РЕЛЬСОВОЕ СКРЕПЛЕНИЕ АНКЕРНОГО ТИПА С СОСТАВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
ANCHOR-TYPE RAIL FIXING WITH COMPONENTS

«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 - промежуточное рельсовое скрепление с изолирующим элементом, содержащее анкер с направленными вниз хвостовиками, жестко установленный в железобетонной шпале, каждая головка которого имеет два разнесенных вдоль рельса кронштейна, амортизирующую подрельсовую прокладку, расположенную между головками анкера на подрельсовой части шпалы, две пружинные клеммы, каждая из которых выполнена с возможностью взаимодействия концевыми усами через регулятор напряжения клеммы с соответствующими кронштейнами головки анкера, скругленными частями - с возможностью опирания на подклеммную подкладку, расположенную на шпале, прямолинейной частью - с возможностью прижатия к рельсу через нарельсовую изолирующую накладку, которая выполнена в виде уголка, который имеет полки шириной, выбранной в зависимости от толщины и жесткости материала амортизирующей подрельсовой прокладки, таким образом, что обеспечивается контакт торцевой части полки уголка со шпалой только в момент максимального сжатия под воздействием наибольших сил от подвижного состава. Каждая нарельсовая изолирующая накладка, имеет полки толщиной, меньшей расстояния между торцевой частью подошвы рельса и головкой анкера, причем торцевая часть каждой полки уголка выполнена под углом, обеспечивающим контакт одного из ее ребер со шпалой в разгруженном состоянии и поворот уголка при сжатии подрельсовой прокладки при нагрузке от подвижного состава (RU 2 244 777 С1, 15.01.2004). Эта конструкция рельсового скрепления принята за аналог.
Недостатки данного скрепления заключаются в следующем.
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.
Одним из важнейших недостатков существующего рельсового скрепления является несовершенство конструкции амортизирующей подрельсовой подкладки.
Известно техническое решение - анкерное рельсовое скрепление, содержащее жестко установленный в подрельсовом основании анкер с направленными вниз хвостовиками и средней частью, объединяющей две выступающие над подрельсовым основанием головки анкера, каждая из которых имеет два разнесенных вдоль рельса кронштейна, две пружинные клеммы, надетые на головки анкера и выполненные с возможностью взаимодействия концевыми усами через регулятор натяжения с соответствующими кронштейнами головки анкера, с возможностью опирания нашпальными витками клемм на подклеммную подкладку и с возможностью прижатия рельса прямолинейной нарельсовой частью клемм к подрельсовому основанию через нарельсовую изолирующую накладку, амортизирующую подрельсовую подкладку с симметричными ориентированными вдоль рельса боковыми поверхностями, каждая из которых состоит из нижней боковой наклонной поверхности, соответствующей наклонной поверхности углубления подрельсовой части основания, и верхней боковой наклонной поверхности, имеющей обратный наклон и расположенной выше уровня углубления подрельсового основания, при этом ширина верхней подрельсовой поверхности соответствует ширине подошвы рельса в пределах допусков на сборку и изготовление, а ширина нижней нашпальной поверхности соответствует ширине нижней поверхности углубления подрельсовой части основания в пределах допусков на сборку и изготовление.
С нижней стороны амортизирующей подрельсовой подкладки на торцах выполнены ребра, препятствующие сдвигу амортизирующей подрельсовой подкладки вдоль рельса, наклон внутренней поверхности ребер соответствует углу наклона боковой поверхности шпалы, на верхней подрельсовой и нижней нашпальной поверхностях выполнены выемки (RU 2 335 593 С1, 18.05.2007).
Эта конструкция амортизирующей подрельсовой подкладки принята за прототип.
К основным недостаткам данной конструкции относятся:
1). Существенным недостатком конструкции амортизирующей подрельсовой подкладки является то, что ширина верхней подрельсовой поверхности амортизирующей подрельсовой подкладки соответствует ширине подошвы рельса. В эксплуатации формирование деформации подкладки приводит к ее выдавливанию в пространство между боковой гранью подошвы рельса и головкой анкера в зону, где располагается нарельсовая изолирующая накладка, выполненная в виде уголка. Как следствие, происходит выдавливание нарельсовой накладки, ее повреждение и отказ узла в целом.
