РЕЛЬСОВОЕ ЗВЕНО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ (ВАРИАНТЫ)
RAILWAY RAIL LENGTH (VERSIONS)

Изобретение относится к строительству железных дорог, преимущественно к конструкциям верхнего строения пути.
В настоящее время железнодорожный транспорт как в России, так и во всем мире, в плане повышения надежности железнодорожных путей с шпальным основанием близок к пределу возможностей.
Надежность железнодорожного пути по фундаментальной работе В.С.Лысюк, В.Н.Сазонова и Л.В. Башкатовой - свойство пути сохранить в условленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнить требуемые функции (бесперебойный пропуск поездов с установленной скоростью) в заданных условиях эксплуатации (текущего содержания и ремонтов). При этом количественно надежность пути оценивается численными значениями показателей его безотказности, долговечности и ремонтопригодности.
В условиях возрастания объемов перевозок, скоростей движения поездов в последние десятилетия стремление к повышению надежности железнодорожных путей в отечественной и зарубежной практике осуществлялось по направлениям:
- повышение изгибной жесткости рельсов путем увеличения погонной массы рельсов;
- повышение жесткости рельсового основания путем увеличения густоты расположения шпал;
- повышение жесткости балласта путем увеличения толщины балластного слоя щебня под шпалами.
Однако в настоящее время укрепилось общее мнение, что дальнейшее увеличение погонной массы рельсов свыше 65 кг/м нецелесообразно - в течение 1950-2000 г.г. масса рельса в России была повышена с 38,4 до 64,4 кг/м. Доля протяжения главного пути с рельсами Р65 и Р75 уже достигла 95%.
Тем не менее о низкой эффективности дальнейшего повышения погонной массы рельсов типа Р65 и Р75 свидетельствует доля их отказов по контактно-усталостным дефектам, которая по сравнению с 1950 г. для рельсов с q=38,4 кг/м возросла для всех типов в 2000 г. до 45%, а для рельсов Р75 до 64%.
Густота укладки шпал в настоящее время уже повысилась до 1840-2000 шт/км железнодорожного пути, что существенно удорожает как строительство новых, так и ремонт старых путей.
Толщина щебеночного балласта на отечественных дорогах уже достигает 1 м, а кое-где его превышает. Наблюдающееся во всем мире повышение скоростей и осевых нагрузок при железобетонных шпальных основаниях намного увеличило вибрацию пути и понизило сопротивление вибрации всех элементов пути, ухудшило условия работы балластной призмы и земляного полотна.
Верхнее строение пути является несущей конструкцией железнодорожного пути, воспринимающей нагрузки от колес подвижного состава и направляющей их движение.
Организация скоростного движения поездов и увеличение нагрузок на ось подвижного состава (в перспективе до 30 т/ось) вызывает значительный рост напряженно-деформированного состояния всех элементов железнодорожного пути. Возрастание грузонапряженности ведет к интенсивному накоплению остаточных деформаций пути, что осложняет обеспечение надежности пути.
Специалисты считают, что единственно эффективным путем повышения надежности и объемов наработки путей, обеспечения безопасности железнодорожного транспорта является интенсивные методы, связанные с повышением указанных факторов за счет конструктивного совершенствования железных дорог без увеличения их материалоемкости.
Кроме того, при поиске лучших инженерных решений для развития железнодорожного транспорта необходимо учесть следующие пожелания эксплуатационников:
- создание пути, равнопрочного по его протяжению;
- высокую изгибную прочность рельсов без увеличения массы погонного метра рельса;
- минимизация неровностей на железнодорожном пути;
- ускорение строительства новых и упрощение замены при ремонте, снижение сроков простоя пути при ремонтах полотна.
Значительное внимание инженеров уже многие десятилетия привлекает возможность перехода от шпальных подрельсовых оснований к железобетонным из сборных плит, балок, рам или лежней. В отдельных странах есть определенный опыт применения сплошных железобетонных оснований.
В цитированных работах приводятся различные данные о многочисленных преимуществах сплошных железобетонных оснований, как сборных, так и монолитных, однако, десятилетия упорных исследований не позволили в мировой практике железнодорожного транспорта заменить шпальное основание железнодорожных путей. Практическое применение сплошных (блочных) железобетонных опор рельсов применяется только при прокладке отдельных путей на мостах и тоннелях, а также как основания трамвайных путей.
Не случайно, современный СНиП 32-01-95 «Железные дороги колеи 1520 мм» в разделе 5 «Верхнее строение пути» не предусматривает применение железобетонных плит, рам или подобных опор.
