ТРЕХГЛАВЫЙ РЕЛЬСОВЫЙ БЛОК
THREE-RAIL UNIT

Изобретение относится к транспортным конструкциям железнодорожного и промышленного транспорта. Предназначено преимущественно для скоростного движения при скорости движения 450…500 км/час и интенсивной непрерывной эксплуатации.
Известны рельсобалочные конструкции, разработанные Неждановым К.К. и др. описанные в патентах [1], [2]. Рельсобалочная конструкция содержит подкрановую балку усиленную продольными ребрами, симметричными относительно стенки, швеллеры, размещенные между продольными ребрами и верхним поясом балки по всей ее длине и соединенные с продольными ребрами и верхним поясом балки шпильками, и тормозную балку. Рельсобалочная конструкция содержит рельсовый блок, выполненный из тавра, ориентированного стенкой верх, и двух рельсов, размещенных симметрично относительно стенки тавра и соединенных с ним шпильками. Полка тавра рельсового блока и полки швеллеров выступают наружу на 50…100 мм за продольную грань верхнего пояса подкрановой балки, причем полка тавра соединена с соответствующими полками швеллеров шпильками, проходящим рядом с полкой верхнего пояса снаружи.
Рельсовый блок выполнен из тавра, ориентированного стенкой вверх и двух рельсов, размещенных симметрично относительно стенки тавра. Подошва каждого из рельсов со стороны стенки тавра срезана заподлицо с боковой поверхностью головки рельса, опирается на полку тавра, а шейки рельсов соединены друг с другом и тавром полыми заклепками с внедряемыми сердечниками, пропущенными сквозь шейки рельсов и стенку тавра, объединяя рельсы и тавр в единый рельсовый блок.
Недостаток данного технического решения - необходимость сверления отверстий в шейках рельсов и срезки части рельсов.
Известно техническое решение, описанное в патенте «Узел соединения арочного рельса с трубчатым поясом подкраново-подстропильной балки» [3]. Конструкция имеет несимметричный профиль и предназначена для трубчатого пояса подкраново-подстропильной балки. Узел снабжен подрельсовой подкладкой. Подкладка выполнена непрерывной с подошвами, копирующими поверхность трубчатого пояса балки и с центральным продольным гребнем, копирующим полость арочного рельса для фиксации последнего. Сбоку на главе арочного рельса имеется непрерывный гребень для взаимодействия с направляющими роликами мостового крана, что позволяет исключить сход крана с рельсов. Узел снабжен также клеммами для фиксации арочного рельса на этой подкладке и опорным столиком для взаимодействия с нижним торцом этой подкладки, с упомянутым трубчатым поясом.
Недостатком данного технического решения является то, что упругие клеммы не включены в работу сечения рельсового блока.
Наиболее близкой по технической сущности является «Замковое соединение рельсов в блок», разработанное Неждановым К.К. и др. [4]. Примем этот патент за прототип. В прототипе процесс замены изношенных рельсов автоматизирован.
Однако в прототипе применены двуглавые рельсы, прокат которых не освоен промышленностью. Поэтому актуальна разработка новых технических решений из рельсов, прокат которых освоен.
Для автоматизации процесса монтажа новых рельсов и демонтажа старых изношенных рельсов используются технические решения, разработанные Неждановым К.К. и др. Известные решения «Способ замены кранового рельса» [5], «Автоматическое устройство для захвата и продольного перемещения кранового рельса» [6], «Устройство для регулирования напряжений рельсовых креплений» [7], приведены в авторских свидетельствах.
Технический результат изобретения - автоматизация процесса монтажа новых рельсов и демонтажа старых изношенных рельсов. Автоматизация сборки и разборки трехглавого рельсового блока повышает ремонтопригодность. Ударные воздействия колес транспортных средств на стыках минимизируются.
Технический результат реализован тем, что трехглавый рельсовый блок содержит главный рельс, ориентированный вертикально и опирающийся по всей длине на непрерывную подрельсовую подкладку с двумя Г-образными гребнями, нависающими над подошвой главного рельса, и пару боковых рельсов, ориентированных горизонтально главами наружу и рельсовые клеммы.
Отличие в том, что к подрельсовой подкладке симметрично относительно главного рельса сверху неподвижно присоединена пара швеллеров-фиксаторов, ориентированных полками вверх, снизу неподвижно присоединена пара поддерживающих швеллеров, ориентированных полками наружу.
Причем главный рельс западает подошвой между Г-образных гребней подрельсовой подкладки, а каждый из пары боковых рельсов западает подошвой в щель между Г-образных гребней подрельсовой подкладки и полкой швеллера-фиксатора, опирается сбоку подошвой на Г-образный гребень, каждый швеллер-фиксатор западает полками в просвет между главой и подошвой бокового рельса и фиксирует боковой рельс.
