков существующих конструкций.
Исследования автора показали, что решить проблему значительного повышения трещиностойкости, а также устойчивости к температурному выбросу, достижения состояния стабилизации балласта пути сразу после его укладки или подбивки при выправке, может введение зубатого выступа.
Наиболее эффективно введение выступа в подрельсовой зоне. Во-первых, увеличивается прочность шпалы за счет увеличения сечения в наиболее уязвимом месте конструкции. Во-вторых, в том месте верха балластной призмы, где имеется впадина, то есть в подрельсовой зоне, появляется, за счет выступа, опора для подошвы шпалы. Поэтому возникшая реактивная сила со стороны балласта Рб, направленная навстречу силе поездной нагрузки Рп, ослабляет ее и, следовательно, уменьшает изгибающий момент в опасном сечении. Причем степень уплотнения в подрельсовой зоне щебня дном выступа может достигать значений, близких к предельным 22-24%, и значительно превышать степень уплотнения балласта в остальных частях подошвы шпалы. Выбором параметров выступа можно добиться практически равенства этих сил Рп=Рб, а также уменьшить в подрельсовой впадине плечо L действия силы Рп до значений L=0. Поэтому изгибающий момент становится равным нулю и изгибающие напряжения материала изделия, в наиболее уязвимом месте шпалы, подрельсовой зоне, исчезают.
Конструкция выступа в подрельсовой зоне в соответствии с техническим решениям, приведенными в SU 1772284 неэффективна из-за незначительности величины реактивной силы со стороны балласта Рб и невозможности оптимального размещения арматуры.
Наиболее близкой по конструкции заявленному изобретению рельсовой опорой является железобетонная шпала по SU 1194938. Принимаем это техническое решение за прототип.
Его недостатками остаются незначительная трещиностойкость и незначительная степень уплотнения балласта в подрельсовой зоне дном, то есть подошвой выступа.
Целью предлагаемого изобретения является устранения указанных недостатков.
Указанная цель достигается тем, что подошва выступа имеет две грани, а также тем, что дно выступа выпуклое, а грани подошвы выступа при пересечении друг с другом образуют угол в диапазоне от 180° до 90°. Кроме того, грани расположены симметрично относительно продольной оси выступа.
Под гранью, то есть под рабочей гранью, подошвы выступа следует понимать поверхность, которой выступ опирается на балласт: то есть это его подошва, его низ, его дно.
Количество рабочих граней по меньшей мере две. Но может быть и больше, например, 4. Сам выступ - это многогранник. Обычной его формой является параллелепипед. Он расположен на подошве шпалы. Его продольная ось параллельна продольной оси подрельсовой зоны и продольной оси плети бесстыкового железнодорожного пути.
Длина параллелепипеда примерно равна ширине подошвы шпалы, а ширина - примерно ширине подошвы рельса.
Процесс уплотнения балласта в подрельсовой зоне принципиально изменяется при переходе с плоской формы подошвы, то есть дна выступа, на выпуклую. Происходит это по следующей причине. Форма впадины подрельсовой зоны верхнего слоя балласта определяется углом естественного откоса щебня. Он равен приблизительно 45°. Что происходит при работе выправочно-подбивочно-рихтовочной машины и подъемке ей пути, например, на h=60 мм? Известно, что расстояние между соседними лопатками подбивочного блока, расположенными при работе с правой и с левой стороны подошвы рельсовой нити, равно приблизительно L=150…200 мм. Примем L=150 мм. Ширину выступа обозначим s. Примем s=150 мм. При подъемке пути в массиве балласта, в подрельсовой зоне, вначале появляется впадина в форме параллелепипеда, а между подошвой выступа, то есть его дном, и балластом возникает зазор m. Его величина равна величине подъемки h, то есть m=h=60 мм. В образовавшуюся при подъемке пути в параллелепипедообразную впадину с боковых ее стенок, под действием гравитационных сил и действия вибрирующих лапоток подбивочного блока, перемещяющих балласт под подошву шпалы, затекают щебенки. Форма впадины в подрельсовой зоне в итоге изменяется. Ее дно станет не плоским, а двухгранным. Форма впадины в поперечном сечении принимает вид равнобедренного прямоугольного треугольника, гипотенуза которого горизонтальна и равна ширине выступа, вершина при прямом угле находится внизу, а ребра расположены к горизонту под углом естественного откоса для щебня, то есть 45°. Поэтому при