АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ШПАЛА ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
WIND SLEEPER FOR HIGH SPEED RAIL WAY

Цель изобретения
Изобретение относится к шпале, конструкция которой имеет два предназначения: снижение аэродинамической нагрузки, возникающей при прохождении состава по балластной подушке, а также предотвращение попадания частиц балласта на шпалу. В этом случае снижается вероятность возникновения явления подъема балласта. Изобретение применимо для железнодорожных путей; особенно оно применимо при прокладке и ремонте железнодорожных путей, по которым проходят высокоскоростные составы.
Уровень техники и решаемая техническая проблема
Среди элементов, составляющих рельсовый путь, шпалы выполняют различные функции для железнодорожного пути, на который они установлены, включая: передачу динамической нагрузки, возникающей при прохождении железнодорожного состава, фиксацию рельсов в своих рабочих положениях, сохранение постоянства расстояния между рельсами (ширины колеи), сохранение полотна и смягчение вибраций рельсов, а также акустического воздействия на окружающую среду.
Постоянно происходит эволюция материалов, из которых состоят шпалы, начиная с деревянных шпал, переходя к шпалам, составленным из двух бетонных деталей, соединенных друг с другом металлическим элементом, и далее к шпалам, состоящим только из бетона, которые сейчас исключительно используются при создании железнодорожных путей.
В устройстве пути, основанного на балласте, кроме систем электрификации и безопасности участок пути, на который опирается железнодорожный состав, состоит из рельсов, шпал и балласта.
Балласт, представляющий собой каменный щебень, на который укладывают шпалы и который действует как опора для них, используется для засыпки шпал и предотвращения их бокового смещения.
Использование высоких скоростей при прохождении составов приводит к возникновению ряда явлений, которые не происходят при движении составов с обычными скоростями.
Одно из таких явлений - подъем балласта. Это явление происходит при движении железнодорожного состава с большой скоростью, которая передается воздуху и от него камням, образующим слой балласта, в котором камни начинают вращаться и двигаться, иногда ударяясь о днище вагонов. При таком соударении камень балласта отбрасывается, сталкиваясь с другими камнями, с рельсами, со шпалами или с другими элементами конструкции железнодорожного пути.
Для того чтобы избежать явления подъема балласта, ключевым решением является улучшение аэродинамических параметров как состава, так и пути.
Для улучшения аэродинамических параметров пути важным фактором является форма шпалы, существенно влияющая на скорость ветра над балластной подушкой и тем самым представляющая собой один из параметров, связанных с явлением подъема балласта.
При сооружении железнодорожного пути после создания основы, по которой должен пройти этот путь, следующими шагами являются:
размещение балластного слоя (щебеночного материала),
установка шпал на этот балластный слой и
размещение рельсов, по которым пройдет состав, и скрепление их со шпалами.
После размещения балласта, шпал и рельсов рельсы устанавливаются в свое окончательное положение специализированным оборудованием монтажа пути (подгоняется уровень, и они перемещаются в поперечном направлении при необходимости), и в то же время происходит засыпка шпал балластом, взятым сначала с того же места, а затем из новой партии. Операция засыпки шпал балластом приводит к тому, что шпалы заглубляются в балласт, из которого выступает только часть шпалы (верхняя поверхность ее). Форма шпалы, в особенности части, выступающей из балласта после того, как путь готов к прохождению составов, оказывает особенное влияние на явление подъема балласта.
В документе GB 706587, выявленном при анализе уровня техники, раскрыта шпала, состоящая из двух соединенных металлической деталью и имеющих разные сечения бетонных элементов, на которые устанавливаются рельсы; известен также документ ES 2016883 A6, в котором раскрыта шпала, которая может быть приспособлена для двух разных ширин колеи, существующих в Испании, за счет вращения металлической детали, соединенной со шпалой.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагается новая шпала, устанавливаемая на предназначенный для высокоскоростных составов железнодорожный путь и способствующая уменьшению аэродинамической нагрузки на этот путь со стороны железнодорожного состава, снижая тем самым вероятность возникновения явления подъема балласта.
