Способ температурной и силовой компенсации перемещений рельсового пути
METHOD OF TEMPERATURE AND POWER COMPENSATION OF RAIL TRACK DISPLACEMENTS

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности, к компенсации температурных и силовых перемещений бесстыкового рельсового пути скоростных магистралей, содержащее блоки автоматической, фрикционной компенсации и автоматического управления компенсацией температурных перемещении бесстыкового рельсового пути, остряковые рельсы, остряковую платформу, сезонные вставки, боковые накладки, болтовые соединения и может быть использовано для компенсации перемещений звеньевого, стыкового пути.
Известно стыковое соединение, содержащее рельсы, боковые накладки, крепежные элементы, приваренные к рельсам вставки, перекрывающие температурный зазор. Недостатком соединения является отсутствие средств, регулирующих напряженно-деформационное состояние рельсов, способствующих уменьшению температурных деформаций, колебаний стыковых зазоров и ограниченные возможности регулирования зазоров в плетях большой длины [1].
Известен способ автоматической компенсации температурных перемещений бесстыкового рельсового пути, содержащий остряковые рельсы, зазор между ними, остряковую платформу, пружинные упоры, блок автоматического управления (БПУ), датчики требуемой информации (патент №2685491)
Недостатком способа является ограниченные возможности увеличения длины компенсируемых участков бесстыкового пути, необходимость установки уравнительных дополнительных рельсовых вставок и применения комбинированного строения в сочетании с участками звеньевого пути [2].
Известен способ фрикционной компенсации перемещений бесстыкового рельсового пути, принятый за прототип, содержащий блок компенсаторов с термоэлементами, гидравлическую полость под давлением с полым поршнем, угловые и резьбовые упоры, ложементы, подрельсовое основание, БПУ, датчики требуемой информации (патент №2686597) [3].
Недостатком способа является локальность применения для создания сил трения противодействующих осевым перемещениям и ограниченные возможности увеличения длины бесстыкового рельсового пути
Целью изобретения является объединение выполняемых функции аналога и прототипа в единый технологический процесс автоматической самокомпенсации силовых и температурных перемещений с использованием искусственного интеллекта, устранение сезонной установки и смены уравнительных пролетов на основной магистрали, увеличение длины бесстыковых рельсовых нитей.
1. Способ температурной и силовой самокомпенсации перемещений, характеризуется тем, что компоновку рельсового пути выполняют с последовательной установкой на границах между участками подвижных плетей с обеих сторон устройств для фрикционной и автоматической компенсации перемещений бесстыкового рельсового пути, включающее секционированное подрельсовое основание, ложементы с установленными на них блоками компенсаторов с жидкостью и термоэлементами с большим коэффициентом объемного и линейного расширения, нагреватели, резьбовые и угловые упоры, накладки с помощью которых создают силы трения, препятствующие перемещениям рельсов под действием изменений температуры окружающей среды и дополнительного нагрева, по мере необходимости по команде блока автоматического управления, включающего нагреватели за счет искусственного интеллекта, заложенного в его программе, а при перемещениях, превышающих возможности фрикционной компенсации, их передают на устройство для автоматической компенсации температурных перемещений бесстыкового рельсового пути, включающего остряковые рельсы с возможностью осевого перемещения, остряковую платформу с возможностью поперечного перемещения и пружинным контактом рабочих граней остряков, устраняющих влияние зазоров на участках бесстыкового пути, дополнительно характеризующийся тем, что при последовательной компоновке устройств для фрикционной и автоматической компенсации температурных и силовых перемещений обеспечивают самокомпенсацию зазоров, для чего используют разность внутренней энергии материала рельсов, которую сохраняют при изменении температуры окружающей среды.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при расчетной температуре окружающей среды в положительной или отрицательной области ±5-30°С по команде блока автоматического управления включают подогрев термоэлемента фрикционной компенсации, осуществляют защемление рельсов от осевого перемещения, а после естественного перехода температур окружающей среды через ноль, в противоположную от защемления область, защемление выдерживают до увеличения температуры на ±5-30°С, обеспечивают перепад между температурой защемления и фактической на момент завершения компенсации в 5-20°С, по абсолютной величине, сохраняют в рельсах расчетный уровень напряжений растяжения или сжатия, после чего по команде блока автоматического управления отключают подогрев термоэлемента, устраняют защемление, при этом обеспечивают суммирование вновь образующихся напряжений противоположного знака с остаточными напряжениями от защемления, обеспечивают самокомпенсацию напряжений и перемещений, уменьшают величину осевых сил, устраняют сезонную установку и замену уравнительных пролетов.
