ПОЛИМЕРНАЯ ШПАЛА
POLYMER SLEEPER

Изобретение относится к линейным конструкциям верхнего строения рельсовых путей и может найти применение на магистральных железнодорожных линиях, в том числе высокоскоростных, в тоннелях, метрополитенах, трамвайных путях и на подъездных железнодорожных путях промышленных предприятий.
Так как шпалы относятся к подрельсовым опорам, то они должны обладать прочностью, износостойкостью и долговечностью в условиях переменных силовых и природно-климатических воздействий, дешевизной, недефицитностью и технологичностью в массовом производстве, упругостью и диэлектричностью (под ред. Яковлевой Т.Г. «Железнодорожный путь», М.: Транспорт, 2001, стр.42).
Известна шпала, в которой бетонное тело армировано пространственным ячеистым каркасом, выполненным из металла и расположенным по длине шпалы, при этом ячейки каркаса (в плане) расположены горизонтально (длина ячеек соизмерима с шириной шпалы), в средней части тела шпалы вдоль продольной оси симметрии выполнено сквозное отверстие, а в ячейках каркаса, расположенных в зонах подрельсовых частей, зафиксированы металлические трубки с деревянными пробками для костыльного крепления (см. патент РФ №43553 на полезную модель «Железобетонная шпала» с приоритетом от 2004.05.28, опубликованным 2005.01.27).
Шпала, тело которой армировано ячеистым каркасом, представляет собой конструкцию, которая при эксплуатации в условиях повышенных статических, циклических и динамических нагрузок распределяет действующие нагрузки на значительную площадь, за пределы зоны их воздействия, в результате чего снижается величина вертикального напряжения на основание рельсового пути и на земляное полотно, что обеспечивает их высокую несущую способность.
Важным требованием для изготовления железобетонных шпал является высокая точность соблюдения геометрических параметров, что представляет большие трудности для изготовителей. К ним относятся, например, требования к допускам по длине и углу наклона отдельных элементов, особенно в подрельсовых частях.
Шпалы из железобетона могут в течение срока службы испытывать значительное число циклов замерзания/оттаивания, что может привести бетон в экстремальное напряженное состояние - при неблагоприятном стечении обстоятельств такая цикличность может вызвать повреждение структуры бетона в результате расширения воды при замерзании в его капиллярных порах. Возникающие трещины в рассматриваемой шпале распространяются во всех направлениях в пределах каждой ячейки каркаса, не распространяясь на соседние ячейки. Но так как объем каждой ячейки достаточно большой, то и возникающие трещины будут иметь большую протяженность.
В основном металл в бетоне шпалы защищен от коррозии, поскольку арматура имеет пассивную защиту, обусловленную высокой щелочностью цементного камня. Это покрытие замедляет процесс коррозии. Если, однако, окись углерода из воздуха проникнет через трещины в бетон, химическая реакция карбонизации может снизить щелочность бетона до такой степени, что металл, в конечном счете, начнет корродировать. Хлориды, содержащиеся в морском воздухе и проникающие через трещины в бетон, также могут повредить пассивное покрытие, защищающее металл арматуры, что в итоге может привести к внезапному разрушению шпалы.
Для снижения электропроводности шпалы и для защиты арматуры от внешних воздействий, высокой температуры, агрессивной среды и т.п. при изготовлении шпалы со всех сторон от арматуры формируют защитный слой бетона, толщина которого назначается в зависимости от размеров арматуры, вида и класса бетона, условия работы шпалы и т.д. В среднем толщина защитного слоя бетона с каждой стороны шпалы должна быть равна не менее 25 мм (ГОСТ 21174-75), что увеличивает расход бетона, ее стоимость, вес шпалы, что требует мощного кранового оборудования для укладки звеньев рельсошпальной решетки.
При изготовлении известной шпалы требуется точная установка готового пространственного каркаса в металлоформу и надежная фиксация его в заданном положении, что делает данную шпалу нетехнологичной в массовом производстве.
Из-за отсутствия сцепления шпалы с частицами балласта не обеспечивается необходимое сопротивление их перемещениям вдоль и поперек пути, что может привести к неравномерной осадке пути, выдавливанию балласта и к повороту шпалы в вертикальной плоскости, что снижает срок службы пути между очередными ремонтами.
