СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ШПАЛ ПРОКАТОМ
METHOD OF ROLLED COMPOSITE SLEEPERS PRODUCTION

Предлагаемое изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности и может быть использовано для производства железнодорожных шпал.
Авторам известен способ изготовления шпалы для железных дорог широкой колеи по ГОСТ 78-89, когда из цельной древесины вырезают необрезную, полуобрезную и обрезную шпалу. Такой способ изготовления цельнобрусковых шпал существует с момента появления железных дорог. Однако эксплуатационные качества таких шпал далеки от совершенства, во-первых, срок службы их в путях ограничен 5-7 годами, кроме того, такие шпалы требуют специальной пропитки, чем занимаются шпалопропиточные заводы МПС, они относительно дороги. Изготавливают также шпалы из крупномерной древесины - минимальный диаметр 26 см, поэтому существует резкий дефицит исходного сырья.
Авторам известен способ изготовления составных деревянных шпал по ТУ 13-0273895-401-89, который заключается в том, что два деревянных бруска малого сечения соединяются металлическими болтами. Такие шпалы по своим эксплуатационным качествам и по механической прочности могут применяться только в малодеятельных (подъездных) путях и их сфера применения весьма ограничена.
Известен также «Способ производства составных деревянных шпал» по авт. св. №1412961, кл. B27M 3/14, в котором, с целью повышения качества шпал, пропитку осуществляют перед сборкой, наколку каналов выполняют под углом 75-90° к пласти каждой заготовки без выхода их на другую пласть, сборку выполняют совмещением наколотых пластей, при этом оси каналов образуют «елочку» с расположением вершины к основанию шпалы.
Такой способ изготовления составных деревянных шпал несколько улучшает защитные свойства шпалы от гниения, но значительно ослабляет поперечное сечение шпалы, что приводит к еще большему ограничению сферы ее применения, совсем малодеятельные железнодорожные тупики.
Известен способ изготовления деревянных шпал путем склеивания, его технология определена ГОСТ 9371-90 «Брусья клееные для железных дорог широкой колеи» и ГОСТ 28469-90 «Шпалы и брусья деревянные клееные для трамвайных путей». По этому способу отрезки древесины разной длины склеиваются в щит, а щит затем в шпалу с вертикальными и горизонтальными швами склеивания. Недостатком эксплуатационных качеств таких шпал является прежде всего растрескивание и отделение склеиваемых слоев под знакопеременной нагрузкой от колес подвижного состава, поэтому применение клееных шпал на железнодорожных путях широкой колеи не нашло применения.
Авторам известны различные способы изготовления композиционных материалов, например авт. св. №1329972, кл. B27N 3/02 «Способ изготовления композиционного материала на основе фенолформальдегидного связующего и древесного наполнителя», в котором с целью повышения текучести, ударной и теплостойкости материала, в фенолформальдегидное связующее вводят дициандиамид в количестве 1-12 мас.% от количества фенолформальдегидного связующего.
Анализ показал, что такой способ изготовления композиционного материала не пригоден для изготовления деревянных шпал, так как он плохо работает на поперечный изгиб и плохо воспринимает усилия смятия под рельсовой прокладкой и знакопеременную нагрузку от колес подвижного состава. Известен также «Способ изготовления цельнопрессованных древесных изделий» по авт. св. №1346426, кл. B27N 3/02, в котором с целью повышения качества древесных изделий путем увеличения текучести и жизнеспособности пресс-массы, после смешивания древесных частиц со связующим выполняют защитную обработку осмоленных частиц бутадиен-стирольным каучуковым латексом, при этом фенолформальдегидное связующее берут в количестве 20-25 мас.%, а бутадиен-стирольный каучуковый латекс в количестве 5-15 мас.% от количества пресс-массы.
Однако такой композиционный материал не пригоден для изготовления железнодорожной шпалы, так как будучи гибким и эластичным, совсем плохо держит ударные нагрузки от колес подвижного состава и не обеспечивает необходимойтвердости поверхности под подошвой рельса, а также плохо реагирует на знакопеременную нагрузку, возникающую в шпалах при прохождении подвижного состава.
2
Авторам известна заявка Франции №2618719, МКИ B27N 5/00 «Изготовление прессованных изделий», в которой используются древесные волокна любых пород и 10% связующего материала в виде смолы, клея, либо полимеризующего вещества, прессуют этот материал при давлении 80-500 кг/см.
Однако этот материал также не пригоден для производства железнодорожных шпал, будучи гибким и способным воспринимать ударные нагрузки, он совершенно плохо воспринимает сминающие усилия от подошвы рельса, а также не обладает достаточной жесткостью, чтобы от перерезающих сил не деформироваться и не терять своей геометрической формы, что очень важно для шпалы, так как она должна передавать постоянную и равномерно распределенную нагрузку на балласт и тем самым обеспечивать безопасность движения поездов по путям.
Авторам также известен прототип - патент РФ №2179923 «Способ изготовления литой шпалы для железных дорог широкой колеи», в котором шпалу изготавливают из древесных волокон различных пород, металлической проволоки, каучука и вискозы, причем древесные волокна получают из отходов деревообработки, лесопиления, а металлическую проволоку, каучук и вискозу - из изношенных шин, при этом композицию приготавливают в пропорции: древесные волокна 50-70%, металлическая проволока 3-10%, жидкий каучук 5-10%, жидкая вискоза 5-10% от прессуемой массы, композиционную массу подают в пресс с давлением не менее 75 МПа и выдерживают не менее 1 мин при температуре 75-100°С с ограниченным доступом воздушной среды.