2). Недостатком конструкции также является следующее - верхняя поверхность амортизирующей подрельсовой подкладки, контактирующая с подошвой рельса, представляет собой чередующиеся ребра и выемки. Причем, выемки имеют неодинаковый размер по ширине, что в процессе эксплуатации не обеспечивает под нагрузкой контакт боковых поверхностей смежных ребер, что существенно снижает эффективность упругого сопротивления деформированию подкладки, как амортизирующего элемента. Это приводит к существенному снижению амортизирующих свойств скрепления и, как следствие, увеличению динамических сил, возникающих в процессе взаимодействия подвижного состава и пути, повышению интенсивности накопления усталостных повреждений путевой инфраструктуры.
К недостаткам существующей конструкции анкерного рельсового скрепления также относится конструкция нарельсовой изолирующей накладки, выполненной в виде уголка, имеющей вертикальный элемент толщиной, меньшей расстояния между боковой поверхностью подошвы рельса и головкой анкера, причем торцевая часть уголка выполнена под углом, обеспечивающим контакт со шпалой в разгруженном состоянии и поворот уголка при сжатии подрельсовой подкладки при нагрузке от подвижного состава. Следует отметить, что нарельсовая изолирующая накладка имеет верхнюю поверхность горизонтальной полки, контактирующей с клеммой, выполненную по радиусу, большему, чем радиус клеммы. Данная геометрия обеспечивает повышенный уровень контактных давлений между клеммой и нарельсовой изолирующей накладкой, что в эксплуатации приводит к повышенной интенсивности износа нарельсовой изолирующей накладки, ее высокой повреждаемости, сокращению срока эксплуатации. Серьезным недостатком нарельсовой изолирующей накладки является размер вертикальной полки, что в эксплуатации приводит к контакту торцевой части со шпалой. Как показала практика эксплуатации данного конструктивного решения, в процессе нагружения рельса при прохождении подвижного состава, вследствие выдавливания из под подошвы рельса амортизирующей подрельсовой подкладки, происходит деформация нарельсовой изолирующей накладки и ее повреждение, что приводит к отказам узла в целом и необходимости проведения ремонтных операций.
«Раскрытие изобретения»
Техническим результатом заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение прочности, эксплуатационной надежности и долговечности рельсового скрепления, обеспечение надежного и стабильного прикрепления рельса к подрельсовому основанию в течение всего срока эксплуатации на основе:
- применения анкера новой конструкции отличающейся от прототипа изменением геометрии анкера в нижней его части, уменьшением размеров поперечных сечений элементов нижней части анкера и отклонением направлений хвостовиков от вертикальной оси на угол в диапазоне от 15 до 75 градусов, уменьшением длины хвостовиков, снижение массы;
- изменения размеров и геометрии амортизирующей подрельсовой подкладки;
- изменения размеров основных элементов и конструкции нарельсовой изолирующей накладки, выполненной в виде уголка;
- геометрии клеммы, прикрепляющей рельс через амортизирующую подрельсовую подкладку к подрельсовому основанию.
Предложена конструкция заявляемого рельсового скрепления анкерного типа, включающая следующие элементы:
1) Анкер с хвостовиками в нижней части анкера направленными под углом к вертикальной оси в диапазоне от 15 до 75°, имеющими увеличение поперечного сечения на концевых участках, с геометрией всех элементов нижней части анкера представляющей собой совокупность переходных кривых большого радиуса, а геометрия перемычки соответствует геометрии конструкции арочного типа. Нижняя часть анкера жестко закреплена в подрельсовом основании. Верхняя часть анкера включает расположенные 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. 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.
Технический результат подтвержден при использовании новой конструкции анкера рельсового скрепления - «Анкер рельсового скрепления», заявка №2020135989/11(066328), патент №2 742 439 С1, дата регистрации 05.02.2021.
2) Нарельсовую изолирующую накладку, выполненную в виде уголка для обеспечения прижатия подошвы рельса к подрельсовому основанию. Нарельсовая изолирующая накладка имеет вертикальный элемент с плоскостью, на которой располагается выступ, который в собранном скреплении анкерного типа располагается между кронштейнами головки анкера. По плоской поверхности осуществляется взаимодействие нарельсовой изолирующей накладки с ребордами кронштейнов головок анкера. Горизонтальный элемент нарельсовой изолирующей накладки располагается не перпендикулярно к вертикальному элементу, а под углом α. Учитывая тот факт, что скрепление является универсальным и может использоваться для прикрепления к подрельсовому основанию рельсов различных типов угол наклона горизонтального элемента определяется исходя из геометрии рельса с учетом обеспечения максимального контакта нижней поверхности горизонтального элемента нарельсовой изолирующей накладки к верхней поверхности подошвы рельса. При использовании скрепления на путях с рельсами типа Р65 угол α=100-110°.