Кроме того, в качестве будущего железных дорог предполагают переход от прочного пути к надежному с учетом двух направлений стратегий:
1 - своевременную ликвидацию неровностей на колесах и рельсах, а также укладки виброзащитных железобетонных шпал с резиновыми прокладками;
2 - повышение безотказности и долговечности пути без увеличения его материалоемкости: изменение очертания верха головки рельсов по типу американских рельсов 132 RE, применение шарнирных стыковых накладок вместо клиновых, противораспорных костыльных подкладок, ликвидация избытка возвышения наружного рельса в кривых и укладка рельсовых стыков в разбежку, а не по наугольнику.
Ведущие специалисты железнодорожники практически не видят сегодня перспективы применению сборных блочных или монолитных железобетонных оснований, что связано с тем, что такие основания обычно связаны:
- с излишней жесткостью основания, оказывающей влияние на быстрый износ колесных пар;
- незначительным влиянием на изгибную прочность рельсов;
- недостаточной равнопрочностью основания пути по протяжению, особенно при применении сборных железобетонных плит заводского изготовления, тем более применение монолитных железобетонных оснований для климатических условий России нереально.
- с большим расходом железобетона.
Это связано с определенными недостатками сплошных железобетонных опор (сборных или монолитных), устранению которых посвящено предлагаемое изобретение.
Из уровня техники известны и в настоящее время наиболее широко применяются рельсовые звенья, содержащие рельсы, закрепленные на деревянных или железобетонных шпалах (см., например, книгу Яковлевой Т.Г. и др. «Железнодорожный путь». - М., Транспорт, 2001, с.42-52). Железнодорожный путь на железобетонных или деревянных шпалах, в том числе уложенных звеньями, обеспечивает достаточно надежную его эксплуатацию при скоростях до 250-300 км/ч. Причем деревянные шпалы характеризуются достаточной упругостью, хорошим сцеплением со щебнем, малой чувствительностью к ударам и колебаниям температуры, сравнительно небольшой массой (до 70 кг). Однако они имеют небольшой срок службы из-за гниения, растрескивания и механического износа. На изготовление деревянных шпал расходуется большое количество дефицитной и дорогой строевой древесины; железнодорожный путь на деревянных шпалах характеризуется неоднородностью упругих свойств по длине пути (из-за неодинаковых размеров шпал).
Железобетонные шпалы обладают неоспоримыми преимуществами по сравнению с деревянными шпалами: они огнестойки и не подвержены гниению, межремонтный период благодаря долговечности этих шпал составляет 30-50 лет; железнодорожный путь характеризуется стабильностью ширины колеи, однородностью упругих свойств по длине пути. Весьма важной является возможность сохранения лесов при изготовлении такого вида шпал.
Однако звеньевой путь на железобетонных шпалах может укладываться на период не более двух-трех месяцев для завершения стабилизации балластной призмы, после чего обязательна замена коротких рельсов на длинные сварные плети бесстыкового пути. Кроме того, условия работы пути на железобетонных шпалах значительно усложняются из-за изменения температуры рельсов в течение года, что вызывает перемещения концов прилегающих сварных рельсовых плетей с последующей подвижкой уравнительных рельсов.
Однако опыт эксплуатации пути на шпальной решетке показывает, что на поддержание колеи в соответствующем состоянии требуется затрачивать большое количество труда и средств. Одна из причин - плохая передача подвижной нагрузки шпальной решеткой на площадку земляного полотна.
При шпальной решетке атмосферные осадки неизбежно попадают на площадку земляного полотна, вследствие чего ее несущая способность во много раз снижается, что еще больше способствует накоплению остаточных деформаций и ведет к расстройству пути. Кроме того, возникает проблема очистки щебня при укладке шпальной решетки на щебеночный балласт. При этом возникает необходимость подъема всего пути с последующим приведением его в надлежащее состояние, что также связано с большими расходами.
Определенным образом компенсировать усложнение работы пути, повысить сопротивляемость рельсо-шпальной решетки накоплениям остаточных деформаций можно, например, за счет увеличения числа шпал на 1 км пути. Однако в настоящее время число шпал уже доведено до максимально возможного - до 2000. Дальнейшее повышение стабильности пути возможно лишь за счет изменения самой конструкции подрельсового основания.