Аэродинамическая шпала для высокоскоростного железнодорожного пути содержит один центральный участок, два опорных участка по каждую сторону центрального участка, на которые помещаются рельсы, и два наружных участка, расположенных на концах шпалы и следующих за опорными участками.
Поперечное сечение шпалы включает на центральном участке, опорных участках и двух наружных участках две неразделимых части:
первую, нижнюю часть, включающую первый многоугольник по меньшей мере с четырьмя сторонами, и
вторую, верхнюю часть, включающую по меньшей мере один второй многоугольник с "n" сторонами, причем n≥4.
Первая, нижняя часть и вторая, верхняя часть, выделенные на шпале, соединены, и их стороны имеют частично общими верхнее основание первого многоугольника и нижнее основание второго многоугольника.
Центральный участок шпалы включает средний сектор, составляющий центр шпалы, и два крайних сектора, расположенных по обеим сторонам среднего сектора центрального участка шпалы.
Поперечное сечение шпалы включает во второй, верхней части среднего сектора только один второй многоугольник, в котором число сторон "n" лежит между 4 и бесконечностью, так что за счет конфигурации шпалы снижается скорость ветра над балластной подушкой в области между шпалами.
В аэродинамической шпале для высокоскоростного железнодорожного пути число сторон второго многоугольника стремится к бесконечности в среднем секторе центрального участка, имеющем конический профиль в сечении.
В аэродинамической шпале для высокоскоростного железнодорожного пути с числом сторон второго многоугольника "n", равным 4, поперечное сечение шпалы в крайних секторах центрального участка включает третий многоугольник, расположенный над вторым многоугольником и имеющий "m" сторон при "m"≥4.
В крайних секторах центрального участка шпалы число сторон "m" третьего многоугольника стремится к бесконечности, образуя конический профиль в сечении.
Конический профиль в сечении второго многоугольника и третьего многоугольника включает округлый профиль в сечении, параболический профиль в сечении, гиперболический профиль в сечении и эллипсоидальный профиль в сечении.
В верхней части верхние стороны второго многоугольника среднего сектора центрального участка представляют собой продолжение верхних сторон третьего многоугольника крайнего сектора центрального участка, сохраняя неразрывность наружной поверхности, образуемой третьим многоугольником и вторым многоугольником.
В аэродинамической шпале для высокоскоростного железнодорожного пути, если число сторон "n" второго многоугольника равно 4 в среднем секторе центрального участка, длина верхней стороны второго многоугольника меньше или равна половине длины нижнего основания второго многоугольника.
В аэродинамической шпале для высокоскоростного железнодорожного пути имеется продольная линия, отмечающая переход между первой, нижней частью и второй, верхней частью, и наклон этой линии изменяется в соответствии с ее положением на трех участках шпалы, сохраняющей неразрывность наружной поверхности.
Железнодорожная шпала изготавливается из материала, выбираемого из группы, включающей бетон, волоконный материал или композитный материал.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - вид в перспективе первого варианта выполнения изобретения;
на фиг. 2 - вид шпалы сбоку для варианта выполнения с фиг. 1;
на фиг. 3 - вид шпалы сверху для варианта выполнения с фиг. 1;
на фиг. 4 - поперечное сечение, полученное на наружном участке шпалы, согласно первому варианту выполнения;
на фиг. 5 - поперечное сечение, полученное на опорном участке шпалы, согласно первому варианту выполнения;
на фиг. 6 - поперечное сечение, полученное на крайнем секторе центрального участка шпалы, согласно первому варианту выполнения;
на фиг. 7 - поперечное сечение, полученное в среднем секторе центрального участка шпалы, согласно первому варианту выполнения;
на фиг. 8 - вид в перспективе второго варианта выполнения изобретения;
на фиг. 9 - вид шпалы сбоку для варианта выполнения с фиг. 8;
на фиг. 10 - вид шпалы сверху для варианта выполнения с фиг. 8;
на фиг. 11 - поперечное сечение, полученное на наружном участке шпалы, согласно второму варианту выполнения;
на фиг. 12 - поперечное сечение, полученное на опорном участке шпалы, согласно второму варианту выполнения;
на фиг. 13 - поперечное сечение, полученное в крайнем секторе центрального участка шпалы, согласно второму варианту выполнения;
на фиг. 14 - поперечное сечение, полученное в среднем секторе центрального участка шпалы, согласно второму варианту выполнения;
на фиг. 15 - часть железнодорожного пути, включающая трапецеидальные шпалы, согласно одному из вариантов выполнения изобретения и рельсы, уже установленные на этих шпалах;
на фиг. 16 - часть железнодорожного пути, включающая цилиндрические шпалы, согласно одному из вариантов выполнения изобретения и рельсы, уже установленные на этих шпалах.
