ПРУЖИННАЯ КЛЕММА РЕЛЬСОВОГО СКРЕПЛЕНИЯ

Полезная модель относится к верхнему строению железнодорожного пути, в частности к устройству промежуточного крепления рельсов к железобетонным шпалам.
Известна конструкция пружинной клеммы, которая выполнена из пруткового материала П-образной в плане формы. У клеммы выполнены прямолинейный участок, контактирующий с полкой рельса, и прямолинейные боковые участки, которые сопряжены дуговыми участками с концевыми участками, отогнутыми во внутрь и к полке. Поперечное сечение клеммы по всей ее длине представляет собой круг (патент РФ №2185471 "Рельсовое скрепление для пути на железобетонном основании", МПК 8 Е01В 9/48).
Известна также конструкция пружинной клеммы рельсового скрепления, выполненная из круглого прутка упругого материала и содержащая прямолинейную нарельсовую часть, переходящую по радиусам скругления в боковые участки, за которыми расположены витки клеммы, которые заканчиваются отогнутыми концевыми участками, причем концевые участки на расстоянии не менее 2 см от их торцов выполнены с перегибом (патент РФ №2372436 "Анкерное рельсовое скрепление, анкер рельсового скрепления и клемма рельсового скрепления ", МПК 8 Е01В 9/30).
Вышеотмеченные конструкции пружинных клемм изготавливаются из прутка круглого поперечного сечения. Пружинные клеммы в процессе эксплуатации испытывают циклически изменяющиеся напряжения кручения и изгиба. А при изгибе возникающие напряжения и деформации зависят от момента инерции относительно нейтральной оси. При равенстве моментов инерции относительно нейтральной оси для круга и каких-либо других плоских фигур (квадрат, прямоугольник и т.п.) площадь круга всегда больше площади других фигур. Поэтому, круглое сечения стержня, испытывающего изгиб, является самым неэффективным, так как для обеспечения необходимой прочность приходится увеличивать диаметр стержня, что приводит к росту металлоемкости изделия.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является конструкция пружинной клеммы для железнодорожного рельсового скрепления, которая выполнена из прутка упругого материала круглого поперечного сечения с образованием В-образной формы в плоскости клеммы. Клемма содержит прямолинейный нарельсовый участок, концы которого плавно соединены с боковыми протяженными участками, а расположенные за ними дуговые нашпальные участки соединены с концевыми участками, отогнутыми внутрь клеммы. При этом часть каждого дугового нашпального участка, расположенная ближе к концевому участку, выполнена с изгибом в плоскости, перпендикулярной плоскости клеммы, а величина кривизны изгиба соизмерима с радиусом прутка клеммы (патент РФ №2252287 "Пружинная клемма для железнодорожного рельсового скрепления", МПК 8 Е01В 9/00, Е01В 9/48).
Известная конструкция пружинной клеммы также обладает повышенной металлоемкостью, так как изготавливается из прутка заготовки круглого поперечного сечения. В процессе установки и эксплуатации пружинная клемма испытывает деформации изгиба и кручения. Известно, что при изгибе возникающие напряжения и деформации зависят от момента инерции относительно нейтральной оси. При одинаковом изгибающем моменте и равенстве моментов инерции относительно нейтральной оси для круга и каких-либо других плоских фигур (квадрат, прямоугольник и т.п.) площадь круга всегда больше площади других фигур. Поэтому изделие, сформированное гибкой из прутка с поперечным сечение в виде круга, обладает высокой металлоемкостью. Кроме того, выполнение в известной конструкции дуговых нашпальных участков с изгибом в плоскостях, перпендикулярных плоскости клеммы, усложняет процесс изготовления, так как требует применения специального штампа.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является снижение металлоемкости клеммы при сохранении высоких эксплуатационных свойств.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым техническим решением, заключается в снижении металлоемкости пружинных клеммы для рельсовых скреплений железнодорожного пути.
Согласно предложению у известной пружинной клеммы рельсового скрепления, выполненной из прутка упругого материала, изогнутого с образованием прямолинейного нарельсового участка, плавно соединенного с двумя боковыми протяженными участками, которые дуговыми нашпальными участками соединены с концевыми участками, отогнутыми внутрь клеммы, поперечное сечение прутка клеммы по всей ее длине выполнено в виде центрального прямоугольника и двух сопряженных с ним полукругов, причем большая ось симметрии сечения перпендикулярна плоскости клеммы, при этом высота прямоугольника составляет (0,45…0,55) его ширины, а диаметр полукругов равен ширине прямоугольника.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен вид в плане на пружинную клемму; на фиг.2 - поперечное сечение по А-А на фиг.1.
