СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ КРЕСТОВИНЫ СТРЕЛКИ
DIAMOND SWITCH TEST STAND

Изобретение относится к стенду для испытания крестовины стрелки в условиях, соответствующих условиям применения крестовины путевой стрелки, установленной в системе рельсового пути.
Путевое хозяйство акционерного общества Deutsche Bahn AG располагает приблизительно 90000 стрелками. По сравнению с другими путевыми элементами эти стрелки подвергаются особенно высокому износу. Особенно при проезде стрелки под острым углом - под этим в профессиональных кругах понимается проезд стрелки со стороны начала стрелки - при проходе колес подвижного состава через крестовину возникают резкие высокие статические и динамические поперечные и нормальные силы. При увеличении износа образуется смещение по высоте между поверхностью катания усовика и поверхностью катания крестовины. Из-за этого ударная нагрузка увеличивается еще больше. Кроме того, возникают явления проскальзывания вследствие разницы радиусов катания обоих колес колесной пары состава, которые также способствуют износу. Поэтому неудивительно, что первые явления износа появляются на крестовинах уже после пропуска примерно 3,6 миллионов тонн грузов (при средней нагрузке 75000 тонн грузов в день это соответствует приблизительно всего 3,5 месяцам!). После срока службы всего 4 года многие крестовины уже подлежат замене вследствие износа. В связи с этим заявленная цель исследований относительно верхнего строения пути состоит в том, чтобы оптимизировать как материал, так и конструкцию стрелочных переводов.
Для подготовки серий экспериментов с реальными стрелками в сети железных дорог, связанных с большими временными и материальными затратами, необходимо проанализировать и оптимизировать как можно большее число параметров в ходе лабораторных испытаний. Однако при этом часть нагрузок для таких модельных испытаний еще в значительной мере неясна.
Поэтому в основе изобретения лежит задача разработки стенда для испытания крестовины стрелки в условиях, соответствующих условиям применения крестовины путевой стрелки, установленной в системе рельсового пути, которое позволит оценить ожидаемые сроки службы определенных реальных пар колесо/рельс. В частности, на данный момент специалистам совершенно не ясно, какое влияние оказывают геометрическое линейное масштабирование, величина и циклы нагрузки на результаты серий модельных испытаний.
Эта задача в соответствии с изобретением решается в соединении с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения тем, что испытательный стенд содержит рельсовый сегмент, служащий в качестве испытуемого образца, в головку которого вмонтирован уменьшенный в геометрическом масштабе контур крестовины. Благодаря этому возможно простым образом в смоделированных условиях испытать материал, предполагаемый для применения в крестовинах стрелок, и подвергнуть его достоверному исследованию на предмет характеристики износа.
В качестве логичного дополнения к идее изобретения предусмотрено, что в области контура крестовины, вмонтированного в головку рельса, имеется углубление или разделительный стык, заполненный сварным швом. Таким образом, сварочные присадочные материалы, которые применяются на крестовинах в ходе сварки наплавлением при ремонтных работах или в ходе сварки соединений, например в случае крестовин, которые монтируются из пристыкованных стандартных рельсов путем электронно-лучевой сварки, можно также подвергать детальному изучению на предмет их характеристики износа, устойчивости и сопротивления пластическому течению. Аналогичным образом можно оценивать также все остальные металлографические и металлофизические аспекты сварной обработки. Для этой цели при проверке сварки направлением в головке рельса испытуемого образца в области контура крестовины вырезается продольный паз, предпочтительно начинающийся от сердечника крестовины и проходящий параллельно кромке катания рельса. После этого вырез заполняется сварным швом, в который добавлен испытуемый сварной присадочный материал, и затем профилируется.
В зависимых пунктах формулы изобретения указаны другие варианты осуществления соответствующего изобретению стенда.
Особенно предпочтительно, если соответствующий изобретению стенд имеет тело качения, которое при приложении нормальной силы прокатывается по рельсовому сегменту и которое выполнено в форме железнодорожного колеса и геометрические размеры которого в поперечном профиле обнаруживают то же масштабное уменьшение, что и контур крестовины, вмонтированный в рельсовый сегмент.