Ниже приведен перечень представленных на чертежах различных элементов, которые составляют изобретение:
1 - шпала,
2 - центральный участок,
2а - средний сектор,
2b - крайний сектор,
3 - опорный участок,
4 - наружный участок,
5 - первая, нижняя часть,
6 - вторая, верхняя часть,
7 - первый многоугольник,
8 - второй многоугольник,
9, 9' - верхнее основание,
10, 10' - нижнее основание,
11 - линия,
12 - третий многоугольник,
13 - рельсы,
14, 14' - верхняя сторона.
Осуществление изобретения
В изобретении предлагается шпала (1), разработанная специально для использования на путях, по которым циркулируют высокоскоростные составы.
Составляющая предмет изобретения шпала (1) обладает двойной геометрической симметрией, так как она симметрична в продольном и поперечном направлениях относительно плоскостей, проходящих через центр шпалы (1). Эти плоскости перпендикулярны плоскости чертежа, как показано на фигурах 3 и 10, и проходят через оси, обозначенные на этих фигурах.
На виде в перспективе с фигур 1 и 8, на которых представлены два варианта выполнения являющейся объектом изобретения шпалы (1), показана конфигурация шпалы (1), на которой можно выделить три участка:
один центральный участок (2), имеющий два разных поперечных сечения, приводящих к двум вариантам выполнения изобретения,
по бокам от центрального участка (2) - два опорных участка (3), служащих для крепления рельсов (13) и одинаковых для двух вариантов выполнения, и
следующие два наружных участка (4), располагающиеся за опорными участками (3) и представляющие собой края шпалы (1), которые также одинаковы в обоих вариантах выполнения изобретения.
Именно на центральном участке (2) геометрия шпалы (1) заключает в себе существенную новизну конструкции по сравнению со шпалами, уже известными в современном уровне техники.
Далее следуя воображаемому направлению, начинающемуся у одного из наружных участков (4) и заканчивающемуся в центре представляющей объект изобретения шпалы (1), описание геометрии шпалы (1) будет проведено через описание различных поперечных сечений, встречающихся на упомянутом воображаемом направлении. Для различных участков, показанных на чертежах, далее рассмотрены разные многоугольники, обеспечивающие большую ясность описания этих участков. Эти многоугольники нужно понимать как иллюстративное представление, поясняющее изобретение, но в реальности они не представляют собой конкретных элементов в описываемых поперечных сечениях.
По геометрии шпалы (1) в двух вариантах выполнения изобретения можно видеть, что поперечные сечения шпалы (1), изображенные на фигурах 4-7 и 11-14, содержат две отличающиеся части - первую, нижнюю часть (5), в которой шпала формируется первым многоугольником (7), имеющим по меньшей мере 4 стороны, и вторую, верхнюю часть (6), геометрия которой подробно рассмотрена ниже.
Как первая, нижняя часть (5), так и вторая, верхняя часть (6) едины, образуя тем самым монолитную шпалу (1) в двух вариантах ее выполнения.
Первая, нижняя часть (5) во всех различных поперечных сечениях представляющей объект изобретения шпалы (1) сформирована первым многоугольником (7) по меньшей мере с четырьмя сторонами (см. фигуры 4-7 и 11-14). Этот первый многоугольник (7) одинаков в двух различных вариантах выполнения представляющей объект изобретения шпалы, хотя следует заметить, что его размеры различаются в разных сечениях, встречающихся на воображаемом направлении вдоль шпалы (1).
