Вилы железнодорожные
RAILWAY FORK

Изобретение относится к инструментам для железнодорожного строительства, преимущественно для выемки балластного слоя и выкапывания канавки под подошвой шпалы при монтаже зубатых плит для повышения усилия сдвига рельсовых опор с целью исключения температурного выброса бесстыкового пути и значительного повышения безопасности движения поездов.
Общеизвестно применение лопаты для копки, выемки земли, грунта. Недостатком этого инструмента является невозможность его втыкать, углублять в уплотненный щебень и значительные потери производительности труда при его копании в рыхлом состоянии.
Общеизвестны также сельскохозяйственные вилы, например, садовые с плоскими и мощными зубьями, используемые для рыхления, выемки, копки земли. Они близки по техническим решениям, форме, устройству, конструкции с заявленным изобретением. Примем их за аналог. Но при копке садовыми вилами балластной призмы железнодорожного пути они теряют работоспособность, так как щебенки легко проваливаются в зазор между зубьями.
Известны также железнодорожные вилы по заявке на изобретение №2019134839(0668659) от 29.10.19 г. Принципиальным отличием их является уменьшение величины зазора между зубьями до значений наименьшего габаритного размера зерна фракции щебня. Конструкция этого инструмента позволяет обеспечить работоспособность вил при копке балластной призмы верхнего строения железнодорожных пути. Щебенки в этом варианте устройства не проваливаются между зубьями. Примем техническое решение по заявке на изобретение №2019134839(0668659) от 29.10.19 г. за прототип.
Недостатком указанных вил является снижение производительности и эргономичности из-за ступенчатого изменения усилия на рабочем органе инструмента и рукояти во время прохождения каждого слоя щебня при заглублении зубьев в уплотненную балластную призму железнодорожного пути.
Целью изобретения является уменьшение толчков и усилий при заглублении вил в балласт верхнего строения пути для повышение производительности труда при копке щебня, например, при установке зубатых элементов на подошву шпал для увеличения усилия их поперечного и продольного сдвига для исключения возникновения аварийной ситуации из-за температурного выброса рельсошпальной решетки.
Указанная цель достигается тем, используют вилы железнодорожные, содержащие зубья, зазор между которыми уменьшен до наименьшего габаритного размера зерна фракции щебня, отличающиеся тем, что имеют не менее двух параллельных последовательно расположенных зубатых рядов, которые, начиная со второго, находятся от нижнего ряда на расстоянии не кратном среднему габаритному размеру зерен фракции щебня.
Это позволяет исключить одновременность преодоления кончиками зубьев каждого ряда верхних частей проходимых ими слоев щебня и, тем самым, исключить суммирование максимальных сил сопротивления слоев при углублении вил в балластную призму верхнего строения железнодорожного пути.
Из гранулометрического состава, например, железнодорожного щебня фракции 25-60 мм следует, что до 75% зерен щебня имеют габаритные размеры превышающие 40 мм. До 5% щебенок могут по габаритам превышать 60 мм. Из этих данных можно сделать вывод, что средний габарит зерен фракции щебня 25-60 незначительно превышает 40 мм. Это значение хорошо коррелирует с величиной, равной половине суммы наибольшего и наименьшего размеров зерен фракции. Для железнодорожного щебня эта величина составит 0,5×(25+60)=42,5 мм. Примем, что балластная призма верхнего строения пути состоит в основном из чередующихся слоев щебня с зернами 42,5 мм.
Возникающие при прохождении верхней части каждого слоя первоначальные силы контактного трения покоя между кончиком зуба, упершегося в зерно щебня под углом близким к 90° и силы трения при повороте, раздвигании, смещении щебенок зубом, максимальны. Они значительно выше, чем усилия после заглубления зубьев на несколько миллиметров в слой, когда преодолено трение покоя, щебенки раздвинулись, уменьшился угол наклона заостренного конца зуба к зерну и действует только незначительная сила трения по его боковой поверхности, ослабленная к тому же дополнительно упругими свойствам балласта, существенно снижающими силу трения на рабочий орган железнодорожных вил при смещении зерен зубом на расстояние до 3 мм и более.
Это позволяет уменьшить, например, для двухрядных вил, примерно в 2 раза усилие заглубления в балласт зубьев путем исключения одновременности появления начальных, максимальных усилий, возникающих временно, в момент первоначального смещения, раздвигания, поворота щебенок во время прохождения слоев вначале длинными зубьями первого, нижнего, ряда вил, а затем укороченными зубьями второго, расположенного выше, ряда. То есть, сначала кратковременно появляется максимальное усилие сопротивления ряда длинных зубьев, которые начинают заглубляются в слой щебня и исчезает по мере его прохождения, а затем возникает и исчезает максимальное усилие сопротивления от второго ряда с укороченными зубьями при его внедрении в слой щебня. То есть верхние зоны слоев или одного слоя балласта преодолеваются рядами вил поочередно, последовательно, неодновременно. Этот процесс периодически повторяется по мере углубления зубьев в балласт и обеспечивает уменьшение толчков и силы сопротивления при копании щебня.
