ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ ШПАЛА ИЗ ФИБРОМАТЕРИАЛА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а именно к конструкции верхнего строения железнодорожного пути, и обеспечивает неизменность взаимного расположения рельсовых нитей, воспринимает давление непосредственно от рельсов или от промежуточных скреплений, и передает его на подшпальное основание.
Уровень техники
Шпалой называется опора для рельсов в виде брусьев. В железнодорожном пути обычно укладываются на балластный слой верхнего строения пути и обеспечивают неизменность взаимного расположения рельсовых нитей, воспринимают давление непосредственно от рельсов, промежуточных скреплений, подвижного состава, и передают его на подшпальное основание.
Основные материалы для железнодорожных шпал: дерево и железобетон.
В большинстве случаев на железной дороги России используют железобетонные шпалы. Недостатки таких шпал заключаются в следующем: повышенная (в 2-3 раза) жесткость пути, которую приходится снижать с помощью резиновых прокладок-амортизаторов, электропроводность и необходимость применения недолговечных изолирующих деталей, хрупкость и чувствительность к ударам, низкая работоспособность железобетонных шпал в зоне рельсовых стыков (выход в 3-5 раз выше, чем в средней части рельсов), большая масса (- 265 кг), что затрудняет одиночную смену дефектных шпал и требует мощного кранового оборудования для укладки звеньев.
Железобетонные шпалы эффективны в следующих условиях: в сочетании с бесстыковыми рельсовыми плетями (звеньевой путь с железобетонными шпалами - конструкция, не оправданная технически и экономически), на линиях со скоростным движением пассажирских поездов (более 140 км/ч), благодаря высокой стабильности и равноупругости такого пути.
Однако, деревянные шпалы также продолжают активно применяться при строительстве железных дорог.
Преимущества деревянных шпал: обеспечение плавности хода, пониженный износ подвижного состава, пониженный износ элементов железнодорожного пути, наличие возобновляемого источника для изготовления шпал - древесины.
Недостатки деревянных шпал: загрязнение окружающей среды фенолами и нефтепродуктами, высокая повреждаемость в железнодорожном пути при эксплуатации, низкая сопротивляемость железнодорожного пути выбросам и угонам, ограниченность в ресурсах леса возрастом 80-100 лет, проблема утилизации старогодных шпал.
На некоторых зарубежных дорогах, в основном в странах с тропическим климатом, применяют также металлические шпалы. Применение металлических шпал на отечественных железных дорогах неперспективно из-за их недостатков: трещинообразования, подверженности коррозии, электрической проводимости, шумообразования, а также более сложной технологии подготовки и уплотнения балласта.
Полимерные шпалы: обеспечивают надлежащую изгибную реакцию для поглощения вызываемых поездом вибраций. Другое их отличительное свойство - обладание достаточной сжимаемостью в вертикальном направлении. Оно необходимо, чтобы выдержать нагружение подрельсовой подкладки при сохранении геометрии рельсовой колеи. Выполненные из полимерного композиционного материала шпалы не подвержены растрескиванию или разрушению от температурных перепадов. Однако стоит отметить, что для изготовления полимерных шпал применяется, в основном, переработанный полимерный материал, который при переработке выделяет вредные химические вещества.
Фиброматериал изготовляется пропиткой нескольких слоев бумаги-основы концентрированным раствором хлорида цинка (реже раствором серной кислоты и роданида кальция) и последующим прессованием.
Применение железнодорожных шпал из фиброматериала дает возможность эксплуатировать элементы верхнего строения пути на более благоприятном основании с точки зрения жесткости. Что положительно будет сказываться на увеличении срока эксплуатации верхнего строения железнодорожного пути в целом. Такие шпалы будут иметь: низкую электропроводность, что позволяет применять долговечные изолирующие детали, пониженную хрупкость и высокую работоспособность в зоне рельсовых стыков. Иметь меньшую массу, на 30%, в отличие от известных аналогов. Немало важным и актуальным на сегодняшний день является то, что при утилизации шпал из фиброматериала будет наноситься минимальный вред окружающей среде, так как бумага является хорошо естественно разлагаемым материалом. Также стоит отметить, что в сочетании со всем вышеперечисленным и измененной геометрией, железнодорожные шпалы из фиброматериала будут иметь хорошую сопротивляемость железнодорожного пути выбросам и угонам при эксплуатации, как элемент бесстыкового пути.