3. Способ по п. 1 отличающийся тем, что по команде блока атоматического управления отключают защемление рельсов, обеспечивают автоматический самоперенос остаточных перемещений на остряковые рельсы блока автоматической компенсации температурных перемещений бесстыкового рельсового пути, при этом, предварительно заменяют сезонные вставки, обеспечивают зазор между торцами остяков из расчета компенсации максимальных перемещения соответствующего знака.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что включение и отключение защемления рельсов в отрицательной или положительной области осуществляют по уровню требуемого перепада температур, в каждом регионе, обеспечивают при этом допускаемый уровень напряженного состояния, уменьшают силы увода, увеличивают длину промежутков между установкой устройств автоматической и фрикционной компенсации.
5. Способ по п. 1 отличающийся тем, что защемление и замену сезонных вставок выполняют без ограничений по мере необходимости изменения зазора Е, увеличивают при этом длину бесстыкового пути, устраняют уводы и разрушение рельсов.
На фиг. 1 показана схема компановки бесстыкового рельсового пути.
Принятые сокращения:
БПУ - блок автоматического управления,
БРП - бесстыковой рельсовый путь,
БФК - блок фрикционной компенсации,
БАК - блок автоматической компенсации,
НДС - напряженно-деформационное состояние
При осевом перемещении рельсов остряковая платформа автоматически закрывает осевые зазоры между торцами остряков за счет поперечного пружинного прижатия. Перекрытие зазоров, при углах остряков в 2° может достигать 300-500 мм. В результате устройство обеспечивает увеличение длины бесстыковых нитей, устранение сезонной замены уравнительных пролетов, уменьшение осевых сил и деформации на основных 7 и "дышащих" концевых участках пути 4. Кроме того предложенное устройство может быть использовано для значительного увеличения компенсируемых перемещений за счет многократной замены рельсовых вставок 5 и для сохранения зазоров между рельсами стыкового звеньевого пути.
Бесстыковой и звеньевой рельсовый путь при прохождении составов находится в сложном напряженном состоянии. Силы, способные вызвать потерю устойчивости пути и разрушение, возникают при неблагоприятном сочетании температурных, "угоняющих" и тормозных усилий под действием давления колес на рельсы.
Угоняющие и тормозные усилия при ослаблении соединения подошвы с рельсом достигают величины порядка 1500-2000 Кн (по двум ниткам).
Основным усилием, способным привести к потере устойчивости и разрушению пути, остаются силы от температурных перемещений, устранение которых позволяет решить проблемы надежности, долговечности пути и снижения эксплуатационных затрат.
Длина БРП пути определяется уровнем напряжений, возникающих на неподвижной плети 6 (фиг. 1.), уровнем шального, стыкового и погонного сопротивлений, определяющих начало ее перемещения. Реакция заделки равна сумме сопротивлений подвижных дышащих участков концевой плети 4. Длина подвижных участков концевой плети 4 не зависит от длины сварной неподвижной плети 6, определяется погонным сопротивлением и величиной перепада температур, она равна, в среднем, 45-70 м. Как правило, в серийном исполнении на границах блок-участков, укладывается по четыре уравнительных рельса длиной по 12,5 м каждый. Непрерывная длина комбинированных плетей - 500-800 м с укладкой между ними 2-3 уравнительных пролетов достигает а сумме расстояния между границами блок-участков 1500-2500 м[5].
Для автоматизации управления уровнем напряжений и увеличения длины бесстыковых неподвижных 6 и концевых плетей 4 с использованием искусственного интеллекта в изобретении предлагается компоновка пути с применением способов фрикционной и автоматической компенсации температурных перемещений.
Последовательное размещение с обеих сторон между участками пути БФК 7 и БАК 1 позволит осуществить закрепление, защемление рельсов и управлять силовыми и температурными перемещениями концевых и неподвижных плетей 4 и 6 (фиг. 1, см. описание патентов №2686597, №2685491). Предложенная компоновка пути позволит значительно повысить надежность эксплуатации и снизить трудоемкость обслуживания пути, увеличить длину сварных плетей. Работа блоков БФК и БАК управляется БПУ по информации от датчиков температуры рельсов, окружающей среды, тензодатчиков, давления жидкости, датчиков движения и конечных переключателей.
При изменении температуры окружающей среды БФК-7 по команде БПУ (БПУ показан на чертежах патентов) осуществляет зажим рельсов с ограничением силовых и температурных перемещений за счет сил трения вплоть до полного защемления.
