РЕЛЬС

Полезная модель относится к конструкции верхнего строения железнодорожного пути, а именно к конструкции модернизированного рельса с нормативным сроком службы 1,5 млрд. т брутто.
Известен железнодорожный рельс, содержащий подошву, шейку и головку рельса с увеличенной шириной более чем на 65 мм. Предпочтительные характеристики рельса: радиус дуги в верхней части головки рельса составляет более 750 мм с протяженностью более 30 мм по ширине головки (патент DE №10107746, МПК: E01B 5/02, опубл. 03.04.2003 г.) - аналог.
Известен железнодорожный рельс, содержащий подошву, головку и шейку рельса, в средней части которой по всей длине, рельса выполнено утолщение. Толщина среднего утолщенного участка шейки, в котором расположены болтовые отверстия, составляет 1,3-1,8 толщины шейки. В средней части утолщения симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей через оси болтовых отверстий, выполнена плавная выемка высотой 0,5-0,65 диаметра болтового отверстия (патент РФ №2073075, МПК: E01B 5/02, опубл. 10.02.1997 г) - аналог.
Недостатками известных решений, принятых за аналоги, являются, вызванные особенностями конструкции известных рельсов, невысокие прочностные характеристики и их долговечность, а также недостаточный запас металла в головке рельса на их шлифование и фрезерование при техническом обслуживании, и износ при эксплуатации.
Известен железнодорожный рельс Р65, содержащий подошву, головку и шейку (Бесстыковой путь. / Под редакцией профессора Альбрехта В.Г. и профессора Когона А.Я., М.: Транспорт, 2000, 408 с.) - прототип.
Бесстыковой путь в настоящее время является наиболее прогрессивной конструкцией железнодорожного пути. Однако бесстыковой путь - это температурно-напряженная конструкция. Помимо напряжений от действия колес подвижного состава в сварных плетях бесстыкового пути возникают и действуют достаточно большие температурные силы, что при использовании железнодорожных рельсов стандартных профилей, например Р65, Р50 и др., приводит, в том числе и к развитию дефектов контактной усталости, что снижает прочностные и эксплуатационные характеристики верхнего строения пути.
Недостатком известного решения является невысокие прочностные характеристики и долговечность рельсов, в том числе и из за ограниченности возможностей рельсов на их периодическое шлифование.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение прочности, путем предотвращения развития дефектов контактной усталости, и долговечности рельсов общего и специального назначения, с обеспечением их нормативного срока службы до величины 1,5 млрд. т. Брутто.
Указанный технический результат, достигается тем, что рельс, содержащий подошву, шейку и головку, в поперечном сечении имеет переменную высоту и для него выполняются следующие соотношения 0,26<hгол./Hр<0,28 и 0,64<hгол./bгол.<0,66, где hгол. - максимальная высота головки рельса в поперечном сечении, Hр - максимальная высота рельса в поперечном сечении, bгол. - максимальная ширина головки рельса.
2
Основной характеристикой рельса, дающей представление об его мощности, является масса одного погонного метра рельса в килограммах (для заявляемого рельса она составляет 67,78 кг при плотности стали 7850 кг/м, для рельса Р65 - 64,88 кг при той же плотности стали). Более тяжелый рельс, в данном случае с увеличенными по высоте размерами головки, распределяет давление колес подвижного состава на большее число шпал, в результате чего замедляется их механический износ, уменьшается истирание и измельчение частиц балласта. При увеличении массы рельсов уменьшается расход металла на единицу пропускаемого тоннажа, сокращаются расходы по замене рельсов из-за увеличения срока их службы.
Однако при выборе профиля поперечного сечения рельса (его конструкции) следует учитывать не только влияние веса, но также - за счет каких частей рельса произошло такое увеличение (головка, подошва или шейка), так как это существенно влияет на характеристики рельса и верхнего строения пути, и может не только улучшить, но и ухудшить долговечность рельса при воздействии следующих параметров: грузонапряженности линии, осевой нагрузки, скорости движения поездов и т.д.