Известна шпала, выбранная в качестве прототипа и описанная в патенте РФ №75857 на полезную модель «Шпала» с приоритетом от 2008.04.21, опубликованным 2008.08.27
Полимерная шпала, в которой арматура выполнена в виде короба, расположенного по длине шпалы, а в зонах подрельсовых частей шпала содержит металлические плиты, жестко закрепленные на коробе и расположенные симметрично под углом друг к другу и под углом 15-25° к основанию шпалы. В качестве полимера используют ударопрочную полимерную композицию.
Данная шпала удовлетворяет требованиям прочности, износостойкости, долговечности, упругости и диэлектричности. Однако такая шпала достаточно дорога, что связано с высокой стоимостью полимера, используемого в большом количестве для изготовления шпалы. Необходимость точного расположения армирующего короба в форме, фиксация его в заданном положении, а также закрепление на коробе металлических плит симметрично под углом друг к другу и под углом 15-25° к основанию шпалы, делает данную шпалу нетехнологичной в массовом производстве.
При укладке таких шпал на сложных участках пути (в кривых) не обеспечивается необходимое сопротивление их перемещениям вдоль и поперек пути, что может привести к неравномерной осадке пути, выдавливанию балласта и к повороту шпалы в вертикальной плоскости, что снижает срок службы пути между очередными ремонтами.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание дешевой, конструктивно и технологически простой шпалы, обладающей малой материалоемкостью, высокой точностью геометрических параметров, высокой сопротивляемостью продольным и поперечным смещениям при эксплуатации и необходимыми показателями прочности, износостойкости, упругости и диэлектричности.
Решением данной задачи является заявляемая полимерная шпала, новым в которой является то, что шпала выполнена в виде пространственной ячеистой сотовидной конструкции.
В качестве полимерного материала может быть использован стеклопластик со связующим в виде термореактивной синтетической смолы.
2
Площадь каждой ячейки может быть равна 9-16 см.
На боковых сторонах шпалы могут быть выполнены выступы, расположенные в зоне подрельсовых частей и/или в средней части шпалы. Верхняя поверхность выступа может являться продолжением верхней поверхности шпалы или верхняя поверхность выступа может располагаться ниже верхней поверхности шпалы. Нижняя поверхность выступа может быть расположена ниже опорной поверхности шпалы. Выступы могут быть соединены между собой через основание шпалы с помощью перемычки. Использование в качестве полимерного материала стеклопластика со связующим в виде термореактивной синтетической смолы (например, эпоксидной смолы) позволяет обеспечить во времени стабильность размеров шпалы, так как такой материал не подвержен коррозии и гниению, стоек к действию агрессивных сред, обладает высокой прочностью, имеет хорошие диэлектрические свойства.
2
Шпала выполнена в виде пространственной сотовидной конструкции, состоящей из связанных между собой ячеек, которые в плане расположены по вертикали и горизонтали. Установлено, что оптимальная площадь каждой ячейки шпалы равна 9-16 см и определяется исходя из условий эксплуатации (грузонапряженности) пути. С повышением грузонапряженности пути в первую очередь увеличивается величина статических и динамических нагрузок, действующих на шпалу, прочность которой на таком пути должна быть повышенной. Повышение прочности заявляемой шпалы осуществляется за счет уменьшения площади ячеек - чем больше грузонапряженность пути, тем меньше площадь ячеек. Оптимальная толщина стенок ячеек шпалы равна 5-15 мм и выбирается исходя из конкретных условий эксплуатации (железнодорожный или трамвайный путь, грузонапряженность пути и т.д.).
Такая конструкция шпалы позволяет:
- в процессе изготовления (литье, формовка) обеспечить высокую точность ее геометрических параметров без использования металлических форм и дополнительной последующей обработки, что делает процесс изготовления шпалы технологичным и дешевым;
- благодаря небольшому размеру ячеек увеличить у шпалы сопротивляемость изгибу и степень ее устойчивости в горизонтальном и вертикальном направлениях;
- снизить материалоемкость, вес и стоимость шпалы.