Нижняя часть горизонтального элемента представляет собой плоскость, которая контактирует с верхней частью подошвы рельса. Верхняя часть горизонтального элемента может исполняться в двух вариантах: с радиусом на 20-40% больше радиуса клеммы при использовании пружинной клеммы круглого сечения или плоской при использовании пружинной клеммы, имеющей плоско-круглое сечение. Размеры плоскости определяются размерами плоской части пружинной клеммы, осуществляющей нажатие на нарельсовую изолирующую накладку, выполненную в виде уголка, в рабочем состоянии новой конструкции скрепления. Принципиальным отличием новой нарельсовой изолирующей накладки является то, что она может изготавливаться из различных материалов - металлы, пластические материалы, полимерные материалы. Материал для изолирующей накладки определяется с учетом интенсивности боковых сил, действующих на головку рельса в эксплуатации на участках рельсового пути. Комбинированное использование нарельсовых изолирующих накладок из материалов разной прочности и износостойкости обеспечивает возможность изменять жесткость рельсового пути с учетом его типа (прямые, кривые участки пути), интенсивности эксплуатационных нагрузок (осевые нагрузки подвижного состава, реализуемые скорости движения, интенсивность движения), технологические методы содержания рельсового пути.
Особой отличительной особенностью предлагаемой конструкции нарельсовой изолирующей накладки является то, что вертикальный элемент имеет размер исключающий контакт накладки с подрельсовым основанием в собранном состоянии скрепления, как без нагрузки, так и при действии максимальной нагрузки от подвижного состава. Таким образом, высота вертикального элемента нарельсовой изолирующей накладки в зоне ниже горизонтального элемента меньше на 5% высоты подошвы рельса, что исключает в эксплуатации контакт нарельсовой изолирующей накладки и подрельсового основания при действии на рельс максимальной нагрузки и максимальной деформации подрельсовой подкладки.
3) Конструкция рельсового скрепления анкерного типа включает две пружинные клеммы, каждая из которых взаимодействует через регулятор напряжения, который называется монорегулятор, с кронштейнами головки анкера.
Пружинная клемма имеет прямолинейный участок, по которому осуществляется взаимодействие клеммы с нарельсовой изолирующей накладкой, полуокружности, по которым происходит опирание на подклеммную подкладку, расположенную на подрельсовом основании, а также концевые участки, посредством которых при контакте с монорегулятором осуществляется напряжение клеммы при сборке скрепления. Интенсивность нажатия рабочей поверхности монорегулятора на концевые участки клеммы определяет усилие прижатия нарельсовой изолирующей накладки к подошве рельса и, как следствие, усилие прижатия рельса к подрельсовому основанию.
Пружинная клемма имеет круглое или плоско-круглое сечение с целью снижения интенсивности износа поверхностей взаимодействия клеммы с монорегулятором и нарельсовой накладкой. В процессе эксплуатации при использовании пружинной клеммы круглого сечения реализуется высокий уровень контактных давлений в зонах взаимодействия пружинной клеммы с нарельсовой изолирующей накладкой, монорегулятором и подклемной подкладкой. Так как пружинная клемма имеет круглое сечение, то взаимодействие с монорегулятором, нарельсовой изолирующей накладкой и подклеммной подкладкой реализуется по ограниченным поверхностям - имеет место одноточечный контакт. Наличие высокого уровня эксплуатационных нагрузок, например, на железнодорожных путях общего пользования при наличии смешанного движения, приводит к интенсивным износам в эксплуатации клемм, нарельсовых изолирующих накладок и монорегуляторов. Переход от круглого к плоско-круглому сечению обеспечивает возможность существенного снижения контактных давлений на поверхностях контакта с нарельсовой изолирующей накладкой, монорегулятором и подклеммной подкладкой, расположенной на подрельсовом основании.
Наличие плоских поверхностей у пружинной клеммы обеспечивает контакт с указанными выше элементами по плоскости, что существенно снижает уровень контактных давлений и интенсивность изнашивания в эксплуатации и повышает износостойкость. Таким образом, пружинные клеммы с плоско-круглым сечением рекомендованы к использованию на путях общего и не общего пользования, в том числе высокоскоростных.
На подъездных рельсовых путях промышленных предприятий, а также трамвайных путях на путях с малыми осевыми нагрузками допускается использование пружинных клемм круглого сечения.