подъемке пути при плоском дне выступа между ним и дном впадины есть значительный зазор. Максимальный по величине зазор Z будет в вершине прямого угла, которая расположена посередине подрельсовой зоны шпалы. При L=s=150 мм значение Z равно половине гипотенузы равнобедренного прямоугольного треугольника. То есть Z=0,5L==0,5×150=75 мм. Но наличие зазора означает отсутствие опоры под дном выступа и практически нулевое значение силы реакции Рб со стороны щебня. Поэтому под действием поездной нагрузки Рп возникает максимальный изгибающий момент на подошву шпалы в подрельсовой зоне и происходит появление и развитие трещин. Рельсовая опора быстро выходит из строя. Кроме того, щебень в подрельсовой зоне практически не уплотняется. Шпала продолжает лежать на 4 буграх из щебня, образовавшихся после работы путевой выправочно-подбивочной машины. Причем исследования показали, что реальная степень уплотнения балласта в буграх подбойками путевых машин всего 2-4%, то есть очень низкая, и путь после ремонта под действием поездной нагрузки начинает быстро и неравномерно осаживаться. Идет его быстрая деградация. Поэтому необходимы частые повторные ремонты пути для восстановления проектного положения рельсошпальной решетки.
Это большие экономические потери.
В предлагаемой конструкции дно выступа в виде двух наклонных граней может иметь площадь N контакта со щебнем под выступом от 0 до 100%. При угле наклона 180° друг к другу двух плоскостей, образующих подошву выступа, N=0 и Рб=0. При прямом угле в месте стыка граней и расположении их симметрично относительно продольной оси выступа форма выступа копирует форму дна впадины подрельсовой зоны. Очевидно, что в этом варианте, вся поверхность выступа контактирует балластом подрельсовой зоны, площадь опирания достигает максимального, 100% значения, и поэтому величина Рб при принудительной осадке пути всего на 10-12 мм достигает значения величиной 20 тс и более. Следовательно, при угле пересечения граней подошвы выступа в диапазоне от 180° до 90° величина Рб может меняться от 0 до максимального значения. То есть регулирование жесткости балласта под дном выступа с целью расширения диапазона величины возможной принудительной осадки пути вертикальной силой, например, в соответствии с RU 2536433 выполняется путем выбора угла пересечения β граней подошвы выступа. Оптимальное значение β находится в пределах 65-90°. В этом диапазоне технически несложно реализовать существенное превышение реактивной силы балласта подрельсовой зоны над реактивной силой бугров балласта, расположенных слева и справа от подошвы рельса. Угол пересечения граней меньше 90° может быть применен в специальных случаях. Рекомендуемая толщина выступа 30-70 мм.
При определенных условиях возникающая реактивная сила со стороны балласта может полностью уравновесить поездную нагрузку Рп. Кроме того, ликвидация телом выступом пустого, незаполненного щебнем пространства в подрельсовой зоне приводит к нулевому значению плеча изгибающего момента на подошву шпалы в ее самом трещиноопасном месте.
Поэтому новая конструкция обеспечивает значительное увеличение работоспособности, долговечности изделия и дает возможность достичь полной стабилизации балластной призмы сразу после ремонта пути выправочно-подбивочной машиной при применении технологии выполнения работ в соответствии с техническим решением RU 2536433 и при определенных условиях первичной укладки звеньев рельсошпальной решетки укладочным краном, когда образуется своеобразный столб из уплотненного балласта под дном выступа.
В этом случае положение железнодорожной колеи в продольном профиле перестанет изменяться при проходе поездов, так как несущая способность балласта становится способной выдержать практически любую поездную нагрузку без просадок, без изменения продольного профиля. Путь, следовательно, при определенных параметрах выступа, технологии укладочных работ и ремонта сохраняет проектное положение независимо от пропущенного тоннажа.
Применение предлагаемого технического решения позволяет значительно уменьшить объемы путевых работ по выправке в продольном профиле рельсошпальной решетки и обеспечить приведение балластного слоя в постоянное устойчивое к статическому и динамическому силовому воздействию состояние сразу после укладки или ремонта пути, сохранить неизменность первоначального положения железнодорожной колеи при любой поездной нагрузке.