Шпала для городского железнодорожного транспорта

Полезная модель относится к верхнему строению железнодорожных путей, а именно шпалам и подрельсовым опорам.
Из уровня техники известна железобетонная шпала для трамвайных путей с тремя горизонтальными площадками для установки плит дорожного покрытия, выполненная трапециевидно в поперечном сечении, армированная проволокой, и/или стержнями, и/или канатами, с верхними концевыми поверхностями с обеих ее сторон выполненными горизонтально, и внутренней частью, выполненной горизонтально по всей длине, при этом наклон подрельсовых площадок обеспечивает нормативную подуклонку рельсов. Патент РФ № RU 167457U1, МПК E01B 3/32, опубликован 10.01.2017.
Известна шпала трамвайного рельсового пути, содержащая верхнюю поверхность, состоящую из двух крайних поверхностей, средней поверхности и соединяющих крайние поверхности со средней поверхностью наклонных поверхностей, выполненных с наклоном 1:20, при этом каждая крайняя поверхность выполнена в виде двух частей - наклонной части и горизонтальной части, переходящей с одной стороны в наклонную поверхность, а с другой стороны - в наклонную часть, а средняя поверхность шпалы выполнена горизонтальной и расположена по вертикали ниже горизонтальных частей крайних поверхностей. Кроме того, на горизонтальных частях крайних поверхностей и средней поверхности выполнены пазы для установки плит дорожного покрытия, расположенные симметрично относительно вертикальной оси шпалы. Патент РФ № RU 213612U1, МПК E01B 3/28, опубликован 19.09.2022.
Из уровня техники известно техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, представляющее собой железобетонную шпалу для трамвайного пути, выполненную в форме цельнобрусковой бетонной балки периодического профиля, армированной в растянутой зоне проволокой, при этом на верхней поверхности шпалы выполнены четыре плоские горизонтальные площадки, на которых установлены закладные детали для охранных приспособлений и рельсов. Патент РФ № RU 209887U1, МПК E01B 3/32, опубликован 23.03.2022.
Недостатками представленных известных аналогов являются недостаточная прочность шпалы при использовании и постоянных неравномерных эксплуатационных нагрузках вследствие движения железнодорожного транспорта по железнодорожному полотну, а также, например, постоянного движения легкового транспорта в случае трамвайных путей. Вместе с этим представленные аналоги не обеспечивают должную упругость шпалы, предохраняющую ее от раскола под подвижным составом. Кроме того, конструкция, габариты и особенности армирования представленных шпал не предотвращают изменение механических и физических свойств железобетонной шпалы и способствуют повышению вероятности возникновения усталостного разрушения железобетонной конструкции и снижения ее выносливости при многократно повторяющейся нагрузке, и, как следствие меньшей трещиностойкости и долговечности.
Задачей заявляемого технического решения является создание железобетонной шпалы с повышенными прочностными характеристиками, увеличенной долговечностью и трещиностойкостью.
Технический результат заявленного решения заключается в повышении надежности железобетонной шпалы.
Повышение надежности, в частности, достигается повышением прочности и трещиностойкости, усилением конструкции шпалы и рельсового крепления при многократно повторяющейся эксплуатационной нагрузке, повышением сопротивляемости движению балластного слоя и сопротивляемости на вырыв дюбеля из массива шпалы, а также увеличением долговечности шпалы.
Заявленный технической результат достигается за счет того, что шпала для городского железнодорожного транспорта включает бетонную балку с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением, с размещенными в ней вдоль ее длины армирующими элементами, на верхней части которой выполнены две подрельсовые площадки для монтажа рельсовых скреплений, при этом с двух сторон от каждой подрельсовой площадки установлены дюбели для сопряжения с путевыми шурупами, а на верхней части шпалы выполнены упорные поверхности для точного позиционирования рельсового скрепления, при этом высота балки у торцевой ее части составляет 190 мм, высота балки в центральной ее части составляет 160 мм, длина балки составляет 2500 мм, ширина балки у ее основания составляет 250 мм, ширина балки в центральной ее части составляет 174 мм, армирующие элементы выполнены диаметром 4-6 мм, размещены в три ряда, при этом в каждом ряду по четыре армирующих элемента, при этом расстояние между верхним и средним рядом составляет 25-30 мм, расстояние между средним и нижним рядом составляет 65-70 мм, расстояние между первым и вторым элементом и третьим и четвертым элементом каждого ряда составляет 25-30 мм, а расстояние между вторым и третьим элементом составляет 90 мм. Предпочтительно балка выполнена из бетона класса В40. Каждый армирующий элемент предпочтительно представляет собой предварительно напряженную стальную проволоку периодического профиля.