Все указанные выше недостатки в значительной степени устраняются и существенно сокращаются расходы при укладке пути на блочное, например, лежневое подрельсовое основание или сплошное подрельсовое основание в виде плит. В этом случае нагрузка будет передаваться на большую поверхность земляного полотна, а следовательно, будет обеспечиваться и большая устойчивость пути. Снижается и засор щебеночного балласта.
Известно рельсовое звено на блочном подрельсовом основании в виде сборных железобетонных рам, состоящих из четырех элементов: двух продольных, лежневых, и двух поперечных, соединяющих лежневые части при помощи металлических стержней (см., например, книгу В.Г.Альбрехта и др. «Современные конструкции верхнего строения железнодорожного пути». - М., Транспорт, 1975 г., с.165-167). Продольные лежневые элементы изготовлены из предварительно напряженного железобетона и имеют переменное по протяжению поперечное сечение. Для облегчения конструкции в лежнях сделано 11 поперечных отверстий диаметром 160 мм, расположенных по нейтральной оси каждого лежня. На концах лежней предусмотрено уширение для уменьшения влияния стыка рам, так как укладывают рамы в путь со свободным стыкованием. Соединительные элементы изготовлены из ненапряженного железобетона.
Путь с известным крупноблочным лежневым подрельсовым основанием отличается большей стабильностью, чем на железобетонных шпалах, и значительно медленнее накапливает остаточные деформации. Осадка рельсо-блочной решетки в этой конструкции происходит более равномерно по всей длине пути, не вызывая заметных искажений профиля. Несмотря на значительно большую жесткость известного блочного подрельсового основания в сравнении со шпальным, характер и величина износа рельсов на нем не отличаются от величины и характера износа рельсов на шпальном основании.
Однако рассматриваемая конструкция рельсового звена из-за имеющейся шарнирности в узлах соединения не обеспечивает постоянства ширины колеи, особенно при неравномерном уплотнении балласта. Уширения по концам рам не предотвращают повышенные прогибы пути. Имеют место случаи обрыва стягивающих продольные лежни металлических стержней. Высока загрязняемость балластного слоя, ничем не закрытого от попадания грязи и сора.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является рельсовое звено железнодорожного пути, включающее скрепленные соединительными элементами предварительно напряженные железобетонные плиты и смонтированные на плитах рельсы с крепежом и амортизирующими прокладками (см., например, книгу Ю.Д.Волошко и др. «Рельсовый путь с блочными железобетонными опорами.» - М., Транспорт, 1980 г., с 24-25). В известной конструкции двадцать бетонных плит размером 2,3×0,5×0,17 м соединены между собой боковыми пластинами - лагами в одно десятиметровое звено. Плиты расположены поперек железнодорожного полотна, а лаги размещены в торцах плит с наружной стороны. Между плитами вставлены резиновые прокладки. Две крайние плиты соседних звеньев также соединены короткими лагами, и все звенья образуют, таким образом, неразрывное бетонное подрельсовое основание. Снаружи к лагам имеется доступ для их подтягивания или ослабления. Рельсы укладываются и закрепляются на плитах, опираясь на них через рифленые резиновые прокладки.
Известная конструкция рельсового звена обеспечивает сплошное опирание на балластный слой плитной подрельсовой опоры, что, в свою очередь, позволяет заметно снизить напряжения в балластном слое и земляном полотне, а также интенсивность накопления остаточных деформаций в них. Одновременно балластная призма в такой конструкции в значительной мере защищена от засорения. Звено удобно при монтаже и легко укладывается.
Однако под воздействием постоянно растущей подвижной нагрузки снижается прочность соединения отдельных плит пластинами - лагами, что вызывает необходимость постоянного их осмотра и подтягивания, и, следовательно, связано со значительными трудовыми и материальными затратами на содержание и ремонт пути. При этом в стыках плит ослабленного звена возникают повышенные прогибы, а остаточные деформации пути накапливаются быстрее, чем в нормально работающих звеньях, вследствие чего ухудшаются надежность и стабильность железнодорожного пути.
Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности железнодорожного пути, снижение эксплуатационных затрат на его содержание.
Поставленная цель достигается тем, что в рельсовом звене железнодорожного пути, включающем скрепленные соединительными элементами предварительно напряженные железобетонные плиты и смонтированные на плитах рельсы с крепежом и амортизирующими упругими элементами, соединительные элементы выполнены в виде стальных канатов с защитными полимерными оболочками, размещенных в сквозных продольных каналах внутри плит и стягивающих между собой плиты с упругими прокладками между плитами, причем каналы в верхней части ограничены средней плоскостью сечения плиты, диаметр каналов выбран в пределах от 0,1 до 0,2 минимальной толщины плит, а анкеры стальных канатов, стягивающих плиты в звено, размещены в омоноличенных бетоном крепежных прямоугольных полостях крайних плит, при этом расстояние между торцами плит в звене выбрано в пределах от 50 до 100 мм.