При этом пара Г-образных клемм, являющихся упругими, введена в просвет между Г-образными гребнями подрельсовой подкладки и шейкой главного рельса, они плотно охватывают шейку с двух сторон, короткое плечо каждой из Г-образных клемм западает под нависающие гребни подрельсовой подкладки, а длинные плечи нависают над парой боковых рельсов.
Пара эксцентриков с Z-образными ручками западают под нависающие длинные плечи Г-образных клемм и выступают Z-образными ручками вверх, и при взаимодействии с Z-образными ручками двух эксцентриков с клином автоматического напрягающего устройства, подвешенного впереди транспортного средства, движущегося по трехглавым рельсовым блокам, эксцентрики взаимодействуют с Г-образными клеммами и автоматически напрягают и запирают замковое устройство.
Пара Г-образных клемм с парой эксцентриков и два боковых рельса со швеллерами-фиксаторами образуют арку, подпирающую главный рельс с двух сторон. Автоматическим напряжением замковое устройство запирают и образуют монолитный трехглавый рельсовый блок, работающий как единое целое.
Элементы рельсового блока объединены в монолитное целое сжимающими его силами от Г-образных клемм с гарантированным натягом. Проскальзывание элементов относительно друг друга исключено.
На чертеже показан трехглавый рельсовый блок в разрезе до предварительного напряжения.
Трехглавый рельсовый блок 1 содержит главный 2 рельс, ориентированный вертикально и опирающийся по всей длине на непрерывную подрельсовую подкладку 3. Подрельсовая подкладка 3 выполнена прокатом и симметрична относительно главного 2 рельса. Она снабжена парой Г-образных гребней 4, направленных выступами навстречу друг другу и нависающих над подошвой главного 2 рельса. Главный 2 рельс западает своей подошвой между Г-образных гребней 4 подрельсовой подкладки 3.
К подрельсовой подкладке 3 сверху неподвижно присоединена пара швеллеров-фиксаторов 5 ориентированных полками вверх. Швеллеры-фиксаторы 5 предназначены для фиксации пары боковых 6 рельсов, ориентированных горизонтально главами наружу. Каждый боковой 6 рельс опирается сбоку подошвой на Г-образный гребень 4. Каждый из пары швеллеров-фиксаторов 5 западает полками в просвет между главой и подошвой бокового 6 рельса и фиксирует боковой 6 рельс в плане и по высоте.
Каждый из пары боковых 6 рельсов западает подошвой в щель между Г-образных гребней 4 и швеллерами-фиксаторами 5.
Пара эксцентриков 7 с Z-образными ручками 8 западают под нависающие длинные плечи Г-образных клемм 9. Z-образные ручки 8 выступают вверх. Пара Г-образных клемм 9 введена в просвет между Г-образными гребнями 4 подрельсовой подкладки 3 и шейкой главного 2 рельса, плотно охватывают шейку с двух сторон. Короткое плечо каждой из Г-образных клемм 7 западает под нависающие Г-образные 4 гребни подрельсовой подкладки 3, а длинные плечи Г-образных клемм 7 нависают над парой боковых рельсов 6.
При взаимодействии Z-образных ручек 8 двух эксцентриков 7 с клином автоматического напрягающего устройства, подвешенного впереди транспортного средства, движущегося по трехглавым рельсовым блокам 1, эксцентрики 7 взаимодействуют с Г-образными клеммами 9 и автоматически напрягают и запирают замковое устройство, образуя монолитный трехглавый рельсовый блок 1. Пара Г-образных клемм 9, два боковых рельса 6, подпирающих главный 2 рельс с двух сторон, эксцентрики 7 и швеллеры-фиксаторы 5 образуют арку.
К подрельсовой подкладке 3 снизу неподвижно присоединена пара поддерживающих 10 швеллеров, ориентированных полками наружу.
Пара Г-образных клемм 9 введена с торца под Г-образные гребни 4. Г-образные клеммы 9 плотно контактируют в напряженном состоянии с выступами гребней 4 снаружи и сверху, а выпуклой частью - с наклонной шейкой главного рельса 2. Каждая Г-образная клемма 9 имеет длинное плечо, заканчивающееся на конце выступом вниз. В зазор между длинным плечом, нависающим над шейкой бокового рельса, с торца введен эксцентрик с Z-образной ручкой, взаимодействующим с автоматическим напрягающим устройством, навешиваемым на транспортное средство [7].
Г-образную клемму 9 предпочтительнее выполнять прокатом на прокатном стане и делать такой же длины, как длина рельса. Длину же рельсов следует увеличить до 500…800 м и перевозить их с завода изготовителя так же, как возят сварные плети рельсов [8, с.287, рис.177].