С увеличением количества зубатых рядов усилие заглубления, при прочих равных условиях, снижается. Толщина верхней зоны слоя щебня, где значительно увеличено сопротивление внедрения зуба в балласт, зависит от фракционного состава, габаритов зерен, параметров зуба и составляет 5-10 мм.
В общем случае, ряды зубьев могут лежать не в одной, а в разных плоскостях при зазоре между последними меньшими, чем значения наименьшего габаритного размера зерна фракции щебня.
Торцы зубьев ряда могут лежать на прямой, а также на выпуклой или вогнутой кривой.
Рассмотрим применение, например, двурядных вил в железнодорожном хозяйстве для копки и выемки, например, щебня под подошвой шпалы, установленной в железнодорожный путь. В нем в качестве балласта применяют щебень фракции 25-60 мм. Наименьший габарит зерна такого сыпучего материала равен 25 мм. Поэтому зазор между зубьями предлагаемого инструмента должен быть менее 25 мм. Примем его 24 мм. Этот размер обеспечит работоспособность инструмента. Конструктивно такие вилы примем со следующими параметрами: ширина рабочей части 214 мм.; 1-ый ряд состоит из 3 зубьев диаметром 10 мм, длиной 270 мм.; второй ряд - из 4 таких же, но укороченных примерно на полтора значения среднего габаритного размера зерна фракции, что соответствует 42,5×1,5=63.75≈64 мм, то есть длиной 270-64=206 мм. При одинаковой длине зубьев при их внедрении в балласт они все 7 могут одновременно упереться в 7 щебенок. Это приведет к появлению максимально возможного значения силы заглубления вил в балласт.
При двухрядной конструкции внедряются в первый слой балласта толщиной 42,5 мм сначала 3 длинных зуба, а затем, позже, при заглублении их до 64 мм, когда пройден верхний участок второго слоя балласта, начнут внедряться в верхний участок первого слоя укороченные 4 зуба. При этом одновременность прохождения рабочим органом вил оказывающих самое большое сопротивление копанию верхних частей 1-го и 2-го слоев балласта исключается. Поэтому усилие заглубления уменьшается более чем в 2 раза. Это позволяет значительно облегчить и ускорить процесс копания щебня, и, следовательно, повысить производительность труда.
При увеличении количества зубатых рядов больше двух эффективность растет и существенно, позитивно увеличивает скорость процесса установки зубатых элементов на подошву шпалы. Если бы зубья второго ряда имели длину равную или большую в целое число раз среднему габаритному размеру зерен фракции щебня, то имел бы место момент одновременного упора в щебенки зубьев первого, второго рядов с возникновением максимального значения усилия заглубления железнодорожных вил в балласт.
В общем случае расстояние от первого, нижнего ряда вил, имеющих наиболее длинные зубья до второго, расположенного выше ряда с укороченными зубьями может составлять долю среднего габаритного размера зерен фракции щебня. При этом принцип отсутствия, то есть не кратности в целое число раз расстояния между рядами и среднего габаритного размера зерен фракции щебня, сохраняется.
Применение предлагаемых вил в железнодорожном хозяйстве, например, при выкапывании канавки шириной 100-200, длиной 500 мм и высотой 100-150 мм под подошвой шпалы для закреплении зубатых плит с целью повышения усилия сдвига рельсовых опор и исключения температурного выброса бесстыкового пути, значительного повышения безопасности движения поездов, позволяет в несколько раз ускорить процесс выемки балласта для установки устройства безопасности. Монтер пути на рыхлом балласте выполняет эту работу вместо 21 минуты при копке лопатой, за 2-3 минуты с применением железнодорожных вил. Полный цикл выполнения работ с зубатой плитой сокращается с 25 мин. до 7 минут. Бригада монтеров из 4 человек способна за смену выполнить работу по установке и введению в эксплуатацию 250-270 устройств безопасности. Зубатые плиты ставятся на каждую 5-тую шпалу. Поэтому наиболее опасные участки железнодорожного пути длиной 500-590 м могут быть введены бригадой монтеров в течение рабочей смены в состояние, исключающее потерю устойчивости и наступление аварийной ситуации при движении поездов. Возможно применение технологии, позволяющей выполнение работ без предоставления «окна».