Однако при таком способе изготовления шпалы требуются строго операционные станки, при которых передача продукции от станка к станку требует затрат рабочего цикла производства шпалы, что значительно сокращает производительность всей линии. Кроме того, каждый станок или устройство работает обособленно, что сказывается на общей точности геометрических размеров шпалы, и нет возможности окончательно доработать шпалу до требуемых ГОСТом геометрических размеров. Включение в композицию шпалы металлической проволоки значительно снижает производительность линии, так как при таком способе проволоку в матрицу надо укладывать с затратами человеческого труда.
Сущность изобретения
В предлагаемом способе производства композиционных шпал методом проката предлагается исходную массу шпалы в пропорции древесная масса 80%, синтетическое связующее 10%, в качестве металлического компонента используются металлические опилки 10%, которая подается в общую трубу, с помощью сжатого воздуха переместить в смесительную камеру, откуда масса, равномерно перемешанная с помощью шнека и металлических колес, подается в камеру предварительного сжатия, где с помощью приводных роликов обоймы и силовых цилиндров формируется поток сжатой исходной массы, которая приводными роликами направляется в пресс с обрабатывающими фрезами и сжимающими роликами, окончательно формирующими массу в форме железнодорожной композиционной шпалы, проходящей через геометрический калибр, обеспечивающий сечение композиционной шпалы, за которым установлена торцующая пила, отрезающая нужный размер шпалы по длине, после чего геометрически оформленная композиционная шпала передается на конвейер и отправляется на погрузку.
Наличие отличительных признаков от прототипа позволяет сделать вывод, что предлагаемое техническое решение задачи обладает существенной новизной.
Для доказательства соответствия предлагаемого способа критерию существенного отличия было проведено сравнение основных признаков с наиболее близким аналогом - патентом РФ №2179923 «Способ изготовления литой шпалы для железных дорог широкой колеи».
Технический результат, дающий положительный эффект по сравнению с прототипом, определяется свойствами и показателями, приведенными в таблице.
Сравнение основных показателей заявляемого способа с прототипом
№ п/п
Свойства и другие показатели
Заявляемый способ
Прототип - патент РФ №2179923
7
2
3
4
1
Состав композиции: древесные волокна
80%
50-70%
2
синтетическое связующее
10%
-
3
металлический компонент
10%
30-10%
4
каучук
-
5-10%
5
вискоза
-
5-10%
6
Давление прессования
100 МПа
75 МПа
7
Температура прессования
100°C
75-100°С
8
Время прессования
нет
не менее 1 мин
9
Ограничение
нет
доступ воздушной среды
10
Камера предварительного сжатия
есть
нет
11
Чистовая обработка шпалы
есть
нет
12
Подача массы шпалы
воздух
механическое
В результате было установлено, что композиционная шпала изготавливается за счет подачи массы шпалы воздушной струей и механическим способом в предварительную камеру сжатия с последующим ее сжатием прокатными вальцами не менее 100 МПа с чистовой обработкой шпалы фрезами.
Наличие отличительных признаков в предлагаемом способе производства композиционной шпалы методом проката от ближайшего прототипа позволяет сделать вывод, что он соответствует критерию «существенные отличия». Анализ данных таблице показывает, что заявляемый способ может быть технически реализован, так как имеет все исходные параметры.
На чертеже изображена схема способа производства композиционной шпалы прокатом.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления предлагаемого изобретения
Изготовление композиционной шпалы начинают с подачи исходного сырья. При этом через отверстие 1 в трубу 2 загружается древесное сырье, а через отверстие 3 во вспомогательную трубу 4 загружается металлический порошок, а через отверстие 5 во вспомогательную трубу 6 загружаются связующее. В основную трубу 2, соединенную с вентилятором 7, приводимым во вращение двигателем 8, вдувается воздух, а со вспомогательной трубы 4 с помощью шнека 9, соединенного с двигателем 10, в основную трубу 2 подается металлический порошок, а со вспомогательной трубы 6 с помощью шнека 11, соединенного с двигателем 12, в основную трубу подается синтетическое связующее. Воздушная струя от вентилятора 7 перемешивает и перемещает всю массу до шнека 13, в смесительную камеру 30, а она передает смешанную массу под вращающиеся металлические колеса 14, а они в свою очередь предварительно сжимают массу композиционной шпалы и направляют ее в камеру 15 предварительного сжатия, имеющую подвижную крышку 16, на которой установлены две пары подающих роликов 17, соединенных с электродвигателями 18, корпусы которых через рычаги 19 соединены с силовыми гидроцилиндрами 20, позволяющими создавать необходимое усилие прессования композиционной массы в прессе 25. Предварительно спрессованная масса через калибровочную рамку 21 подается в узел 22 чистовой обработки и окончательного сжатия массы композиционной шпалы, состоящий из фрез 23, прокатных роликов 24, геометрического калибра 26 и отрезной круглой пилы 27, которая окончательно от массы, движущейся через прокатные ролики, отрезает длину композиционной шпалы 28 и передает ее на ленточный конвейер 29, и далее шпала поступает на отгрузку потребителю.
Реализация предлагаемого способа производства композиционной шпалы методом проката открывает новые возможности производства шпал путем подачи исходной массы, и в процессе ее движения происходит формирование сечения шпалы предварительным сжатием и обработкой нужных геометрических параметров композиционной шпалы и получение необходимых прочностных ее свойств.