4) Амортизирующая подрельсовая подокладка располагается между подошвой рельса и подрельсовым основанием. Амортизирующая подрельсовая подкладка выполнена с симметричными ориентированными вдоль рельса боковыми поверхностями, каждая из которых состоит из боковой наклонной поверхности, соответствующей наклонной поверхности углубления подрельсовой части основания, и верхней боковой наклонной поверхности, имеющей обратный наклон и расположенной выше уровня углубления подрельсового основания, при этом ширина верхней подрельсовой поверхности меньше на 3 - 8% ширины подошвы рельса, а ширина нижней поверхности, располагающейся на подрельсовом основании, соответствует ширине нижней поверхности углубления подрельсовой части основания в пределах допусков на сборку и изготовление. Анализ результатов эксплуатации показал, что при равенстве ширины верхней подрельсовой поверхности подкладки ширине подошвы рельса в эксплуатации в результате необратимых деформационных процессов подкладки в следствии невысоких реологических свойств происходит выдавливание концевых участков подкладки из под подошвы рельса в направлении нарельсовых изолирующихй накладок, что приводит к их преждевременным отказам. С целью уменьшения величин вертикальной деформации подрельсовой подкладки в эксплуатации толщина рабочей области подкладки находится в диапазоне 7-12 мм.
Отличительной особенностью подкладки является наличие на горизонтальной поверхности, контактирующей с поверхностью подошвы рельса ребер и углублений, имеющих регулярный характер по всей поверхности и одинаковые горизонтальные размеры. Размеры углублений между ребрами определяются с учетом упругих свойств материала и величиной максимальных нагрузок в эксплуатации, таким образом, чтобы при максимальной нагрузке происходило сближение ребер до образования единой поверхности (без углублений) контакта подкладки и подошвы рельса. Такое конструкционное решение обеспечивает повышение амортизирующих свойств подкладки при малых значениях нагрузок и качественное повышение упругих характеристик при повышенных нагрузках за счет сближения ребер и образования «общей» монолитной поверхности контакта (увеличение общей площади сопротивления контактному давлению) подкладки с подошвой рельса.
«Краткое описание чертежей»
Предлагаемое изобретение иллюстрируется Фигурами, на которых изображены геометрии элементов предлагаемой конструкции рельсового скрепления анкерного типа.
На фиг. 1 представлено рельсовое скрепление анкерного типа в сборе, на фиг. 2 - то же, вид сбоку, на фиг. 3 - то же, вид сверху; на фиг. 4 представлена нарельсовая изолирующая накладка, вид сбоку, на фиг. 5 - то же, пространственное изображение, на фиг. 6 представлена амортизирующая подрельсовая подкладка, вид сбоку, на фиг. 7 - то же, вид сверху, на фиг. 8 - то же, вид с торца, на фиг. 9 представлена клемма, вид сверху, на фиг. 10 - то же, по сечению А-А, на фиг. 11 представлен монорегулятор, вид сбоку, на фиг. 12 - то же, вид с торца, на фиг. 13 представлена последовательность сборки элементов рельсового скрепления анкерного типа.
«Осуществление изобретения»
Рельсовое скрепление анкерного типа включает анкер 1 с хвостовиками в нижней части анкера направленными под углом к вертикальной оси в диапазоне от 15 до 75°, имеющими увеличение поперечного сечения на концевых участках, с геометрией всех элементов нижней части анкера представляющей собой совокупность переходных кривых большого радиуса, а геометрия перемычки соответствует геометрии конструкции арочного типа. Анкер 1 жестко размещается в подрельсовом основании 2. Каждая головка анкера 1, выступающая над поверхностью подрельсового основания имеет два разнесенных вдоль рельса 3 кронштейна 4. Между головками анкера на подрельсовой части шпалы располагается амортизирующая подрельсовая подкладка 5, на которую опирается рельс 3. Рельс прижимается к амортизирующей подрельсовой подкладке через нарельсовую изолирующую накладку 6 прямолинейным участком пружинной клеммы 7.
Усилие прижатия на усы клеммы формируется монорегулятором 8, который представляет собой эксцентрик и располагается между кронштейнами 4 головки анкера 1. Величина усилия прижатия пружинной клеммы определяется поворотом монорегулятора и от центра монорегулятора до соответствующей грани. Полуокружности клеммы опираются на подклемную подкладку 9, располагающуюся на подрельсовом основании.
Нарельсовая изолирующая накладка (фиг. 4) имеет вертикальный элемент с плоскостью, на которой располагается выступ, который в собранном скреплении располагается между кронштейнами 4 (фиг. 1) головки анкера 1 (фиг. 1). По плоской поверхности осуществляется взаимодействие накладки с ребордами кронштейнов головок анкера. Горизонтальный элемент нарельсовой изолирующей накладки располагается не перпендикулярно к вертикальному элементу, а под углом α. При использовании скрепления на путях с рельсами типа Р65 угол α=100-110°.