Устройство по способу фрикционной компенсации температурных перемещений бесстыкового рельсового пути содержит блоки компенсации стыковых зазоров, рельсошпальную решетку с подрельсовым основанием, болтовые соединения, поперечные ложементы на шпалах между рельсами с установленными в них блоками компенсаторов, содержащих термоэлементы и замерзающую жидкость с большим коэффициентом линейного и объемного расширения. При изменении температуры окружающей среды сила сопротивления осевым перемещениям рельсов растет. Удлинение блока компенсатора или увеличение объема при замерзании жидкости увеличивают силы сжатия рельсов, передаваемые через боковые накладки на сезонные вставки 5 (фиг. 1) за счет давления на упоры и на рельсы. Автоматическая регулировка температуры дополнительного нагрева блока компенсаторов или замороженной жидкости нагревательными элементами осуществляется по команде БПУ (патент №2686597).
БФК и БАК являеются исполнительными механизмами, встраиваемыми в компоновочную схему бесстыкового пути последовательно, предназначены для совместной работы в технологической цепи в режиме автоматического управления с использованием искусственного интеллекта, заложенного в программе БПУ.
При оснащении БАК камерами наблюдения за состоянием зазора Е фиг. 1) и мобильной связью с диспетчерским пунктом путь будет находиться под постоянным наблюдением с возможностью предупреждения аварийных ситуаций.
С увеличением длины бесстыкового рельсового пути, растет уровень температурных напряжений, в связи с чем управление их уровнем становится основной технической задачей.
Температура закрепления пути является одним из основных параметров, определяющих НДС рельсов, осуществляемого за счет использования шпального, стыкового и погонного сопротивлений, сдерживающих их свободное перемещение. В разных регионах, на разных участках дороги, при разной кривизне и температуре все параметры пути имеют значительные отличия. В результате на всей сети дорог проводится тщательный мониторинг, регулирование стыковых зазоров, закрепление и разгрузка для устранения мест, представляющих наибольшую опасность аварийного разрушения.
При совместной установке системы автоматического и фрикционного управления параметрами пути длина бесстыковых, звеньевых и комбинированных участков может быть увеличена без риска аварийных проявлений. Многократная замена удлиненных или укороченных рельсовых вставок в зависимости от температуры окружающей среды значительно расширяет возможности способа.
Система автоматического регулирования с помощью БПУ на фоне естественных температур в соответствии с заложенной программой обеспечивает совместную работу с БФК с БАК из условия сохранения допускаемых температурных перемещений, прочности рельсов, устойчивости пути от выбросов и угонов.
Для уменьшения уровня уводящих и разрушающих перемещений при больших колебаниях температуры ±60°С и более в рельсах, согласно предлагаемого изобретения, защемленных с двух сторон (фиг. 1) с помощью БФК 7 при достижении расчетной температуры, например, -20°С, меняющейся в сторону повышения до 0°С (когда остряки сходятся), БПУ подает сигнал на БФК 7, на защемление концов подвижных участков концевых плетей 4 при остаточном зазоре ΔЕ между остряковыми рельсами на БАК 1 -ΔЕ. Остановка осевого перемещения рельсов, за счет подрельсового основания объединяющего до 20 шпал способствует консервации остаточных растягивающих напряжений переносимых в положительную область с повышением окружающей температуры.
При дальнейшем естественном увеличении расчетной температуры окружающей среды и защемленных рельсов с переходом через 0°С (например, до +10°С) сохранится часть напряжений растяжения в концевой 4 и неподвижной плети 6. Уровень остаточных напряжений и величина перемещения в рассматриваемом примере пропорциональны разности температур от защемления и фактической на момент компенсации по абсолютной величине -20…+10 равна 10°С.
При достижении расчетной температуры (на разных участках она разная) БПУ подаст сигнал на БФК 7, который отключит защемление, остряковые рельсы 2 сами автоматически переместятся, выбирая зазор +ΔЕ на БАК 1, что уменьшит суммарную величину дальнейшего удлинения рельсов при достижении максимальной температуры (порядка +60°С и более), снизит уровень напряжений, за счет их суммирования, сохранит устойчивость пути.
Обратный цикл выполняется при снижении положительной температуры, например от +60 до +20 на стадии увеличения зазора ΔЕ (остряки расходятся). При этом БПУ вновь защемляет рельсы с сохранением зазора +ΔЕ до снижения температуры, например, до -10°С. При этом консервируются напряжения сжатия, переносимые в отрицательную область. При отключении защемления остряковые рельсы компенсируют зазор +ΔЕ.