Предлагаемая конструкция шпалы предназначена для использования на рельсовых путях с балластным и с безбалластным основанием, в том числе на искусственных сооружениях (туннелях, мостах). При установке шпалы непосредственно на балластное основание частицы балласта вдавливаются в полимерный материал шпалы на глубину не более 2 мм и таким образом положение верхнего слоя балласта оказывается зафиксированным, а нежелательное перемещение частиц балласта может иметь место только в нижних его слоях. Самопроизвольное заполнение ячеек шпалы частицами балласта не ухудшает свойства шпалы, а дополнительно увеличивает ее устойчивость в горизонтальном и вертикальном направлениях. При использовании на безбалластном рельсовом пути, в том числе и на мостах, шпалы могут быть установлены в углубления, выполненные в плите, являющейся основанием пути. Для работы в тоннеле шпалы укладывают на любое подготовленное основание, разрешенное к использованию в тоннелях, и закрепляют на нем любым приемлемым способом (анкерами и/или клеящими мастиками и т.д.).
Боковые стороны шпалы могут быть выполнены ровными, а могут иметь выступы, выполненные за одно целое со шпалой и расположенные в зоне подрельсовых частей (в зоне воздействия динамических нагрузок) и/или в средней части шпалы (средняя часть шпалы - это участок шпалы, расположенный между подрельсовыми частями). Наличие выступов позволяет увеличить поверхность контакта шпалы с основанием пути, что повышает сопротивление поперечному сдвигу и уменьшает нагрузку на основание, то есть обеспечивается равномерное распределение усилий на основание и более равномерная осадка пути, что исключает возможность поворота шпалы в вертикальной плоскости и увеличивает срок службы пути между очередными ремонтами.
Расположение выступов в центре средней части шпалы дополнительно увеличивает жесткость средней части шпалы, что позволяет уменьшить ее изгиб под действием поездной нагрузки, то есть увеличить несущую способность средней части шпалы.
Верхняя поверхность выступа может являться продолжением верхней поверхности шпалы или может быть расположена ниже верхней поверхности шпалы. Более технологичной является конструкция шпалы, в которой верхняя поверхность выступов является продолжением верхней поверхности шпалы. За счет уменьшенного расхода полимерного материала, более дешевой является шпала, в которой верхняя поверхность выступа расположена ниже уровня верхней поверхности шпалы.
В том случае, когда выступы расположены в зоне подрельсовых частей шпалы и верхняя поверхность каждого выступа является продолжением подрельсовой площадки шпалы, увеличивается площадь контакта рельса со шпалой, что уменьшает прогиб рельсов при движении транспорта, а следовательно, уменьшается и угон рельсов. При этом контактное давление рельса на шпалу уменьшается, снижается нагрузка на основание пути, благодаря чему увеличивается его несущая способность и повышается стабильность пути.
В том случае, когда нижняя поверхность выступа расположена ниже опорной поверхности шпалы примерно на 5-10 см, увеличивается площадь контакта шпалы с основанием пути, что, за счет повышения сопротивления шпалы продольному сдвигу, уменьшат угон пути, и, как следствие, защищает путь от разрушения. Изменяя высоту той части выступа, которая расположена ниже опорной поверхности шпалы, можно менять сопротивление шпалы продольному сдвигу.
Рациональной считается симметричная конструкция шпалы.
Соединение выступов между собой через основание шпалы с помощью перемычки обеспечивает дополнительное увеличение сопротивления поперечному сдвигу шпалы, а расположение перемычки в подрельсовой зоне дополнительно увеличивает ее прочность.
Выбор конкретной конструкции шпалы и особенностей выполнения и расположения выступов на боковой поверхности шпалы осуществляется исходя из конкретных условий эксплуатации. Например, на тех участках пути, где больше проявляется угон (на спусках, на тормозных участках, на участках с большим грузопотоком), целесообразно использовать шпалу с выступами, нижняя поверхность которых расположена ниже опорной поверхности шпалы, в том числе и шпалу, в которой выступы соединены между собой через основание шпалы с помощью перемычки. На прямых и малонагруженных участках пути целесообразно использовать шпалу с ровными боковыми поверхностями, то есть без выступов.
При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1-6 схематично изображены варианты выполнения заявляемой шпалы.