Поставленная цель достигается также тем, что в рельсовом звене железнодорожного пути, включающем скрепленные соединительными элементами предварительно напряженные железобетонные плиты и смонтированные на плитах рельсы с крепежом и амортизирующими упругими прокладками, соединительные элементы выполнены в виде стальных канатов, стягивающих между собой плиты с упругими прокладками между плитами, причем стальные канаты выполнены без защитных полимерных оболочек и размещены в сквозных продольных каналах внутри плит; в верхней части сквозные каналы ограничены средней плоскостью сечения плиты, а после напряжения канатов омоноличены быстротвердеющим цементно-песчаным раствором, при этом диаметр каналов выбран в пределах от 0,1 до 0,2 минимальной толщины плит, а анкеры стальных канатов, стягивающих плиты в звено, размещены в омоноличенных бетоном крепежных прямоугольных полостях крайних плит, при этом расстояние между торцами плит в звене выбрано в пределах от 50 до 100 мм. Кроме того, упругие элементы размещены между плитами и выполнены предпочтительно в виде резиновых цилиндров со сквозными отверстиями диаметром от 0,2 до 0,8 и высотой от 0,4 до 0,8 минимальной толщины плит и размещены по оси стальных канатов, при этом упругие элементы обоими торцами помещены в посадочные выемки-гнезда соседних плит.
Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что благодаря стягиванию предварительно напряженных железобетонных плит стальными канатами, проходящими внутри плит, обеспечивается максимально прочное и устойчивое практически в течение всего срока эксплуатации соединение плит между собой с образованием высокоэффективной конструкции рельсового звена. Предлагаемая конструкция звена не только существенно уменьшает интенсивность накопления остаточных деформаций в балластном слое и земляном полотне пути, но и значительно повышает трещиностойкость и долговечность подрельсового основания, воспринимающего при этом любые напряжения, вызываемые эксплуатационными нагрузками. Бетон плит в такой конструкции работает полным сечением, благодаря чему может быть уменьшена не только толщина плит, собираемых в звено, но и масса всего звена, а следовательно, материальные и трудовые затраты на содержание и ремонт пути. Практически исключаются ослабленные стыки между плитами в заявляемой конструкции благодаря стягиванию плит канатами с усилием, достигающим 30 тс на канат, что существенно повышает надежность и стабильность железнодорожного пути.
На фиг.1 изображено предлагаемое рельсовое звено, устанавливаемое на балластной призме, включающей балластный щебеночный слой 1, уложенный на земляном полотне 2 с песчаной подсыпкой 3. Звено содержит предварительно напряженные железобетонные плиты 4 со сквозными продольными каналами 5, диаметр которых выбран в пределах от 0,1 до 0,2 минимальной толщины плит. Внутри каналов 5 протянуты стальные канаты 6 с защитными полимерными оболочками 7 и одетыми на канаты 6 между плитами 4 упругими элементами 8. Концы стальных натянутых канатов закреплены в анкерах (не показаны), размещенных в крепежных полостях 9, которые, в свою очередь, расположены в крайних бетонных плитах 10 рельсового звена. Между отдельными плитами 4 каждого звена, а также между крайними плитами 10 соседних звеньев предусмотрен зазор 11. На железобетонных плитах 4 звена закреплены стальные рельсы 12.
Рельсовые звенья собирают, стыкуя торцы звеньев и соединяя звенья стальными канатами 6, закрепляемыми в крепежных полостях 9, с размещением между крайними плитами 10 также упругих элементов 8, обеспечивающих после натяжения стальных канатов 6 зазор 11 между плитами 4 от 50 мм до 100 мм и обоими торцами помещенных в посадочные выемки - гнезда соседних плит (не показаны). Выполняются упругие элементы 8 предпочтительно в виде резиновых цилиндров со сквозными отверстиями диаметром от 0,2 до 0,8 и высотой от 0,4 до 0,8 минимальной толщины преднапряженных бетонных плит.