Принудительный силовой поворот Z-образных ручек 8 эксцентриков 7 осуществляют автоматическим напрягающим устройством, навешиваемым перед транспортным средством. Устройство сделано подобно известному «Автоматическому устройству для напряжения рельсовых креплений» [7]. Силовым поворотом выступающие вверх Z-образные ручки 8 эксцентриков 7 осаживают вниз до упора и контакта с шейками боковых рельсов 6.
В свою очередь длинные плечи Г-образных клемм 9 приподнимаются вверх, выпуклые участки их входят в плотный контакт с шейкой главного рельса 2, охватывая ее, а короткие плечи Г-образных клемм 9 упираются в Г-образные гребни 4 изнутри и снизу. Подошва главного 2 рельса плотно прижимается к подрельсовой подкладке 3 сверху.
Каждый из эксцентриков 9 зафиксирован в углублении между главой и подошвой бокового рельса 6. Самопроизвольно эксцентрик 7 повернуться, не может, так как создан крутящий момент, удерживающий эксцентрик 7 в запертом состоянии.
Все элементы трехглавого рельсового блока плотно сомкнулись друг с другом и стали работать слитно как единое целое.
Рельсовый блок обжат Г-образными клеммами 9 с гарантированным натягом, что исключает продольное смещение его элементов одного относительно другого. Следовательно, произошло замковое соединение рельсов и подрельсовой подкладки в единый блок.
Такое соединение рельсов с подрельсовой подкладкой работает за счет сил трения, возникающих между контактирующими поверхностями, и является фрикционным [9, с.53].
Известны также замковые устройства для соединения подвижных частей машин, механизмов, препятствующих их относительному повороту, самоотвинчиванию, самопроизвольному смещению [8, с.410].
Поэтому будем называть такое соединение рельсов с подрельсовой подкладкой фрикционным замковым соединением [9, с.7]. Отличительная особенность этого соединения - его быстроразъемность и высокая надежность.
Быстроразъемность соединения обеспечивает дополнительный эффект, так как резко снижает трудоемкость замены рельсов при их износе.
Эксцентрики 9 прокатывают на прокатном стане и затем нарезают мерной длины по 5000…6000 мм.
Направляющие ролики 11 фиксируют транспортное средство и основные его безребордные колеса 12 на трехглавом рельсовом блоке 1 и передают горизонтальные воздействия Т от колес транспортного средства. Гребни безопасности 13 направляющих роликов 11 исключают сход транспортного средства с рельсов. При нормальной работе гребни безопасности 13 не касаются глав боковых рельсов 6 и включаются в работу только в аварийной ситуации.
Основное колесо 14 транспортного средства выполнено без реборд и передает на рельсовый блок вертикальные воздействия Р. Подрельсовая подкладка 5 соединена с конструкцией, лежащей ниже, посредством поддерживающих швеллеров 10. Нижележащей конструкцией является или подкрановая балка, или главная балка моста [10, с.763].
Торцы всех стыкуемых элементов фрезерованы, причем максимальное повышение прочности стыка рельсового блока достигнуто относительным смещением стыков его элементов, а именно: рельсов 2, подрельсовых подкладок 4, Г-образных клемм 9 и эксцентриков 7. Таким образом, достигнута максимальная равнопрочность и непрерывность рельсового пути.
Замковое соединение рельсов в монолитный блок осуществляется автоматически.
После вдвижки в подрельсовую подкладку всех элементов рельсового блока [5, 6, 7] осуществляют замковое соединение рельсов в блок. Для этого перед транспортным средством навешивают автоматическое напрягающее устройство. Напрягающим устройством является клин, скользящий по Z-образным ручкам 8 пары эксцентриков 7, осаживающих их вниз до упора [7].
При этом два симметричных относительно рельсового блока эксцентрика упруго деформируются по спирали, один по правой спирали, а другой левой.
Усилие запирания, создаваемое транспортным средством, увеличивается в два три раза эксцентриком 7. Следующее увеличение силы прижатия в четыре, пять раз, происходит за счет Г-образных клемм 9.
Окончательное сдавливание рельсов и подрельсовой подкладки происходит с увеличением силы, по сравнению с первоначальной, в 8…15 раз.
Происходит автоматическое замковое соединение рельсов в блок. Такое соединение является фрикционным, так как сдвиги одного элемента относительно другого исключены благодаря силам трения, возникающим в контактных зонах между элементами рельсового блока.
