МНОГОСЛОЙНАЯ ДЕРЕВЯННАЯ ШПАЛА

Полезная модель относится к области строительства, в частности, к многослойной деревянной шпале.
Общей особенностью шпал, переводных брусьев (для стрелочных переводов) и мостовых брусьев (для прокладки пути на пролетных строениях мостов) является их крупное сечение (до 180×250 мм у шпал и переводных брусьев, до 240×300 мм - у мостовых) и сравнительно большая длина (до 5,5 м у переводных брусьев, до 5,2 м - у мостовых) при достаточно высоких требованиях предъявляемых к древесине.
В ряде районов эти сортименты невозможно изготовить в необходимых количествах, особенно шпалы и переводные брусья I и II типов с наибольшим сечением, которые должны укладываться на магистральных линиях железных дорог. Особенно неблагоприятно сложилось снабжение дорог переводными и мостовыми брусьями из древесины из-за постоянно снижающегося объема пиловочных бревен диаметром более 26 см.
Кроме того, цельные шпалы и брусья из хвойных пород (сосна, ель), применяемые в настоящее время, не отличаются высокой долговечностью.
Основные причины преждевременного выхода из строя - растрескивание, механический износ и биоразрушение, причем все они взаимосвязаны. Так, трещины и механический износ, обнажая непропитанную древесину, способствует гниению, а гниение, снижая прочностные характеристики древесины, ускоряет ее механический износ. По некоторым данным выход шпал из строя только из-за возникновения трещин достигает 30%. Примерно такое же количество изымается в результате гниения из-за трещин и, кроме того, значительная доля падает на шпалы, сгнившие из-за механического износа.
Причина возникновения трещин и гниения одна и та же - пропитка шпал и брусьев антисептиком в недосушенном состоянии. Уложенные в путь они продолжают сохнуть (особенно интенсивно в жару), образуются усушечные трещины, которые, становясь сквозными, развиваются от торца до крепежных элементов и быстро выводят шпалу из строя. Разрывая защитную оболочку, трещины способствуют проникновению воды в незащищенные слои древесины и созданию условий для развития дереворазрушающих грибов.
Исследованиями установлено, что 70% изымаемых из пути негодных шпал имеют сквозные расколы на торцах, развивающиеся, как минимум до прокладки.
Поставленная проблема может быть решена за счет использования клееной древесины любого сечения и длины. Общеизвестные преимущества клееной древесины перед цельной позволяет решить попутно проблему увеличения срока службы шпал, переводных и мостовых брусьев.
Известны шпалы из клееных деревянных конструкций (1, 2).
Первая из известных конструкций шпал выполнена в виде слоев с канавками на их пластях, размещающихся соосно с продольной осью симметрии пакета на различную ширину в зависимости от ширины слоев (1).
Недостаток этой конструкции состоит в том, что, достигая снижения внутренних напряжений в центральной части пакета, возникновение которых возможно за счет неравномерной влажности слоев, остаются нерешенные проблемы внутренних напряжений на периферийных частях пакетов при воздействии переменной эксплуатационной влажности, что резко снижает надежность конструкции.
Известно и другое конструктивное выполнение шпал, основанное на сращивании пиломатериалов по длине с подготовкой слоев к склеиванию путем фрезерования их пластей с одновременной выборкой канавок в поверхностной зоне на расстоянии от боковых кромок равном 10-15 мм и в середине ширины слоя на противоположной пласти при ширине канавок не более 0,02 ширины слоя и глубиной равной их двойной ширине (2).
Недостаток подобного конструктивного выполнения шпал заключается в том, то, что при потребности повышения толщины склеиваемых слоев канавки (прорези) не позволяют снизить внутренние напряжения от неравномерной влажности при сушке слоев и, следовательно, необходимо ограничивать толщину слоев до величины 33 мм.
Цель полезной модели состоит в повышении надежности конструкции многослойных деревянных шпал из слоев повышенной толщины путем исключения опасности возникновения дополнительных внутренних напряжений с одновременным снижением расхода клея и древесины.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что многослойная деревянная шпала изготовлена из пиломатериалов путем их сращивания по длине в слои, на которых до сушки пиломатериалов
выполнены компенсационные прорези шириной 2-3 мм, глубиной на 2/3 толщины пиломатериала на расстоянии 1/4 его ширины от кромок на одной пласти и по середине противоположной.
Изобретение поясняется чертежами, где изображены на: фиг.1 - устройство прорезей в сечении пиломатериала до процесса его сушки, фиг.2 - сечение формируемого клееного пакета.
Многослойная деревянная клееная конструкция включает слои 1 с фрезерованными пластями 2, на которых до сушки пиломатериалов устроены компенсирующие прорези 3.