Шпала для городского железнодорожного транспорта включает балку, выполненную из бетона, характеризующейся повышенной прочностью и износостойкостью, в сравнении с деревянными шпалами, а также повышенной устойчивостью к погодным условиям и гниению, что значительно продлевает срок службы шпалы, обеспечивая ее высокую долговечность, и как следствие, надежность. Кроме того, балка шпалы, выполненная из бетона, имеет значительно бóльшую массу, чем деревянные шпалы, что придает конструкции массивность и увеличивает ее сопротивляемость движению балластного слоя, что предотвращает возникновение напряжения в креплении рельса к шпале вследствие высокой прочности рельса и его сопротивляемости к изгибающему воздействию, а так же предотвращает появление микротрещин в подрельсовой площадке и вырыванию путевых шурупов с дюбелями из массива шпалы, что обеспечивает долговечность и надежность заявляемого технического решения. При этом повышенные прочностные характеристики бетона препятствуют вдавливанию рельс в шпалу, изменению угла подуклонки подрельсовой поверхности и изменению ширины колеи, что негативно сказывается на целостности и качестве железнодорожного полотна. Кроме того, шпалы, включающие балку, выполненную из бетона просты в монтаже, и их можно использовать повторно. Предпочтительно балка шпалы выполнена из бетона класса В40, характеризующийся прочностью 524 кгс/см², который дополнительно увеличивает надежность шпалы. Использование бетона с меньшей прочностью снизит прочностные характеристики шпалы, а с более высокой - нецелесообразно, так как армирование бетонной балки гораздо эффективнее повышает прочность шпалы.
Трапецеидальное поперечное сечение балки шпалы за счет того, что нижнее основание трапеции больше верхнего и, как следствие, площадь нижней поверхности балки больше, обеспечивается равномерное оптимальное распределение давления эксплуатационной нагрузки, оказываемой на шпалу, препятствующей деформации и возникновению напряжений в материале с последующим образованием и развитием трещин, то есть способствующей уменьшению усталости материала и повышению его выносливости, что значительно продлевает срок службы шпалы, увеличивая его долговечность и, тем самым, надежность. Кроме того, распределение нагрузки за счет трапецеидального сечения и увеличения площади нижней поверхности шпалы уменьшается давление на балластный слой, вызывающее его подвижность, приводящее к угону пути и критическим нарушениям железнодорожного полотна.
Переменное по длине поперечное сечение балки, способствует формированию дополнительных ребер жесткости балки, усиливающих конструкцию, тем самым увеличивающих сопротивляемость шпалы изгибающему моменту и ее прочность, что обеспечивает долговечность и, как следствие, надежность заявляемого технического устройства. Кроме того, переменное по длине поперечное сечение балки, также способствует формированию углубления центральной части шпалы относительно крайних частей, что позволяет приподнять рельсы относительно горизонтальной плоскости грунта и балластного слоя, тем самым предотвратить износ центральной части шпалы из-за задевания ее нижними частями проходящего транспорта, что также обеспечивает долговечность и надежность шпалы. При этом переменное по длине поперечное сечение балки позволяет обеспечить возможность укладки плит дорожного покрытия, при использовании шпалы для формирования трамвайного железнодорожного полотна,  на околорельсовые поверхности трамвайного пути и позволяет избежать сколов и истирания поверхности шпалы легковым транспортом и пешеходами, что также обеспечивает износостойкость и, как следствие, надежность шпалы. Вычислительными методами, а также опытным путем было определено, что при высоте балки у торцевой ее части равной 190 мм, высоте балки в центральной ее части - 160 мм, длине балки - 2500 мм, ширине балки у ее основания - 250 мм, ширине балки в центральной ее части - 174 мм, обеспечиваются оптимальные прочностные характеристики шпалы, ее жесткость и сопротивляемость изгибающим моментам, возникающим в процессе эксплуатационной нагрузки, что обеспечивает надежность шпалы. Кроме того, именно такие геометрические параметры повышают удобство монтажа шпалы при формировании железнодорожного трамвайного полотна и укладку поверх него плит дорожного покрытия.