Нижняя часть горизонтального элемента представляет собой плоскость. Верхняя часть горизонтального элемента может исполняться в двух вариантах: с радиусом на 20-40% больше радиуса пружинной клеммы при использовании пружинной клеммы круглого сечения или с плоской горизонтальной поверхностью. Размеры плоскости определяются размерами плоской части пружинной клеммы, осуществляющей нажатие на нарельсовую изолирующую накладку в рабочем состоянии новой конструкции скрепления. Особой отличительной особенностью предлагаемой конструкции нарельсовой изолирующей накладки является то, что вертикальный элемент имеет размер исключающий контакт нарельсовой изолирующей накладки с подрельсовым основанием в собранном состоянии скрепления, как без нагрузки, так и при действии нагрузки от подвижного состава. Таким образом, высота вертикального элемента нарельсовой изолирующей накладки Н в зоне ниже горизонтального элемента меньше на 5% высоты подошвы рельса, что исключает в эксплуатации контакт нарельсовой изолирующей накладки и подрельсового основания при действии на рельс максимальной нагрузки и максимальной деформации амортизирующей подрельсовой подкладки.
Амортизирующая подрельсовая подкладка (фиг. 6-8) имеет линейные размеры L1, L2, L3, которые определяются с учетом упругих характеристик материала, из которого изготовлена подкладка, а также размеров опорной поверхности рельса таким образом, чтобы в процессе действия максимальных нагрузок геометрические размеры деформированной подкладки не превышали ширины подошвы рельса. Расчетным путем установлено, что размер L2 должен находиться в пределах 0,95-0,98 от ширины подошвы рельса. Размеры L4, L5 определяются с учетом упругих характеристик материала подкладки и максимальных нагрузок, воздействующих на узел скрепления в эксплуатации.
Пружинная клемма рельсового скрепления анкерного типа (фиг. 9-10) может иметь круглое или плоско-круглое сечение. Применение плоско-круглого сечения обеспечивает в эксплуатации уменьшение контактных давлений в областях взаимодействия пружинной клеммы с монорегулятором, нарельсовой изолирующей накладкой и подклеммной подкладкой, что снижает интенсивность изнашивания в эксплуатации, увеличивает срок службы контактирующих элементов и скрепления в целом.
Монорегулятор (фиг. 11-12) представляет собой эксцентрик со смещенным центром относительно граней. Геометрические размеры смещения центра вращения и граней определяются с учетом механических свойств и размера L5 пружинной клеммы (фиг. 10), таким образом, чтобы обеспечить нормативное усилие прижатия рельса к подрельсовому основанию с учетом уровня сил, действующих на скрепление в эксплуатации.
Сборка рельсового скрепления анкерного типа осуществляется в следующей последовательности, фиг. 13. На подрельсовом основании в зоне размещения рельса размещается амортизирующая подрельсовая подкладка 5. Затем на амортизирующую подрельсовую подкладку размещается рельс 3. Между боковыми гранями подошвы рельса 3 и кронштейнами 4 головки анкера 1 размещаются нарельсовые изолирующие накладки 6, так чтобы горизонтальный выступ накладки располагался между кронштейнами 4 внутри головки над ее основанием. Вплотную к основанию каждой головки анкера 1 на шпалу укладываются подклеммные подкладки 9. Затем надевается пружинная клемма 7 сверху на головку анкера 1 таким образом, чтобы концевые усы пружинной клеммы располагались между кронштейнами 4 над основанием головки анкера, участки полуокружности клеммы размещались на подклемной подкладке 9, прямолинейный участок пружинной клеммы опирался на верхнюю поверхность горизонтального элемента нарельсовой изолирующей накладки 6. Монорегулятор 8 размещается над усами пружинной клеммы 7, его ось заводится в зацепление с кронштейнами 4 головки анкера 1 и осуществляется его вращение для обеспечения требуемого напряжения пружинной клеммы 7 вследствие взаимодействия одной из граней монорегулятора с усами клеммы 7.
Реализация рельсового скрепления анкерного типа с анкером 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.
Реализация рельсового скрепления анкерного типа с шириной верхней подрельсовой поверхности амортизирующей подрельсовой подкладки меньшей на 3-8% ширины подошвы рельса, а также с высотой вертикального элемента нарельсовой изолирующей накладки в зоне ниже горизонтального элемента, меньшей на 5% высоты подошвы рельса иллюстрируется конкретным примером, приведенным в Таблице 2.