Пружинная клемма рельсового скрепления выполнена гибкой из прутка пружинной стали марки 40С2А или 60С2. Клемма (фиг.1) содержит прямолинейный нарельсовый участок 1, концы которого плавно соединены с двумя боковыми протяженными участками 2, а расположенные за ними дуговые нашпальные участки 3 соединены с концевыми участками 4, отогнутыми внутрь клеммы. При этом поперечное сечение прутка клеммы (фиг.2) по всей ее длине выполнено в виде центрального прямоугольника 5 и двух сопряженных с ним полукругов 6, причем большая ось симметрии сечения перпендикулярна плоскости клеммы. Высота h прямоугольника составляет (0,45…0,55) его ширины b, а диаметр d полукругов 6 равен ширине b прямоугольника 5.
Клемма устанавливается на железобетонную шпалу таким образом, что нарельсовый участок 1 ложится на верхнюю часть полки рельса, дуговые нашпальные участки 3 входят в соприкосновение со скобой, установленной на шпале, а между концевыми участками 4 располагается закладной болт. На стержень закладного болта одевается скоба, которая взаимодействует с концевыми участками 4 клеммы. При завинчивании гайки на закладной болт нарельсовый участок 1 прижимает подошву рельса к шпале с определенным усилием. При движении состава возникающие силы трения между рельсом шпалой и клеммой удерживают рельс от продольного смещения. Следует отметить, что силы трения существенно зависят от сил прижатия подошвы рельса к шпале, которые создаются за счет прижатия клеммы к полке рельса при монтаже скрепления и должны сохраняться длительное время. Создание необходимых сил прижатия и сохранение этих сил в процессе эксплуатации существенно влияют на надежность работы железнодорожного пути и затраты на его обслуживание.
Опытная партия пружинных клемм типа ЖБР-65 с поперечным сечением в виде центрального прямоугольника и двух сопряженных с ним полукругов изготавливалась в условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ». Форма поперечного сечения заготовки и размеры клеммы задавались в соответствии с предлагаемым техническим решением. При этом ширина прямоугольника b и диаметр d полукругов задавался равным 12 мм, а высота h прямоугольника варьировалась в диапазоне 5,0…7,0 мм. Клеммы изготавливались из калиброванной сталь марки 40С2А гибкой в холодном состоянии с использованием специального гибочного стенда. При заданных размерах поперечного сечения момент инерции относительно горизонтальной центральной оси примерно равен моменту инерции для круга ⌀ 17 мм, который используется в конструкции клеммы ЖБР-65 Клеммы испытывались в соответствии с требованиями безопасности, предъявляемыми к эксплуатации железнодорожного пути, на трехкратное обжатие нагрузкой Р=25 кН, прикладываемой по оси болтового отверстия. Остаточная деформация при этом не должна превышать 1 мм. Кроме того, определялась жесткость клемм. Результаты испытаний представлены в таблице.
Таблица
Результаты испытаний пружинных клемм<sup>*</sup>
d, b, мм
h мм
<img file="00000002.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
Остаточная деформация после трехкратного приложения нагрузки Р=25 кН
Жесткость клеммы, кН/мм
12,0
5,0
0,42
1,17 мм
0,75
5,4
0,45
0,93 мм
0,82
6,0
0,50
0,74 мм
0,92
6,6
0,55
0,63 мм
0,97
7,0
0,59
0,52 мм
1,16
Примечание: Указаны средние значения по результатам испытаний 10 клемм для каждого типоразмера.
Анализ результатов испытаний показал, что при отношении высоты прямоугольника к диаметру полукругов  менее 0,45 остаточная деформация после трехкратного обжатия превышает 1 мм, то есть клемма не соответствует требованиям нормативно-технической документации. При  более 0,55 клеммы приобретают высокую жесткость, что отрицательно сказывается на их циклической прочности.
Следует отметить, что у клеммы разработанной конструкции момент инерции поперечного сечения относительно нейтральной оси примерно равен моменту инерции круга ⌀ 17 мм, который используется в конструкции клеммы ЖБР-65. Это обеспечивает равнопрочность клеммы ЖБР-65 в соответствии с нормативной документацией по эксплуатации и клеммы предлагаемой конструкции. Однако площадь поперечного сечения разработанной клеммы на 18…20% меньше площади поперечного сечение клеммы ЖБР-65. Таким образом, применение клемм разработанной конструкции обеспечивает снижение металлоемкости изделий на 18…20% при сохранении регламентированных прочностных и упругих свойств.