Наличие на верхней части шпалы двух подрельсовых площадок для монтажа рельсовых скреплений, ограничивающих пространство для размещения рельса и деталей рельсового скрепления, обеспечивает единое место для фиксации рельса на шпале с возможностью установки специальных подрельсовых амортизирующих прокладок для снижения колебаний передаваемых от рельса шпале, приводящих к ее разрушению, что обеспечивает долговечность и надежность заявляемого устройства. Кроме того, единое место размещения рельса и его скрепления на подрельсовой площадке позволяет сохранять постоянную ширину колеи железнодорожного полотна, которая должна иметь постоянное значения для движения железнодорожного транспорта для предотвращения возникновения напряжения в рельсовом скреплении и, как следствие, появлению микротрещин в шпале, а также для предотвращения продольного смещения шпал и угона пути вследствие разного позиционирования рельса и неравномерно распределяемой эксплуатационной нагрузке на крайние части шпалы, что также обеспечивает надежность шпалы.
Выполнение на верхней части шпалы упорных поверхностей для точного позиционирования рельсового скрепления, обеспечивает точное расположение рельса на шпале, что позволяет распределить эксплуатационную нагрузку от горизонтальных колебаний рельса на подрельсовой площадке также в бетонный материал шпалы и предотвращает разрушение шпалы и образование микротрещин в месте крепления рельсов, что обеспечивает износостойкость и надежность заявляемого технического решения. Кроме того, наличие упорной поверхности в верхней части шпалы обеспечивает точное позиционирование рельсового скрепления, что обеспечивает постоянную ширину колеи железнодорожного пути.
Вдоль длины балки размещены армирующие элементы, придающие бетонной конструкции высокую прочность на разрыв и растяжение, жесткость и трещиностойкость, тем самым продлевая ее срок службы при постоянных эксплуатационных нагрузках, обеспечивая высокую долговечность, износостойкость и, как следствие, надежность заявляемого технического решения. Из экспериментально полученных результатов производства шпал с различными параметрами было выявлено, что выполнение армирующих элементов диаметром 4-6 мм и размещение их в три ряда, при этом в каждом ряду по четыре армирующих элемента, обеспечивает оптимальные прочностные характеристики шпалы, препятствующие усталостному разрушению шпалы и нарушению сцепления бетона и арматуры, вследствие параметров расположения армирующих элементов в конструкции, что обеспечивает высокую долговечность, износостойкость и, как следствие, надежность шпалы. Кроме того, расстояние между верхним и средним рядом равное 25-30 мм, расстояние между средним и нижним рядом равное 65-70 мм, расстояние между первым и вторым элементом и третьим и четвертым элементом каждого ряда равное 25-30 мм, а расстояние между вторым и третьим элементом равное 90 мм, обеспечивает оптимальную жесткость конструкции шпалы, за счет формирования прочных граней между армирующими элементами, что обеспечивает прочность и сопротивляемость изгибающему моменту всей шпалы, и тем самым, долговечность и надежность шпалы. Выполнение армирующих элементов, их расположение и расстояния между ними формируют схему армирования, которая обеспечивает оптимальные прочностные характеристики шпалы, ее прочность на разрыв и изгибание, а также жесткость всей конструкции, которые обеспечивают надежность заявляемого технического решения.