Вторая, верхняя часть (6), выделенная на поперечном сечении шпалы, далее по описанию отличается в зависимости от того, находится ли сечение на центральном участке (2), на опорных участках (3) или на наружном участке (4) шпалы (1) (см. фигуры 4-4 и 11-14):
на наружных участках (4) шпалы (1) вторая, верхняя часть (6) формируется вторым многоугольником (8), имеющим "n" сторон, причем "n"≥4 (см. фиг. 4 для первого варианта выполнения и фиг. 11 для второго варианта выполнения),
на опорных участках (3) шпалы (1) вторая, верхняя часть (6) формируется вторым многоугольником (8), имеющим "n" сторон, причем "n"≥4 (см. фиг. 5 для первого варианта выполнения и фиг. 12 для второго варианта выполнения),
на центральном участке (2) шпалы (1) выделяются два вида секторов, один средний сектор (2а) и два крайних сектора (2b), на которых созданы разные поперечные сечения, так как вторая, верхняя часть (6) отличается в зависимости от сектора, в котором она находится, в частности:
в крайнем секторе (2b) вторая, верхняя часть (6) формируется двумя многоугольниками - вторым многоугольником (8) по меньшей мере с 4 сторонами и находящимся поверх второго многоугольника третьим многоугольником (12) с "m" сторонами, причем "m"≥4 (см. фиг. 6 для первого варианта выполнения и фиг. 13 для второго варианта выполнения),
в среднем секторе (2а) вторая, верхняя часть (6) формируется вторым многоугольником (8), имеющим "n" сторон, причем "n"≥4 (см. фиг. 7 для первого варианта выполнения и фиг. 14 для второго варианта выполнения).
Первая, нижняя часть (5) и вторая, верхняя часть (6) соединены, и верхняя сторона (10) первого многоугольника (7) и нижняя сторона (9) второго многоугольника (8) являются их общими сторонами.
Как уже упоминалось, два отличающихся варианта выполнения шпалы (1) получаются за счет изменения геометрии второй части (6), являющейся элементом поперечного сечения центрального участка (2). Далее конфигурации в двух вариантах выполнения шпалы (1) представляются в соответствии с геометрией двух секторов (2а, 2b), составляющих центральный участок шпалы (1).
В первом варианте выполнения в среднем секторе (2а) центрального участка (2) (см. фиг. 7) вторая, верхняя часть (6) включает второй многоугольник (8), имеющий "n" сторон, причем "n"≥4; в крайнем секторе (2b) центрального участка (2) (см. фиг. 6) вторая, верхняя часть (6) включает два многоугольника: второй многоугольник (8), имеющий "n" сторон при "n"≥4, и третий многоугольник (12) с "m" сторонами, причем "m"≥4, расположенный над указанным вторым многоугольником (8), так что нижнее основание (9') третьего многоугольника находится над центром верхнего основания (10') второго многоугольника (8). В этом первом варианте выполнения верхние стороны (14') третьего многоугольника (12) крайнего сектора (2b) (см. фиг. 6) представляются в продольном направлении шпалы (1) как продолжение верхних сторон (14) второго многоугольника (8) среднего сектора (2а) (см. фиг. 7), так что сохраняется неразрывность верхней поверхности шпалы (1) на центральном участке (2). На фиг. 1 показано постепенное изменение геометрии шпалы (1) вдоль центральной оси (2).
Во втором варианте выполнения в среднем секторе (2а) центрального участка (2) (см. фиг. 14) вторая, верхняя часть (6) имеет в сечении коническую форму, в которую перешел второй многоугольник (8) с "n" сторонами при "n", стремящемся к бесконечности; в крайнем секторе (2b) центрального участка (2) (см. фиг. 13) вторая, верхняя часть (6) имеет две разные формы: второго многоугольника (8), имеющего по меньшей мере 4 стороны, и коническую форму в сечении, в которую перешел третий многоугольник (12) с "m" сторонами при "m", стремящемся к бесконечности, расположенную над указанным вторым многоугольником (8), так что нижнее основание (9') третьего многоугольника (12) находится над центром верхнего основания (10') второго многоугольника (8). В этом втором варианте выполнения коническая форма в сечении крайнего сектора (2b) (см. фиг. 13) представляется в продольном направлении шпалы (1) как продолжение конической формы в сечении среднего сектора (2а) (см. фиг. 14), так что сохраняется неразрывность верхней поверхности шпалы (1) на центральном участке (2). На фиг. 8 показано постепенное изменение геометрии шпалы (1) вдоль центральной оси (2).
