ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ ШПАЛА
REINFORCED CONCRETE SLEEPER

Изобретение относится к конструкции рельсовых опор и может быть применено для изготовления шпал, в основном железобетонных, применяемых в верхнем строении железнодорожного пути, преимущественно бесстыкового.
Общеизвестна конструкция цельнобрусковой, предварительно напряженной, струнобетонной железобетонной шпалы, в которой нижняя постель плоская или в ее средней части она имеет выемку. Шпалу подбивают выправочными органами путевых машин так, чтобы она опиралась на балласт призмы железнодорожного пути только в своей подрельсовой части (см. «Общий курс железных дорог», стр.56, под ред. Ю.И.Ефименко.- М.,2005 г.; «Железобетонные шпалы для рельсового пути», под ред. Золотарского А.Ф.- М.: Транспорт, 1980 г.). Это позволяет значительно уменьшить растягивающие напряжения в верхней средней части рельсовой опоры, являющейся ее самым ненадежным участком, и исключить появление трещин, которые являются основным дефектом всей конструкции. Опирание шпалы на балласт средней своей частью недопустимо, так как приводит к излому и выходу из строя рельсовой опоры.
Общим недостатком железобетонных шпал является низкий коэффициент сцепления µж с балластом железнодорожного пути. Он составляет µж =1,2 и меньше,  чем у деревянных в 3,3…4,2 раза (см. «Новые путевые машины», под ред. Ю.П.Сырейщикова.- М.: Транспорт, 1984 г., стр.192).
Это приводит к слабой устойчивости железнодорожного пути, опирающегося на бетонные шпалы. Поэтому возможны выбросы рельсов в боковом направлении и возникновение нештатных и аварийных ситуаций, сходов поездов с рельсов железнодорожного пути.
Известна также конструкция железобетонной шпалы по патенту RU 2433218 С2, в которой в средней ее части нижней постели для повышения трещиноустойчивости и некоторого увеличения усилия сдвига имеется выступ на длине, равной зоне сжимающих кромочных напряжений. Недостатком этой конструкции является необходимость организации выемки в средней верхней части балластной призмы с обеспечением размеров, идентичных соответствующим размерам выступа шпалы. Выполнить это условие в реальных условиях при выполнении верхнего строения железнодорожного пути крайне сложно.
2
Кроме того, эффективность данного технического решения по повышению усилия сдвига прямопропорциональна увеличению площади боковой поверхности шпалы. Но известно, что основное сопротивление по перемещению рельсовой опоры в балласте принадлежит подошве шпалы, а влияние боковой ее части составляет лишь 15-25%. Очевидно, что высота выступа конструкции по патенту RU 2433218 составляет примерно 15-50 мм, а длина - ориентировочно 500-700 мм. Поэтому увеличение боковой поверхности стандартной рельсовой опоры по ГОСТ 10629-2006, имеющей боковую площадь около 5000 см, составит не более 7%, что крайне незначительно для обеспечения существенного положительного эффекта.
Принимаем техническое решение по патенту RU 2433218 за прототип.
Целью предлагаемого изобретения является значительное увеличение силы сопротивления смещения в балласте шпалы в продольном и поперечном направлении и повышение прочности и трещиноустойчивости рельсовой опоры, а также продление срока службы старогодных шпал с приданием им новой способности - высокой устойчивости в балластной призме железнодорожного пути.
Указанная цель достигается тем, что подошва шпалы содержит зубцы, причем в средней части ее постели на длине, равной зоне действия сжимающих кромочных напряжений, зубцы имеют уменьшенную высоту 10-50 мм, подрельсовая зона постели не содержит зубцов, а со стороны торцов и на части подошвы средней части опоры пути, где растягивающие напряжения отсутствуют или их величина незначительна, имеют увеличенную высоту 30-100 мм.
Техническое решение позволяет эффективное его использование не только при изготовлении новых изделий, получаемых, например, вбетонированием зерен щебня в подошву или получением зубцов, шипов, формированием их из материала самой шпалы в углублениях днища или боковой поверхности прессформы путем их затвердевания, но, и это особенно ценно, для модернизации шпал, бывших в употреблении. При этом возможно самозалечивание неопасных мелких трещин в теле старогодной шпалы при заливке ее нижней постели высокопрочным бетоном для получении создаваемых выступов.
Известно, что срок службы железобетонных рельсовых опор составляет 40-50 лет. Капитальный ремонт шпальной решетки (со сменой рельсов) производят через 18-25 лет. При этом одновременно с заменой рельсов приходиться заменять и рельсовые опоры, которые выработали свой ресурс всего на 50%. Изобретение позволяет модернизировать демонтированные при капитальном ремонте пути шпалы с целью придания им повышенной устойчивости за счет увеличения усилия сдвига в балласте в 3-5 раз и «залечивания» имеющихся дефектов в виде мелких трещин. Доработка заключается или вбетонированием в подошву зерен щебня, или получением зубцов на ней с применением дополнительной прессформы, имеющей на своей рабочей поверхности соответствующие углубления.
На Фиг.1 и 2 показана модернизированная старогодная шпала, содержащая зубцы, сформированные с помощью специальной накладной прессформы и заливки ее высокопрочным твердеющем с течением времени цементным раствором с гранитным щебнем фракции 3-7 мм. Часть уменьшенных по высоте зубцов предпочтительно должны быть расположена в зоне сжимающих напряжений. То есть эти зубцы должны быть размещены в средней части шпалы, в зоне сжимающих сил. Длина этой зоны ориентировочно составляет 600-700 мм. Высота шипов должна быть уменьшена по сравнению с высотой шипов, расположенных в зонах нулевых или незначительных по величине растягивающих напряжениях. В этом случае вновь добавленный бетон и зубья будут работать на сжатие и увеличат прочность самой шпалы. Зубцы в зоне проекции головки рельса на подошву рельсовой опоры, то есть в подрельсовой зоне нижней постели, отсутствуют. Их введение может увеличить вероятность развития трещин. Зубцы в зоне торцов и прилегающей к подрельсовой зоне части середины рельсовой опоры, где растягивающие напряжения отсутствуют или малы, имеют более высокие зубья, чем те, которые расположены в зоне сжимающих кромочных напряжений.
2
2
Можно сделать оценочный подсчет увеличения усилия сдвига в балласте модернизированной старогодной шпалы. Известно, что несущая способность уплотненного действием поездной нагрузки щебня верхнего слоя балластной призмы составляет приблизительно 15 кг/см. Площадь поперечных сечений зубьев шпалы, изображенной на Фиг.1 и 2, составляет около 800 см. Усилие фиксации тела рельсовой опоры в уплотненном балласте увеличится на F=15×800=12000 кгс и превысит аналогичный показатель стандартной шпалы в 10-15 раз.
Такое значительное повышение сопротивления перемещению шпалы в верхнем слое балластной призмы объясняется тем, что вновь сформированные шипы выполняют ту же функцию, что и зубья у бороны или корни у дерева.
Применение нового технического решения позволяет значительно, на порядок, увеличить силы фиксации шпал в щебне, оказывать эффективное противодействие сжимающим температурным силам, исключить возможность выброса и угона пути, организовать безаварийное движение поездов на высокоскоростных магистралях, повторно использовать старогодные шпалы не только на малодеятельных, но и на главных железнодорожных путях.