В результате расчетная величина зазора ±ΔЕ организованного таким образом цикла не участвует в предельном осевом перемещении рельсового пути. При смене знака температур окружающей среды в рассматриваемых примерах происходит сложение перемещений разного знака, снижение уровня напряженного состояния и предотвращение разрушения рельсов при отрицательных температурах.
Проще говоря, система автоматического управления обеспечивает при защемлении в отрицательно полости сохранение требуемой части растягивающих напряжений, перенос их в положительную область, обеспечивает их взаимодействие их с положительными напряжениями при отключении защемления.
На рис. 1 показана эпюра температурных напряжений Ft и силовых Fc до защемления. При защемлении эпюра превратится в горизонтальную линию (не показано).
Знак ± указывает только на температурную область компенсируемого зазора. Чем ближе температура защемления к нулевому значению, тем меньше усилия, требуемые для защемления рельсов.
При запрограмированном диапазоне включения и отключения температур защемления рельсов на каждом участке БПУ с учетом климатических условий и всех особенностей пути обеспечит режим автоматического управления НДС рельсов без использования уравнительных пролетов и участия человека.
Внедрение автоматизации процессов управления, температурными и силовыми параметрами пути показывает сложившуюся ненужность работ, ставших очевидными при использовании искусственного интеллекта и автоматизации управления силовыми и температурными перемещениями.
Дело в том, что в рельсах при изменении температуры развиваются огромные осевые усилия, для преодоления которых при установке уравнительных пролетов на каждом километре пути применяют гидравлические натяжные и раздвигающие устройства большой мощности. Недоумение вызывает то, что все 100 тысяч км рельсового пути России до сих пор при установке сезонных вставок приходится растягивать, либо сжимать. При этом тратятся огромные ресурсы и средства.
В противовес приведенному факту, при внедрении предлагаемого способа, наоборот торцы рельсов сами занимают свое естественное положение на остряках БАК при любой температуре без участия человека и ставших ненужными приспособлениями.
В качестве движущей силы исполнительных механизмов автоматики используется естественное изменение температуры окружающей среды для создания огромных усилий в статически неопределимой системе БФК, при абсолютной простоте конструкции, отсутствии подвижных деталей и незначительном энергопотреблении. Дополнительное потребление энергии теплоизолированного корпуса составит 10-20 вт (мощность паяльника) при подогреве от естественного уровня окружающей среды, требуемого для управления защемлением и при закреплении рельсов.
Для уменьшения потребления энергии в течение длительного времени, предусмотрен перевод БФК в режим длительной работы без потребления энергии за счет давления в гидравлической полости компенсатора подаваемого через электроклапан от переносного плунжерного насоса с электрическим или ручным приводом.
При необходимости быстрого кратковременного нагрева может быть предусмотрен дополнительный режим импульсного высокочастотного нагрева на 40-60°С, выше температуры окружающей среды. В местах между расположением средств управления в перспективе на расстояниях порядка 10-15 км и более необходимо предусмотреть сетевое или локальное электро снабжение. Появились перспективы увеличения бесстыкового пути на значительные расстояния.
Эксплуатация рельсовых нитей представляет одну из сложнейших дорогостоящих технических проблем, связанных с постоянным контролем и поддержанием уровня напряжений в рельсах, сезонной постановкой и заменой уравнительных пролетов. Мониторинг линейных и поперечных смещений пути, профилактика выбросов, угонов, упреждение постоянной угрозы аварийных ситуации связаны с содержанием огромного штата обслуживающего персонала высокой квалификации. Стоимость обслуживания верхнего строения пути составляет 40% от общих затрат на его содержание.
Внедрение предлагаемого способа температурной силовой автоматической самокомпенсации перемещений рельсового пути управляемого за счет искусственного интеллекта открывает большие перспективы повышения безопасности движения ЖД транспорта и снижения затрат на эксплуатацию.
С увеличением длины бесстыковых участков, управление основными параметрами и НДС пути, по способу позволит снизить вероятность аномальных проявлений, угрозу разрушения рельсов, устранить сезонную смену уравнительных пролетов.
Литература:
1. Патент №2272857 С2 МПК Е01В 11/32 от 10.03.2004
2. Патент №2686597 С1 МПК Е01В 11/32 от 22.06.2018
3. Патент №2685491 С1 МПК Е01В 11/32 от 22.06.2018
4. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути. МПС России. М.: Транспорт, 2000. 223 с.
5. Бесстыковой путь. Москва "Транспорт" 2000.