БЕТОННАЯ ШПАЛА-ДЕМПФЕР
CONCRETE DAMPER SLEEPER

Изобретение относится к конструкции верхнего строения пути, предназначено для восприятия нагрузки от подвижного состава и может быть использовано на грузонапряженных линиях железнодорожного пути в местах с продольной негомогенностью пути, в частности с меняющейся по длине жесткостью нижнего строения пути, зоной стыкования различных конструкций верхнего строения пути и др.
Известна бетонная шпала, выполненная переменного по длине сечения с деревянными вкладышами и металлическими подрельсовыми подкладками, содержащая вкладыши, установленные в продольных пазах шпалы и выполненные многослойными из слоев разноплотной древесины, разделенных эластичными упругими прокладками. Эксплуатационный ресурс данной шпалы увеличен в два раза по сравнению, например, со шпалами с короткими сменными деревянными вкладышами, так как в данной конструкции предусмотрена переустановка вкладыша путем разворота в горизонтальной плоскости на 180° и повторного использования в качестве опоры другой его части [патент РФ №2042758, МПК E01B 3/44, «Бетонная шпала», авторы Самодуров И.С. и др., опубл. 27.08.95 г., бюл. №24].
Недостатками данной конструкции являются необходимость регламентных работ по переустановке вкладышей, периодическая замена вкладышей и прокладок из-за значительной разницы в ресурсах самой шпалы и вкладышей, низкая эффективность снижения динамических нагрузок на рельсы и колесные пары (малое демпфирование в опорных узлах), недостаточный срок их службы, малое сопротивление сдвигу рельса относительно шпалы и, как следствие из этого, высокие динамические нагрузки на рельсы и колесные пары.
Известна бетонная шпала-демпфер, содержащая тело бетонной шпалы, упругие нашпальные прокладки и металлические подкладки, в теле шпалы выполнен карман, в кторый установлены подрельсовые подкладки и вкладыши в виде горизонтальных упругих пластин [Патент РФ №533340, МПК E01B 3/32, опубл. 25.10.76 г., бюл. №39].
Недостатками данной конструкции являются низкая упругость подрельсовых зон и низкая эффективность снижения динамической нагрузки на рельсы и колесные пары из-за малого демпфирования в опорных подрельсовых узлах и в теле шпалы.
Данное техническое решение авторами выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом является снижение динамических нагрузок на рельсы и колесные пары и снижение вибрационных нагрузок.
Технический результат достигается тем, что в бетонном теле шпалы-демпфера выполнено не менее двух канавок на разных уровнях, в канавки уложены квазинепрерывные упругие тросовые кольца, сложенные в две нити и сжатые до соприкосновения, концевые участки колец выходят из бетонного тела, охватывают основания рельсовых плетей и прижаты к ним закладными болтами.
Бетонная шпала-демпфер изображена на фиг.1 (продольный разрез) и фиг.2 (разрез по А-А). Бетонная шпала-демпфер состоит из бетонного тела 1 с продольными прямоугольными отверстиями 2 и 3, в которых уложены в сжатом до соприкасания виде квазинепрерывные тросовые кольца 4 и 5, концы которых прижаты закладными болтами 6 с гайками 7 и шайбами 8 к рельсам 9 через подрельсовые прокладки 10, подкладки 11 и прокладки 12 к шпале 1. Вместо прямоугольных отверстий 2 и 3 в теле шпалы 1 могут быть выполнены продольные пазы 13 и 14 (см. фиг.3).
Бетонную шпалу-демпфер собирают следующим образом: вначале изготавливают квазинепрерывные тросовые кольца, заневоливают эти кольца в специальных кондукторах и устанавливают их в прмоугольные отверстия 2 и 3 бетонной шпалы 1. Затем устанавливают на шпалу через подкладку 11 и прокладки 10 и 12 рельсы 9, используя прижимной элемент в виде петель из концов квазинепрерывных тросовых колец.
Рельсовое скрепление работает следующим образом.
Заданное усилие прижатия рельса (20 кН) обеспечивают тарированной затяжкой крепежного болта 6 за счет суммарной жесткости на изгиб пружинных клемм 4 и 5, выполненных из изогнутых в кондукторах квазинепрерывных тросовых колец. При затяжке клемм болтом 6 тросовые кольца упруго изгибаются из-за разности высот основания рельса 4 и верхней поверхности подкладки 11, что обеспечивает постоянное осевое усилие в болтовом соединении, препятствующее отворачиванию болта 6 при эксплуатации рельсового скрепления. Это мероприятие предотвращает также сползание клеммы 4 и 5 по подошве рельса 9 в сторону закладного болта, так как уже при незначительном сползании клеммы осевое усилие в болтовом соединении возрастает, что усиливает поджатие клеммы к рельсу и еще более интенсивно препятствует дальнейшему сползанию клеммы.
При движении по рельсу состава рельс 9 давит на прижимные элементы 4 и 5, увеличивая их прогиб и, тем самым, осевое усилие в крепежном болте 6, что приводит к увеличению усилия зажима основания рельса 9 и его заклиниванию.
Главным преимуществом заявленного изобретения является его высокая демпфирующая способность. Это подтверждает анализ упругофрикционных характеристик рельсовых скреплений, представленный, в частности, в работе [Радыгин Ю.Н., Стойда Ю.М. Лабораторные испытания рельсовых скреплений. - Путь и путевое хозяйство. - №12, 2005, с.8-12]. По данным этой работы большинство эксплуатируемых в настоящее время рельсовых скреплений имеет относительный коэффициент рассеивания энергии ψ≤0,1 (ψ - это отношение площади петли гистерезиса к площади прямоугольного треугольника, ограниченного сверху (гипотенуза) верхней нагрузочной характеристикой скрепления, а снизу - осью абсцисс). Выполнение пружинной клеммы из многожильного стального каната по данным работы [Антипов В.А. и др. Расчет и конструирование средств виброзащиты сухого трения. - Самара: СамГУПС, 2005. - 207 с.] дает возможность увеличить коэффициент расеивания до величин ψ=2…3. Это происходит за счет работы сил трения при проскальзывании стальных нитей тросовых прядей друг относительно друга из-за его изгиба. При этом энергия вибрации переходит в тепло и рассеивается в окружающее пространство. Армирование тела шпалы тросовыми прядями еще более увеличивает количество рассеиваемой энергии вследствие работы сил трения при проскальзывании проволочек друг относительно друга из-за упругой деформации тела шпалы. При этом коэффициент рассеивания энергии может достигнуть величин ψ=3…4, что значительно увеличивает эффективность подавления вибрации.
В результате оснащения железнодорожного пути предлагаемыми шпалами-демпферами значительно улучшены вибрационные характеристики рельсошпальной решетки, буксовых и опорных узлов подвижного состава, что приводит к значительному увеличению ресурса и надежности этих узлов, увеличена надежность работы самого рельсового скрепления из-за эффекта заклинивания-расклинивания основания рельса при прохождении над скреплением колеса вагона (чем больше вес вагона, тем надежнее скрепление) и, наконец, существенно улучшены упругие и диссипативные свойства шпалы из-за ее армирования тросовыми упругими элементами.
При воздействии вибрации или ударной нагрузки со стороны подвижного состава упругие тросовые элементы в опорных узлах и в теле шпалы изгибаются, проволочки тросов проскальзывают с трением друг относительно друга, энергия вибрации переходит в тепло и рассеивается в окружающее пространство.