Конический профиль в сечении второго многоугольника (8) и третьего многоугольника (12) включает округлый профиль в сечении, параболический профиль в сечении, гиперболический профиль в сечении и эллипсоидальный профиль в сечении.
Переход первой, нижней части (5) во вторую, верхнюю часть (6) отмечен в продольном направлении шпалы линией (11) (см. фигуры 2 и 9), меняющей свой наклон в соответствии с расположением на трех участках, обозначенных на шпале, следующим образом:
на наружном участке (4) линия (11) горизонтальна,
на опорном участке (3) линия (11) наклонена с подъемом ее высоты от конца шпалы (1) к центру,
на центральном участке (2) линия (11) горизонтальна в центральном секторе (2а) центрального участка (2), и в крайнем секторе (2b) центрального участка (2) линия (11) продолжается с наклоном, которого она достигла на опорном участке.
Приведенные на фигурах 3 и 10 виды в плане для двух вариантов выполнения представляющей объект изобретения шпалы (1) идентичны за исключением центрального участка (2) шпалы (1) из-за присутствия многоугольного профиля в первом варианте выполнения в отличие от конического профиля в сечении во втором варианте выполнения. При рассмотрении трех указанных участков (наружного, опорного и центрального) следует отметить, что наружный участок (4) шпалы (1) имеет большую толщину и имеется сужение от начала опорного участка (3) к среднему сектору (2а) центрального участка (2), то есть сужение происходит на опорном участке (3) и крайнем секторе (2b) центрального участка (2).
Вид в плане представляющей объект изобретения шпалы (1) можно описать следующим образом: на наружном участке (4) шпала имеет некоторую толщину, в среднем секторе (2а) центрального участка (2) она имеет меньшую толщину, и имеется область перехода, охватывающая опорный участок (3) и крайний сектор (2b) центрального участка, в которой изменение этой ширины происходит линейно.
Новая конфигурация центрального участка (2) шпалы (1) призвана снизить скорость ветра у вершины балласта в промежутке между шпалами (поле скоростей между шпалами) при прохождении железнодорожного состава с высокой скоростью. Эта конфигурация направлена также на минимизацию вероятности того, что отдельные камни, формирующие балласт, задержатся на шпале (1), что снижает возможность накопления камней на шпале (1) из-за прохождения железнодорожного состава и в дальнейшем приводит к сбросу камней при прохождении другого железнодорожного состава.
Как было отмечено, снижение поля скоростей между шпалами (1) происходит за счет изменения конфигурации шпалы (1) в области, заключенной между рельсами (13), формирующими железнодорожную колею, что приводит к получению шпалы (1) с профилем, который можно видеть на фиг. 1 для первого варианта выполнения или видеть на фиг. 8 для второго варианта выполнения.
Боковые поверхности шпалы (1) не вертикальны, так как имеется по меньшей мере один наклон для всех боковых поверхностей, начиная с самой нижней части шпалы (1), ближе всего к плоскости земли, в плоскости, удаленной от центра шпалы (1), и у верха шпалы (1) в плоскости, приближенной к центру шпалы (1).
На фигурах 15 и 16 показана небольшая часть колеи, сформированная представляющими объект изобретения шпалами с двумя рельсами (13), установленными на упомянутые шпалы (1).
Изобретение не должно быть ограничено конкретным вариантом выполнения, приведенным в этой заявке. На основе приведенного описания специалист в данной области может предложить другие варианты выполнения. Как следствие, объем изобретения определяется нижеследующей формулой изобретения.