АНКЕР РЕЛЬСОВОГО СКРЕПЛЕНИЯ
RAIL FASTENING ANCHOR

«Область техники, к которой относится изобретение»
Изобретение относится к элементам верхнего строения рельсового пути и предназначено для прикрепления рельсов к подрельсовым основаниям из железобетонных, полимербетонных или композитных материалов, при условии, что основания формируются в процессе изготовления. К таким основаниям относятся шпалы, брусья, плиты, блоки, лежни и другие объекты. К области применения изобретения относятся магистральные железнодорожные линии, в том числе высокоскоростные, железнодорожные линии общего и необщего пользования, подъездные рельсовые пути промышленных предприятий, рельсовые пути в тоннелях, метрополитенах, трамвайные пути, а также рельсовый транспорт в городских агломерациях.
«Уровень техники»
Известно техническое решение - анкер рельсового скрепления, содержащий верхнюю часть, в состав которой входят располагающиеся над поверхностью подрельсового основания с двух сторон от подошвы рельса две головки, каждая из которых имеет для обеспечения взаимодействия анкера с регулятором нагружения клеммы рельсового скрепления два кронштейна с ребордами для контакта с изолирующей прокладкой, а также нижнюю часть, жестко замоноличенную в подрельсовом основании и объединяющую головки верхней части анкера перемычкой анкерного типа и двух направленных вниз хвостовиков, причем, каждый из участков перехода от основания головок к перемычке со стороны рельса выполнен как сочетание двух участков, один из которых выполнен в виде галтели, а второй - криволинейный, переходящий в перемычку (RU 2278195 С1, 17.02.2005) [1].
Эта конструкция анкера принята за прототип.
Недостатками данного анкера являются:
Анкер имеет направленные вниз хвостовики, имеющие значительную длину, а также галтели с относительно малыми радиусами перехода от хвостовиков к перемычке, соединяющей головки анкера, что способствует локальной концентрации напряжений в эксплуатации и приводит к необходимости увеличения размеров поперечного сечения конструкции в этих областях для снижения значений максимальных напряжений в эксплуатации, что является главным недостатком. К недостаткам конструкции также относится большая масса изделия из-за особенностей геометрии, для обеспечения надежного закрепления анкера при его замоноличевании в подрельсовом основании, а также наличие сформированных геометрических неровностей в виде увеличения поперечного сечения на хвостовиках и перемычке, соединяющей две головки, что приводит к повышенной массе анкера и концентрации напряжений в анкере в зонах его контакта с материалом подрельсового основания.
«Раскрытие изобретения»
Техническим результатом данного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, изменение геометрии анкера в нижней его части, уменьшение размеров поперечных сечений элементов нижней части анкера и отклонение направлений хвостовиков от вертикальной оси на угол в диапазоне от 15 до 75 градусов, уменьшение длины хвостовиков, снижение массы и, как следствие, стоимости производства, повышение прочности, работоспособности и долговечности анкера рельсового скрепления в эксплуатации.
Технический результат получен при разработке новой конструкции анкера рельсового скрепления, которая включает верхнюю и нижнюю части.
Верхняя часть состоит из двух головок для формирования клеммных узлов анкерного рельсового скрепления, которые располагаются над поверхностью подрельсового основания, например, шпалы, с двух сторон от подошвы рельса. Расстояние между головками может изменяться с учетом размеров подошвы рельса и геометрии подрельсового основания, что позволяет, не изменяя конструкции, использовать анкер для крепления рельсов с различными размерами подошвы. Конструкция каждой головки содержит два кронштейна с поверхностями, расположенными в направлении продольной оси рельса, для обеспечения взаимодействия с регулятором нагружения клеммы рельсового скрепления. Конструкция кронштейнов содержит реборды для контакта с изолирующей демпфирующей накладкой рельсового скрепления. Основание каждой головки содержит горизонтальную плоскость для опирания головки на верхнюю горизонтальную поверхность подрельсового основания.
Нижняя часть анкера объединяет головки, располагающиеся над подрельсовым основанием, и состоит из участка плавного перехода от оснований головок к перемычке арочного типа, а также двух хвостовиков, направленных под углом α к вертикальной оси симметрии анкера. Угол α может изменяться в диапазоне от 15 до 75 градусов. Направления расположения хвостовиков определены с учетом особенностей нагружения анкера в процессе эксплуатации. Учитывая тот факт, что анкер выполняет функции прикрепления подошвы рельса к подрельсовому основанию, его нагружение в процессе эксплуатации определяется сочетанием вертикальной и горизонтальной сил. Вертикальная сила формируется как сумма усилия прижатия клеммы при сборке скрепления и усилия, создаваемого подошвой рельса при воздействии на головку рельса колес подвижного состава. Горизонтальная сила направлена в сторону от осевой линии анкера и является результатом взаимодействия головки рельса с гребнем колеса, а также взаимодействия конической части поверхности катания колеса и поверхности головки рельса при движении подвижного состава. Совокупность указанных усилий и контактное взаимодействие анкера с материалом подрельсового основания формирует в анкере в эксплуатации сложное напряженно-деформированное состояние.