Следует отметить особенность замкового соединения рельсов. Запирание рельсового блока производится локомотивом при продольном его движении, поэтому сила запирания может достигать нескольких тонн (400…500 гН) и тогда вручную рельсовый блок отпереть практически невозможно. Это является страховкой от террористов.
Работа и сборка рельсового блока
Замковое соединение рельсов в блок и его предварительное напряжение автоматизировано. Рельсы вдвигают в подрельсовую подкладку известным способом с торца [5, 6, 7]. Рельсы следует поставлять с прокатного завода более длинными, чем сейчас, и не резать их на куски по 25 м. Рельсовая плеть должна быть длинной 500…800 м, то есть такой же длины, как сварные рельсовые плети [8, с.286, рис.177]. Такие плети транспортируют на составе, состоящем из 79 двухосных платформ. К месту укладки рельсовые плети транспортируют со скоростью не выше 70 км/час. При движении по кривым радиусом 480 м и более скорость следования состава следует снижать до 50 км/час. Г-образные клеммы 9 и эксцентрики 15 вдвигают в рельсовый трехглавый блок также с торца [5].
Сопоставление разработанного трехглавого рельсового блока с аналогом показывает следующие его существенные отличия:
- Стандартные боковые рельсы образуют симметричную пару относительно главного рельса, это позволяет достигнуть высокой устойчивости трехглавого рельсового блока.
- Процессы замены изношенных рельсов автоматизированы, что позволяет значительно повысить ремонтопригодность пути.
- Стандартные боковые рельсы вместе с Г-образными клеммами и эксцентриками в сборке работают как арка, а распор воспринимает подрельсовая подкладка. Силы распора и трения в зонах контактов элементов трехглавого рельсового блока обеспечивают слитную их работу без проскальзывания.
- Подрельсовая подкладка и Г-образные клеммы работают в составе сечения всего трехглавого рельсового блока, во много раз увеличивая моменты инерции и моменты сопротивления его по сравнению со стандартными рельсами.
- Стыки рельсов, подрельсовых подкладок и Г-образных клемм смещены относительно друг друга, и это позволило минимизировать удары колес на стыках.
- Напряжение и замыкание трехглавого рельсового блока автоматизировано простым поворачиванием эксцентрика посредством устройства, навешиваемого на локомотив подобно устройству в [5].
Экономический эффект возник из-за следующего:
- Создан быстроразъемный трехглавый рельсовый блок из стандартных рельсов. Элементы его соединяются в единое целое автоматически. Обеспечена автоматизация монтажа и демонтажа рельсов с минимальной трудоемкостью.
- Элементы трехглавого рельсового блока образуют относительно главного рельса эффективно работающую арку.
- Выпуск трехглавых рельсовых блоков легко может быть налажен на действующих заводах металлических конструкций.
- Высокая надежность зажатия элементов трехглавого рельсового блока исключает сход с рельсов транспортных средств.
- Ремонтопригодность трехглавого рельсового блока высокая, так как процесс замены изношенных рельсов автоматизирован.
Литература
1. Нежданов К.К., Туманов А.В. Нежданов А.К. Рельсобалочная конструкция: Патент России №2191155. Бюл. №29, 20.10.2002.
2. Нежданов К.К., Туманов А.В. Нежданов А.К. Рельсовый блок: Патент России №2216621. Бюл. №32, 20.11.2003.
3. Нежданов К.К. и др. Узел соединения арочного рельса с трубчатым поясом подкраново-подстропильной балки. Патент России №2234453. Бюл. №23, 20.08.2004.
4. Нежданов К.К., Рубликов С.Г., Нежданов А.К. Замковое соединение рельсов в блок: Патент России №2295601, В66С 6/00, 7/08. Бюл.8. 20-03-2007.
5. Нежданов К.К., Мишанин И.Н., Иллюстров Г.Б. Способ замены кранового рельса: а.с. №0358248, СССР, М. Кл. В66С 7/08 // Бюл. №33-1972.
6. Нежданов К.К. Автоматическое устройство для захвата и продольного перемещения кранового рельса, а.с. №0678012, СССР, М. Кл., В66С 1/42 // Бюл. №29 - 1979.
7. Нежданов К.К. и др. Устройство для регулирования напряжений рельсовых креплений: Патент России №922220. Бюл. №15, 1982.
8. Золотарский А.Ф. и др. Железнодорожный путь на железобетонных шпалах. Ред. Золотарский А.Ф., изд. Транспорт, 1967.
9. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП II-23-81*). - М.: 1989.
10. Большой энциклопедический словарь. Ред. Прохоров A.M. - М.: Большая Российская Энциклопедия. - 1998.
11. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Туманов А.В. Рельсовый путь: Патент России №2227188, М. Кл. Е01В 23/10. Бюл. №11, 20.04.2004.