Известна шпала, имеющая конструкцию брускового типа. На подошве железобетонной шпалы расположены закрепленные путем бетонирования в нее зерна щебня, выступающие за горизонтальную часть поверхности подошвы. Вбетонированные в подошву и выступающие за ее горизонтальную часть зерна щебня расположены друг от друга с зазором. Верхушки зерен, выступающие на наибольшее расстояние от горизонтальной поверхности подошвы, расположены друг от друга на расстоянии и лежат в одной плоскости, параллельной горизонтальной части поверхности шпалы. Технический результат заключается в увеличении силы сопротивления смещения в балласте шпалы в продольном и поперечном направлении (Патент US 3558049 А, 26.01.1971, JP 10280301 А, 20.10.1998, JP 2009264038 А, 12.11.2009, RU 96102309 А, 10.07.1998).
Известна шпала, имеющая на своей подошве зубцы, которые сформированы из материала шпалы в углублениях пресс-формы путем их затвердевания. Зубцы выполнены таким образом, что в поперечном сечении имеют произвольную форму с эквивалентным диаметром от 5 мм до 100 мм, и расположены друг от друга с зазором от 0 мм до 150 мм, и имеют высоту от 10 мм до 150 мм. Достигается снижение технологических операций при изготовлении шпалы и снижение ее стоимости. (RU 2335590 С1, 10.10.2008, DE 102006024663 А1, 29.11.2007, RU 2422575 С1, 27.06.2011, US 20040129792 А1, 08.07.2004, JPH 09256302 А, 30.09.1997, DE 4437826 А1, 18.04.1996, RU 2413047 С1, 27.02.2011., RU 2155836 С1, 10.09.2000).
Известна железобетонная шпала, которая выполнена в форме армированного бруса с переменным по длине трапецеидальным поперечным сечением с наклонными верхними поверхностями для размещения деталей рельсового скрепления, с отверстиями для закладных деталей или замоноличенными анкерными деталями. Поперечное сечение шпалы выполнено в виде двух трапеций, расположенных одна над другой, при этом верхнее основание одной трапеции является нижним основанием другой трапеции. Боковые стороны нижней трапеции имеют наклон 79-87° к нижнему основанию по всей длине шпалы, боковые стороны верхней трапеции по всей длине шпалы выполнены в виде широкой фаски под углом 60-77° к нижнему основанию. Номинальная высота нижней трапеции постоянна по всей длине шпалы. Техническим результатом изобретения является сохранение прочностных характеристик для конструкции в целом и их увеличение для отдельных зон, обеспечение возможности применения стержневого армирования, обеспечение технологичности изготовления как шпальных форм, так и самой шпалы для ее применения с различными типами скреплений с закладными деталями или замоноличиваемыми анкерными деталями (RU 13659 U1, 10.05.2000, GB 1354299 A, 22.05.1974, GB 676307 A, 23.07.1952).
Известна железобетонная шпала, имеющая подошву, содержащую зубцы. В средней части ее постели на длине, равной зоне действия сжимающих кромочных напряжений, зубцы имеют уменьшенную высоту 10-50 мм. Подрельсовая зона постели не содержит зубцов. Со стороны торцов и на части подошвы средней части опоры пути, где растягивающие напряжения отсутствуют или их величина незначительна, зубцы имеют увеличенную высоту 30-100 мм. В результате расчетное увеличение усилия сдвига рельсовой опоры ориентировочно составляет 10-15 раз (Патент RU 2335590 С1 10.10.2008, DE 102006024663 А1 29.11.2007, US 2004/0129792 А1 08.07.2004, RU 2433218 С2 10.11.2011., WO 2002077367 Al 03.10.2002).
Известна композитная брусковая железнодорожная шпала, имеющая в качестве основного компонента полиэтилен высокой плотности со стеклонаполненным полимером, отличающаяся тем, что имеет трапецеидальную форму как в поперечном, так и в продольном сечениях. Полезная модель предназначена для повышения стабильности железнодорожного пути с композитными шпалами, снижения расходов на его текущее содержание путем более эффективного использования композитного материала (Патент RU 174683 U1, 25.10.2017, RU 132452 U1, 20.09.2013, WO 2013036120 А1, 14.03.2013.).