Результаты проведенных исследований напряженно-деформированного состояния анкера, возникающего в результате воздействия эксплуатационных нагрузок, определили диапазон возможного отклонения хвостовиков от вертикальной оси. Установлено, что при отклонении хвостовиков от вертикальной оси на угол более 75 или менее 15 градусов уменьшение радиусов перехода от хвостовиков к головкам и перемычке арочного типа изменяют напряженно-деформированное состояние в этих зонах, существенно повышается интенсивность и концентрация напряжений, что требует увеличения поперечного сечения анкера в этих зонах, как следствие, приводит к увеличению массы изделия и, таким образом, исключает одно из преимуществ изобретения - снижение массы анкера по сравнению с прототипом. Определено, что именно данный диапазон является наиболее эффективным для достижения заявленного технического результата.
Для снижения уровня концентрации напряжений в новой конструкции анкера в нижней части, располагающейся в подрельсовом основании, отсутствуют области с малыми радиусами перехода поверхностей, а геометрия перемычки в целом соответствует геометрии объекта арочного типа. Окончания хвостовиков имеют увеличение площади поперечного сечения для снижения концентрации напряжений в этих зонах. В результате контакт анкера с материалом подрельсового основания осуществляется по большей поверхности, что в эксплуатации минимизирует риски образования трещин в материале подрельсового основания в областях опирания окончаний хвостовиков анкера в эксплуатации.
Участки перехода от основания головки к перемычке со стороны подошвы рельса имеют геометрию арочного типа с переходными кривыми большого радиуса с целью минимизации уровня напряжений, возникающих в анкере в процессе эксплуатации. Участки перехода от основания головки к перемычке с противоположной стороны размещения подошвы рельса имеют сложную геометрию с плавными участкам, включающими переходные кривые большого радиуса также с целью минимизации уровня напряжений, возникающих в анкере в процессе эксплуатации. В отличие от прототипа на поверхностях хвостовиков и перемычки отсутствуют сформированные при изготовлении геометрические неровности в виде локальных увеличений площади поперечного сечения, что исключает формирование локальных концентраций напряжений в анкере в зонах контакта с материалом подрельсового основания. Гладкие формы элементов нижней части анкера, отсутствие галтелей с малыми радиусами сопряжения поверхностей перемычки с хвостовиками обеспечивают снижение интенсивности напряжений в областях контакта анкера с материалом подрельсового основания, что улучшает его работу в зоне возникающих в материале подрельсового основания в эксплуатации растягивающих напряжений при реализации эксплуатационных нагружений, способствуют равномерному распределению давления на подошву подрельсового основания.
«Краткое описание чертежей»
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена геометрия предлагаемой конструкции анкера с указанием основных элементов.
«Осуществление изобретения»
На чертеже представлена новая конструкция анкера рельсового скрепления, разработанная в рамках данного изобретения, которая включает верхнюю и нижнюю части. Конструкция верхней части анкера включает две головки 1 для образования клеммных узлов анкерного рельсового скрепления, которые располагаются над поверхностью подрельсового основания, например шпалы, с двух сторон от подошвы рельса. Конструкция каждой головки содержит два кронштейна 2, расположенных в направлении продольной оси рельса, с поверхностями 3 для обеспечения взаимодействия с регулятором нагружения клеммы рельсового скрепления. Конструкция кронштейнов содержит реборды 4 для контакта с изолирующей демпфирующей накладкой рельсового скрепления. Основание каждой головки содержит горизонтальную плоскость 5 для обеспечения опирания головки анкера на верхнюю горизонтальную поверхность подрельсового основания.
Нижняя часть анкера объединяет головки 1, располагающиеся над подрельсовым основанием, и состоит из участка плавного перехода 6 от оснований головок к перемычке 7 арочного типа и двух хвостовиков 8, направленных под углом α=15…75° к вертикальной оси симметрии анкера. Геометрия расположения хвостовиков определена с учетом особенностей нагружения анкера в процессе эксплуатации. Для снижения уровня концентрации напряжений в конструкции анкера в нижней части, располагающейся в подрельсовом основании, отсутствуют области с малыми радиусами перехода сопрягаемых поверхностей, а геометрия перемычки соответствует геометрии объекта арочного типа. Окончания хвостовиков имеют локальные увеличения поперечного сечения 9 для снижения концентрации напряжений в этих зонах контакта хвостовика с материалом подрельсового основания при нагружениях, что минимизирует риски образования трещин в материале подрельсового основания в областях опирания окончаний хвостовиков анкера в процессе эксплуатации.
Участки перехода от основания головки к перемычке 10 со стороны рельса имеют геометрию арочного типа с переходными кривыми большого радиуса с целью минимизации уровня напряжений, возникающих в анкере в процессе эксплуатации. Участки перехода 11 от основания головки к перемычке с противоположной стороны опирания рельса имеют геометрию с плавными участкам, включающими переходные кривые большого радиуса также с целью минимизации уровня напряжений, возникающих в анкере в процессе эксплуатации.
В отличие от прототипа разработанная конструкция нижней части анкера не имеет областей локального увеличения площади поперечного сечения перемычки и хвостовиков, что снижает массу анкера и интенсивность напряженно-деформированного состояния, возникающего в материале нижней части анкера в областях контакта с материалом подрельсового основания в эксплуатации.
Реализация анкера рельсового скрепления с отсутствием областей локального увеличения площади поперечного сечения перемычки и хвостовиков и с отклонением направлений хвостовиков от вертикальной оси на угол в диапазоне от 15 до 75 градусов иллюстрируется конкретным примером, приведенным в Таблице 1.
Источники информации:
1. Патент RU 2278195 С1, 17.02.2005.