При выполнении расстояния между верхним и средним рядом менее 25 мм остаточное напряжение в арматуре после остывания бетона при производстве шпалы приводит к сильному сжатию бетона в зоне между армирующими элементами вследствие недостаточного расстояния между ними для снятия излишнего напряжения, что, в последствие приводит к образованию трещин в бетоне между армирующими элементами, что значительно снижает прочность и надежность шпалы. При этом при выполнении расстояния между верхним и средним рядом более 30 мм будет при водить к увеличению хрупкости грани между армирующими элементами вследствие большого расстояния между ними и наличия бетонной перемычки без предварительного напряжения, что вследствие его свойств имеет бóльшую хрупкость, чем предварительно напряженный бетон вокруг армирующих элементов, что также снижает прочность и трещиностойкость шпалы, и, как следствие, ее надежность. Выполнение расстояния между средним и нижним рядом менее 65 мм приводит к сильному сжатию бетона в зоне между армирующими элементами вследствие наличия остаточного напряжения в арматуре после остывания бетона при производстве шпалы, что, в последствие приводит к образованию трещин в бетоне между армирующими элементами, что значительно снижает прочность и надежность шпалы. При этом выполнение расстояния между средним и нижним рядом более 70 мм приводит к формированию хрупкой бетонной перемычки между армирующими элементами за счет большого расстояния между ними, которое не обеспечивает предварительное напряжение всего бетона и повешение его прочности, трещиностойкости и сопротивляемости изгибающему моменту, что снижает надежность шпалы. При выполнении расстояния между первым и вторым элементом и третьим и четвертым элементом каждого ряда менее 25 мм остаточное напряжение в арматуре при производстве шпалы будет приводить к сильному сжатию бетона между армирующими элементами вследствие недостаточного расстояния между ними для снятия излишнего напряжения, что в последствие приводит к образованию трещин в бетоне между армирующими элементами, что значительно снижает прочность и надежность шпалы. При этом, выполнение расстояния между первым и вторым элементом и третьим и четвертым элементом каждого ряда более 30 мм будет приводить к увеличению хрупкости грани между армирующими элементами вследствие наличия бетонной перемычки без предварительного напряжения из-за большого расстояния между армирующими элементами, что вследствие его свойств имеет бóльшую хрупкость, чем предварительно напряженный бетон вокруг армирующих элементов, что также снижает прочность и трещиностойкость шпалы и, как следствие, ее надежность.
Выполнение армирующих элементов диаметром менее 4 мм и размещение их в три ряда, по четыре элемента в каждом и при указанных выше расстояниях между рядами армирующих элементов, соответствующих схеме армирования, приведет к недостаточной прочности железобетонной конструкции при воздействии изгибающих нагрузок, что снизит износостойкость и, тем самым надежность шпалы. Кроме того, при использовании армирующих элементов диаметром 6 мм и размещение их в три ряда, по четыре элемента в каждом и при указанных расстояниях между рядами армирующих элементов, соответствующих схеме армирования, повысит риск возникновения усталостного напряжения в шпале и ее разрушения по поверхности сцепления арматуры и бетона, что снизит износостойкость и тем самым надежность шпалы. Таким образом, изменение любого из геометрических параметров схемы армирования, неизбежно приведет к изменению всех остальных параметров для обеспечения оптимальной жесткости конструкции, ее прочностных характеристик и надежности.
Наличие с двух сторон от каждой подрельсовой площадки дюбелей для сопряжения с путевыми шурупами и за счет гашения колебаний путевого соединения при прохождении транспорта по железнодорожному полотну предотвращает возникновение трещин в подрельсовой зоне, что обеспечивает долговечность и износостойкость устройства, и как следствие надежность. Кроме того, закладной элемент, представляющий из себя дюбель, дополнительно повышает технологичность шпалы, и, в отличие от костыльного соединения, позволяет легко установить пружинную клемму на рельсовое скрепление предотвращающую угон пути, вследствие которого шпалы продольно смещаются относительно друг друга, что нарушает структуру железнодорожного полотна и чрезвычайно опасно при прохождении по такому участку транспорта, что может привести к его сходу.