На боковых сторонах шпалы могут быть выполнены выступы, расположенные в зоне подрельсовых частей и/или в средней части шпалы.
Верхняя поверхность выступа может являться продолжением верхней поверхности шпалы или верхняя поверхность выступа может располагаться ниже верхней поверхности шпалы.
Нижняя поверхность выступа может быть расположена ниже опорной поверхности шпалы. Выступы могут быть соединены между собой через основание шпалы с помощью перемычки.
2
Шпала выполнена из полимера, в качестве которого использован стеклопластик со связующим в виде термореактивной синтетической смолы, например эпоксидной смолы, и представляет собой пространственную ячеистую сотовидную конструкцию. Площадь каждой ячейки 1 равна 9-16 см. Боковые стороны 2 шпалы могут быть выполнены ровными, а могут иметь выступы 3, выполненные за одно целое со шпалой и расположенные в зоне подрельсовых частей 4 (в зоне воздействия статических и динамических нагрузок) и/или в средней части 5 шпалы. Верхняя поверхность 6 выступа 3 может являться продолжением верхней поверхности шпалы (фиг.2-5). Верхняя поверхность 6 выступа 3 может быть расположена ниже верхней поверхности шпалы на величину h1 (фиг.6). Нижняя поверхность 7 выступа 3 может быть расположена ниже опорной поверхности шпалы на величину h2 (фиг.6). Выступы 3, расположенные на противоположных боковых поверхностях 2 и соединенные между собой под опорной поверхностью шпалы, могут иметь  форму (фиг.6).
Толщина стенок ячеек 1 выбирается исходя из конкретных условий эксплуатации (железнодорожный или трамвайный путь, грузонапряженность пути и т.д.) и может быть равна 5-15 мм.
Заявляемую шпалу изготавливают литьем или формовкой или любым другим известным способом. Полученная таким образом шпала имеет заранее заданные форму и геометрические параметры и не требует дополнительной обработки. В заранее определенные места 8 или ячейки 1 шпалы устанавливают элементы, относящиеся к рельсовым скреплениям, например, анкера, закладные детали и т.п.
Из готовых шпал собирают рельсошпальные решетки, которые привозят к месту применения и последовательно укладывают на подготовленное основание. Все работы проводятся с использованием простой технологии с помощью обычной техники.
Сразу после окончания монтажных работ путь считается готовым к эксплуатации. При этом известно, что на мостах и в тоннелях, за счет существующих ограничений скоростей движения подвижного состава, динамические нагрузки на путь ниже, чем на основном пути.
При эксплуатации в условиях статических и динамических нагрузок со стороны подвижного состава, шпала в зоне подрельсовых частей 4 принимает на себя эти нагрузки. Ячейки 1 шпалы, связанные между собой в пространственной структуре, распределяют нагрузку на всю поверхность основания (на чертеже не показано), в результате чего снижается величина вертикального напряжения на него, то есть снижается вероятность разрушения и увеличивается несущая способность.
Заявляемый безбалластный рельсовый путь конструктивно и технологически прост, надежен, имеет малую материалоемкостью, высокую точность геометрических параметров и упрощенную замену поврежденных шпал, что позволяет эксплуатировать данный путь на искусственных сооружениях - на мостах и в тоннелях. Кроме того, появляется возможность проводить подвижной состав по уложенному или отремонтированному участку пути сразу после окончания работ.
Благодаря выступам 3 увеличивается поверхность контакта шпалы с основанием (балластом), что повышает сопротивление поперечному и продольному сдвигу, более равномерно распределяются усилия на основание, уменьшается изгиб средней части 5 шпалы, уменьшается угон пути.
Заявляемая шпала недорога, конструктивно и технологически проста, обладает высокой точностью геометрических параметров, высокой сопротивляемостью продольным и поперечным смещениям при эксплуатации и необходимыми показателями прочности, износостойкости, упругости и диэлектричности. Шпала имеет хорошее сцепление со щебеночным балластом и малую чувствительность к колебаниям температуры, обладает хорошей упругостью, что позволяет эксплуатировать путь на таких шпалах без использования прокладок-амортизаторов или использовать амортизирующие прокладки меньшей толщины.