При строительстве железнодорожных путей звенья укладывают (фиг.2) на заранее подготовленный на земляном полотне 2 с песчаной подсыпкой 3 уплотненный щебеночный балластный слой 1 таким образом, чтобы сквозные каналы 5 в плитах 4 располагались соосно друг другу. Затем через каналы 5 протягивают стальные канаты 6 с защитными полимерными оболочками 7 и с упругими элементами 8 между крайними плитами звеньев для скрепления с соседним звеном и с помощью домкратов осуществляют их натяжение с усилием до 5-30 тс. Во всех случаях, как между отдельными плитами каждого звена, так и между крайними плитами соседних звеньев после натяжения канатов с помощью упругих элементов 8 создается зазор 11 от 50 мм до 100 мм. Рекомендуемый размер звеньев в длину - 12,5 м и 25 м. В этом случае можно эффективно применять существующие подъемные механизмы.
Как вариант рассмотренной конструкции рельсового звена в заявляемом техническом решении также предлагается рельсовое звено железнодорожного пути, в котором стальные канаты 6, в отличие от приведенной выше конструкции, выполнены без защитной полимерной оболочки и размещены в сквозных продольных каналах 5 внутри плит 4. После натяжения канатов в сквозные каналы 5 нагнетается под давлением в несколько атмосфер и омоноличивается быстротвердеющий цементно-песчаный раствор.
В процессе эксплуатации предлагаемого строения железнодорожного пути предварительно напряженные железобетонные плиты 4 подрельсового основания благодаря стягиванию напряженными стальными канатами 6 в сочетании со стальными рельсами 12 минимально прогибаются под действием значительно возросших нагрузок от подвижного состава, одновременно эффективно передавая в грунт возникающую при переменных нагрузках вибрацию. Упругие элементы 8 предпочтительно в виде резиновых цилиндров, обеспечивающие постоянный зазор в пределах 50-100 мм между соседними плитами, предотвращают угон стальных рельсов 12 и разрушение торцов плит 4 под действием периодических многотоннажных нагрузок как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Осуществляется защита напряженных стальных канатов 6 в 2-х вариантах: в варианте полимерных оболочек 7 и в варианте омоноличенного цементно-песчаного раствора, предотвращающих воздействие на стальные канаты агрессивных сред.
Заявляемая конструкция рельсового звена позволяет, благодаря стягиванию бетонных плит, не прогибающихся на стальных канатах, но способных к вибрации для эффективного гашения периодических нагрузок, монтировать длинномерные конструкции - рельсовые звенья из плит, которые обеспечивают равномерную передачу подвижных нагрузок на основную площадку земляного полотна, невзирая на вспучивание или осадку части полотна, возникающих при традиционной рельсошпальной решетке пути.
Предлагаемое техническое решение позволяет строить гибкое, хорошо ориентированное горизонтально, без возможности просадки в стыках соседних плит, верхнее основание пути с повышенной изгибной прочностью рельсов и обеспеченной равнопрочностью пути. Значительная площадь опирания предлагаемого рельсового звена из плит на балласт или земельное полотно позволяет существенно более эффективно (по сравнению со шпальным основанием) передавать нагрузки от движущегося состава на грунт с минимизацией угона, поперечных сдвигов и других негативных явлений. Новое решение, тем более при применении бесстыковых рельсовых путей, позволит повысить скорости движения поездов, снизить основное удельное сопротивление пути движению поездов и благодаря этому экономить топливо и электроэнергию на тягу.
Предлагаемое техническое решение позволяет существенно ускорить работы по укладке верхнего строения пути, так как, в частности, скрепления стальных рельсов осуществляются на плитах подрельсового основания в 2-3 раза реже, чем на шпалах.
Кроме того, снижаются объемы работ по выправке пути, интенсивность износа рельсов и, в конечном итоге, увеличиваются сроки службы и долговечность верхнего строения пути. Существенно сокращающиеся относительные горизонтальные продольные перемещения между плитами подрельсового основания и рельсами обеспечивают, как выше отмечалось, снижение трения в зоне узла крепления рельсов, благодаря чему повышаются эксплуатационная надежность, безопасность и стабильность железнодорожного пути.
Предлагаемое техническое решение позволяет существенно ускорить монтаж железнодорожных путей за счет быстрой сборки звеньев на балластных основаниях. Особенно эффективным является применение таких звеньев для слабых грунтов, условий вечной мерзлоты. Экономичность предлагаемого решения связана с быстротой строительства и ремонта пути, возможностью изготовления балластной призмы небольшой толщины, практически отсутствием ее засорения, повышением надежности и долговечности пути.