Предпочтительно каждый армирующий элемент представляет собой предварительно напряженную стальную проволоку периодического профиля, которая за счет предварительного напряжения при изготовлении балки шпалы дополнительно увеличивает сопротивляемость балки изгибающим напряжениям, а также повышает ее трещиностойкость, за счет передачи предварительного напряжения арматуры бетону так, что при остывании он оказывается сжатым, что позволяет частично или полностью устранить растягивающие напряжения от эксплуатационной нагрузки, что дополнительно увеличивает долговечность и, как следствие, надежность шпалы. Использование в качестве армирующего элемента стальной проволоки за счет ее высоких механических характеристик и большой прочности на разрыв повышает прочность бетонной балки, что дополнительно увеличивает долговечность и, тем самым надежность заявляемого технического решения. Периодический профиль стальной проволоки дополнительно увеличивает прочность сцепления арматуры с бетоном да счет увеличения площади поверхности проволоки вследствие неровного профиля, выступов и впадин на поверхности проволоки, которые также препятствует продольному движению проволоки внутри балки в отличие от полностью гладкой поверхности и уменьшению ее прочности и трещиностойкости, что дополнительно увеличивает надежность устройства.
Далее заявляемое техническое решение поясняется с помощью фигур, на которых представлен один из возможных вариантов исполнения шпалы.
На фиг. 1 представлен вид шпалы сбоку с фрагментом подрельсовой площадки в сечении.
На фиг. 2 представлен вид шпалы сверху.
На фиг. 3 представлен вид сечения А-А.
Цифрами на фигурах представлены:
- подрельсовая площадка (1);
- упорная поверхность (2);
- дюбель (3);
- армирующий элемент (4).
Далее со ссылками на фигуры описан один из предпочтительных вариантов исполнения заявляемого технического решения.
Шпала для городского железнодорожного транспорта включает бетонную балку с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением, на верхней части которой выполнены две подрельсовые площадки (1) для монтажа рельсовых скреплений, а также выполнены упорные поверхности (2) для точного позиционирования рельсового скрепления, при этом с двух сторон от каждой подрельсовой площадки (1) установлены дюбели (3) для сопряжения с путевыми шурупами. В бетонной балке шпалы вдоль ее длины размещены армирующие элементы (4) диаметром 4-6 мм в три ряда, при этом в каждом ряду по четыре армирующих элемента, при этом расстояние между верхним и средним рядом составляет 25-30 мм, расстояние между средним и нижним рядом составляет 65-70 мм, расстояние между первым и вторым элементом и третьим и четвертым элементом каждого ряда составляет 25-30 мм, а расстояние между вторым и третьим элементом составляет 90 мм. Высота балки у торцевой ее части составляет 190 мм, высота балки в центральной ее части составляет 160 мм, длина балки составляет 2500 мм, ширина балки у ее основания составляет 250 мм, ширина балки в центральной ее части составляет 174 мм. Предпочтительно балка выполнена из бетона класса В40. Каждый армирующий элемент (4) предпочтительно представляет собой предварительно напряженную стальную проволоку периодического профиля.
При эксплуатации шпал для железнодорожного транспорта, установленных на балластном слое, на них размещается два рельса и позиционируется в подрельсовой площадке (1). Упорные поверхности (2) позволяют четко позиционировать рельс на подрельсовой площадке (1) и препятствовать горизонтальному смещению рельса вдоль шпалы. Рельсы закрепляются на шпале посредством путевых шурупов, которые ввинчиваются в дюбели (3), установленные в подрельсовой площадке (1). Кроме того, для предотвращения угона шпал на рельсовое скрепление может быть установлена пружинная противоугонная клемма. Шпала для городского железнодорожного транспорта выполнена в виде балки, изготовленной из бетона класса В40, с установленными в ней армирующими элементами (4), каждый из которых представляет собой предварительно напряженную стальную проволоку периодического профиля, которая обеспечивает высокую прочность и трещиностойкость шпалы.
Заявляемое техническое решение может применяться для формирования железнодорожного полотна для городского транспорта. Устройство характеризуется повышенной надежностью, в частности прочностью, трещиностойкостью и долговечностью.
Представленные фигуры, описание конструкции и использования шпалы для железнодорожного транспорта не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения в объеме заявляемой формулы.