Клееную деревянную конструкцию изготавливают по следующей технологии: на пластях пиломатериалов, подлежащих сушке, на проходном круглопильном станке за один проход выпиливают прорези шириной 2-3 мм, глубиной на 2/3 толщины пиломатериала на расстоянии 1/4 его ширины от кромок на одной пласти и по середине противоположной; пиломатериалы с прорезями формируют в штабель, загружают в сушильную камеру и производят их сушку и кондиционирование по режимам, обеспечивающим конечную влажность 10±2%; высушенные пиломатериалы сортируют по качеству и сращивают по длине на зубчатом соединении в слои необходимой длины; поверхности пластей слоев фрезеруют с учетом припусков на механическую обработку до окончательной толщины; на пласти слоев наносят клей и формируют пакет с расположением прорезей вразбежку; пакет запрессовывают в прессе с необходимым давлением и выдерживают его до отверждения клея; затем производят механическую обработку боковых поверхностей пакета и торцуют его по длине.
Известно, что деревянные клееные конструкции изготавливают из слоев толщиной не более 33±1 мм (см. п.1.7. ГОСТ 20850-84) в связи с опасностью возникновения внутренних напряжений как при сушке
пиломатериалов, так и в процессе эксплуатации конструкций при переменных температурно-влажностных воздействиях.
Внутренние напряжения возникают в связи со стеснением влажностных деформаций клеевыми прослойками и со временем могут привести к расслаиванию конструкций. Эта опасность возрастает при использовании более толстых слоев, применение которых экономически выгодно, т.к. снижается расход клея и древесины.
1
2
Известно, что для случая применения слоев большей толщины перед их склеиванием рекомендуется устраивать компенсационные прорези глубиной / толщины слоя (см. п.1.7. ГОСТ 20850-84). Однако это не решает в полной мере снижение опасности возникновения внутренних напряжений, т.к. прорези не снимают влажностных напряжений, оставшихся после сушки пиломатериалов.
Предлагаемое техническое решение направлено на снижение внутренних напряжений и безопасное применение слоев толщиной 60 и более мм.
Решение проблемы предусматривает выполнение компенсационных прорезей до сушки пиломатериалов, а не после сращивания их по длине в слои, что существенно повышает качество сушки с минимальными внутренними напряжениями, сокращает ее сроки.
Выбранные параметры прорезей (глубиной на 2/3 толщины пиломатериалов и их расположение вразбежку) оптимально формируют равномерную структуру поперечного сечения клееного элемента, прерывая сплошность сечения слоя как по его ширине, так и по толщине.
Это ограничивает протяженность клеевых прослоек и препятствует возможному возникновению внутренних напряжений при переменных температурно-влажностных воздействий в процессе эксплуатации конструкций.
Для подтверждения надежности предложенной конструкции были проведены экспериментальные исследования по комплексной оценке качества клееных элементов как толщиной слоя 33±1 мм из исходного пиломатериала толщиной 40 мм, так и толщиной слоев 68±1 мм, изготовленных из пиломатериала с исходной толщиной 75 мм.
Для испытаний были отобраны три партии пиломатериалов длиной 6 м с начальной влажностью не более 60%: толщиной 40 мм без прорезей (1-я партия), толщиной 75 мм без прорезей (2-я партия) и толщиной 75 мм с прорезями (3-я партия), которые высушивали до конечной влажности 10±2% по нормальным режимам по ГОСТ 19773.
Производилась оценка:
- продолжительности и качества сушки пиломатериалов;
- прочности и стойкости клеевых соединений.
Результаты испытаний было установлено, что продолжительность сушки пиломатериалов составила:
- для 1-й партии (толщиной 40 мм без прорезей) - 96 часов или 4 суток;
- для 2-й партии (толщиной 75 мм без прорезей) - 220 часов или более 9 суток;
- для 3-й партии (толщиной 75 мм с прорезями) - 82 часа или 3, 4 суток.
В результате замеров этих показателей получено:
- средняя влажность для партий пиломатериалов составила: 1-й - 10,12% (от 7,52% до 12,35%); 2-й - 9,86% (от 8,1% до 12,3%), 3-й - 10,6% (от 9,6: до 11,4%);
- покоробленность: партии 1 - 1,2 мм (продольная) и 0,6 мм (поперечная; партии 2 - 4 мм (продольная) и 8 мм (поперечная); партии 3 - 0,4 мм (продольная) и 0,8 мм (поперечная).
Прочность и стойкость клеевых соединений элементов после их склеивания из слоев различных партий пиломатериалов определялась по ГОСТ 15613.1 (на скалывание малых образцов), ГОСТ 25884 (на послойное скалывание) и ГОСТ 27812 (на расслаивание).
Результаты испытаний приведены в табл.1.
Таблица 1
Партия пиломатериалов
Средние значения показателей:
Прочность по ГОСТ 15613.1, кгс/см<sup>2</sup>
Прочность по ГОСТ 25884, кгс/см<sup>2</sup>
Показатель расслаивания после 2-х циклов, %
1
72,4
86,9
6
2
64,3
71,4
15
3
78,8
92,3
8
Приведенные результаты испытаний подтверждают преимущества предлагаемого конструктивного выполнения деревянных шпал (партия пиломатериалов 3) по всем показателям.
Источники информации, принятые во внимание при описании заявки:
1. Авторское свидетельство СССР №1648768, В27М 1/02, 1991 г
2. Авторское свидетельство СССР №2198091 С1, В27М 1/02, 2003 г (прототип)