Предпочтительно предусмотрено действующее по времени процесса качения устройство для приложения нормальной силы к телам качения, причем прикладываемая в процессе качения нормальная сила равна примерно половине нормальной силы, возникающей на реальном объекте. В ходе трудоемких серий экспериментов было выяснено, что при этой настройке контактные напряжения в модели и в оригинале сопоставимы.
Далее предлагается, чтобы кривошипный механизм вводил необходимое для процесса качения горизонтальное относительное перемещение в устройство, включающее в себя рельсовый сегмент. За счет этого обеспечивается простая и компактная конструкция соответствующего изобретению стенда.
Идея изобретения иллюстрируется нижеследующим примером осуществления чертежами, на которых показано:
фигура 1 - схематическая конструкция и кинематика испытательного стенда,
фигура 2 - схематическое представление железнодорожной стрелки с отмеченной областью крестовины,
фигура 3 - схематическое представление контура крестовины, врезанного в головку рельсового сегмента (вид сверху рельсового сегмента),
фигура 4 - изображение поперечного сечения рельсового сегмента в области врезанного контура крестовины.
Испытательный стенд состоит из прямого рельсового сегмента, поверхность катания которого ориентирована в горизонтальной плоскости и который в продольном направлении рельса имеет подвижную в осевом направлении опору. Данный рельсовый сегмент образует испытуемый образец, причем в ходе всей серии экспериментов используются разные рельсовые сегменты из различных материалов, пригодность которых была определена заранее на базе теоретических представлений, и исследуются на предмет их характеристик износа. При этом целью является классификация материалов, используемых для крестовин. В головку рельсового сегмента врезан контур неподвижной крестовины, уменьшенный в масштабе 2:1 (см. фигуру 3).
Рельсовый сегмент (1) расположен вертикально под телом качения (2), свободно вращающимся на оси колеса. Контур этого тела качения выполнен в виде известного колеса рельсового транспортного средства. Диаметр колеса также соответствует размерам стандартного колеса рельсового транспортного средства (приблизительно 920 мм), тогда как его размеры в поперечном сечении (то есть размеры поперечного профиля) уменьшены на коэффициент 2 по отношению к размерам стандартного колеса рельсового транспортного средства. В соответствии с действующими национальными и европейскими директивами параметры тела качения следует рассматривать как данные, и они не подлежат вариациям, так как при технической эксплуатации железной дороги в пределах Европы должно быть обеспечено свободное использование материка для тел качения.
Рельсовый сегмент (1) опирается на горизонтальную приемную каретку (3) на роликах, которая приводится в действие при помощи кривошипного механизма (4) и производит циклические перемещения в направлении продольной оси рельса.
На тело качения передается нормальная сила около 108 кН (или 11 т), в результате чего во время циклических горизонтальных перемещений опорной каретки (3) оно прижимается к рельсовому сегменту (1) с вмонтированным в него контуром крестовины. При этом было установлено, что присутствует относительное движение колеса (2) по отношению к рельсовому сегменту (1) (проскальзывание) величиной 0,05%.
В ходе проведенных серий экспериментов был также сделан вывод о том, что скорость привода опорной каретки (3) лишь незначительно влияет на переносимость результатов экспериментов на реальные условия.
В начале каждого цикла экспериментов определяются величина твердости пары колесо/рельс, причем уменьшение измеряемой величины для колеса происходит в трех положениях по периметру колеса, смещенных под углом 120° по отношению друг к другу. Измерение на рельсовом сегменте выполняется в измерительных точках на профиле поперечного сечения, так как измерение на поверхности крестовины неосуществимо вследствие геометрии. Чтобы сделать вывод о моменте возникновения повреждения или деформации, дополнительно регистрируется число переездов. Для дальнейшей оценки порядка возникновения повреждения производятся геометрические измерения крестовин и усовиков в области перехода. Эти измерения позволяют сделать заключение о деформации материала. Повреждения на рельсовом сегменте (1), возникающие таким образом при неизменной нагрузке, дают возможность - с учетом числа пропущенных тонн нагрузки - сделать надежный вывод о возможности применения материала в последующей серии экспериментов на реальном объекте.
Список обозначений
1 рельсовый сегмент
2 тело качения
3 приемная каретка для рельсового сегмента
4 кривошипный механизм