Основной обобщающей характеристикой, оценивающей срок службы рельсов в различных эксплуатационных условиях, является тоннаж брутто (или иначе наработка-сумма перевозимого груза, тары вагонов и массы локомотива), перемещаемый по пути от момента укладки рельсов в путь до их смены. Срок службы рельсов ограничен величиной наработки, равной периоду между очередными капитальными ремонтами пути. В конкретных условиях эксплуатации фактическая величина наработки взаимосвязана с совокупным влиянием на работу рельсов осевых нагрузок, скорости движения, режима вождения поездов, плана и профиля, общего состояния пути, конструктивных особенностей верхнего строения, климатических условий и т.д.
В зависимости от грузонапряженности назначают тот или иной тип верхнего строения с соответствующим ему видом рельсов, шпал и балласта, а также предельным значением наработки. Особо тяжелый тип надлежит применять при грузонапряженности более 80, тяжелый - от 80 до 25 и легкий - от 25 до 10 млн. т-км брутто на 1 км в год. Соответствующие им предельные значения наработки составляют 700, 600 и 350 млн. т брутто.
Заявляемое решение позволяющее, за счет применения усовершенствованной формы профиля железнодорожного рельса, увеличить нормативный срок его службы до величины 1, 5 млрд. т. Брутто, конкретизировано на фиг.1, где показан общий вид поперечного сечения профиля железнодорожного рельса.
Железнодорожный рельс 1 содержит головку 2, шейку 3 и подошву 4, образующие единый профиль.
Как показали научные и экспериментальные исследования заявителя, соотношение максимальной высоты головки 2 (hгол.) в поперечном сечении к максимальной высоте профиля рельса 1 в поперечном сечении (Hр) должно находиться в диапазоне 0,26<hгол./Hр<0,28.
В случае, если указанное соотношение менее 0,26 то не обеспечивается требуемая для надежной работы устройства прочность, а если более 0,28, то превышается допустимая величина жесткости, которая влияет на интенсивность износа рабочей грани и увеличивается металлоемкость устройства.
Соотношение величины максимальной высоты головки 2 рельса 1 в поперечном сечении (hгол.) и максимальной ширина головки 2 рельса 1 (bгол.), должно располагаться в диапазоне значений 0,64<hгол./bгол.<0,66.
В случае если указанное соотношение менее 0,64, то не обеспечивается необходимая прочность, а если более 0,66, то возникает развитие дефектов контактной усталости, что снижает надежность и долговечность рельса. Так же увеличивается расход металла для изготовления.
Нормы наработки (межремонтного тоннажа) установлены с учетом зависимости накопленных отказов дефектных рельсов (удельного одиночного изъятия из пути дефектных рельсов от пропущенного по пути тоннажа). Для обеспечения высокого уровня надежности капитальный ремонт пути со сплошной заменой рельсов назначают тогда, когда суммарное количество отказавших дефектных рельсов на 1 км за весь срок службы нетермоупрочненных рельсов Р50 и Р65 составляет соответственно 6 и 5 шт/км.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
Железнодорожный рельс Р65, материал Сталь К78ХСФ, Hр=180 мм, bгол.=75 мм, hол.=45 мм. Соотношение bгол./Hр=0,25, hгол./bгол=0,6.
Срок службы объемно закаленных рельсов типа Р65 при воздействии нагрузки 250 кН/ось на путь с уклонами продольного профиля от 10 до 20% составил: на прямых участках пути - 325 млн. т брутто (по одиночному выходу).
Пример 2.
Заявляемый железнодорожный рельс, материал Сталь К78ХСФ, Hр=184 мм, bгол.=75 мм, hол.=49 мм. Соотношение hгол./Hр=0,266, hгол./bгол=0,65.
Срок службы объемно закаленных рельсов, в соответствии с заявляемым решением, при воздействии нагрузки 250 кН/ось на путь с уклонами продольного профиля от 10 до 20% составил: на прямых участках пути - 1,5 млрд. т брутто (по одиночному выходу).