Недостатком данного вида основания является: материалы их изготовления, а также низкая сопротивляемость железнодорожного пути выбросам и угонам, за счет своей геометрии конструкции в целом. Прямоугольная конструкция имеет меньше сопротивляемость, чем прямоугольная конструкция с переменной формой основания.
Раскрытие полезной модели
С целью опоры металлических элементов железнодорожного пути, для обеспечения стабильного взаимного расположения всех элементов в плане и профиле, восприятия и перераспределения нагрузки от подвижного состава на балластный слой и земляное полотно, сохранения ширины рельсовой колеи при минимальных затратах труда на текущее содержание в течение возможно длительного времени применяют железнодорожные шпалы.
Задачей заявленной железнодорожной шпалы из фиброматериала является передача давления от подвижного состава, рельсов, промежуточных скреплений на подшпальное основание, земляное полотно. Также задача полезной модели заключается в уменьшении жесткости железнодорожного пути, а в сочетании с измененной геометрией, и высокой сопротивляемости железнодорожного пути выбросам и угонам.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является уменьшение износа рельсовых элементов железнодорожного пути за счет уменьшения жесткости основания крепления металлических частей железнодорожного пути. Увеличение производительности труда при текущем содержании железнодорожного пути за счет меньшей массы шпалы, при одиночной замене данных элементов. Меньший вред нанесения окружающей среде за счет материала изготовления, при утилизации которого происходит меньше выбросов в атмосферу.
Указанный технический результат достигается изменением геометрических параметров шпал, характеризуется тем, что нижняя опорная часть выполнена с переменным сечением, которое увеличивает сопротивляемость железнодорожного пути выбросам и угонам, а также посредством применения фиброматериала для изготовления шпал. Заявленная железнодорожная шпала из фиброматериала, в свою очередь, лучше воспринимает высокочастотную и гигацикловую нагрузку от подвижного состава, которая ведет к разрушению не только самих элементов, а также основания, на которые они установлены, земляное полотно.
Полезная модель с измененной геометрией и применением фиброматериала для изготовления позволит уменьшить нагрузки, передаваемые от подвижного состава на элементы верхнего строения пути.
а
а
Предложена железнодорожная шпала из фиброматериала, нижнее основание шпалы имеет выступы, центры выступов располагаются по центру расположения рельсов, при этом соотношение толщины шпалы  к толщине выступа b равно половине величины .
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлен вид сбоку заявленной железнодорожной шпалы из фиброматериала.
На Фиг. 2 представлен общий вид заявленной железнодорожной шпалы из фиброматериала.
Осуществление полезной модели
Заявляемое решение конкретизировано на фиг. 1, где показано, что считается переменным сечением нижнего основания, а на фиг. 2 приведен вариант исполнения заявленной железнодорожной шпалы из фибро материала.
Как показали научные и экспериментальные исследования заявителя, соотношение нижнего основания должно быть переменного сечения, при этом соотношение равно половине толщины шпалы. Что, в свою очередь, увеличит сопротивляемость железнодорожного пути выбросам и угонам. А способ изготовления шпалы должен быть основан на технологии изготовления из фиброматериала, что уменьшит жесткость основания для прикрепленных металлических элементов железнодорожного пути, в связи с чем данные элементы будут иметь меньший износ, так как увеличится коэффициент упругости.
В случае, если указанное соотношение менее половины толщины шпалы, то не обеспечивается требуемая сопротивляемость железнодорожного пути выбросам и угонам, а если более, то сопротивляемость становится не оправдано чрезмерной с точки зрения общего веса железнодорожной шпалы. Также возникают сложности в транспортировки, укладки в путь и в дальнейшем машинном техническом обслуживании элементов верхнего строения пути.
а
В случае изготовления шпалы или бруса заявленной геометрии из других материалов, необходимо проведение дополнительных исследований и расчетов на предмет изменения соотношения  /b.
Работает железнодорожная шпала из фиброматериала следующим образом: металлические элементы верхнего строения пути прикрепляются с помощью подкладок к фиброшпале для дальнейшей передачи высокочастотной и гигацикловой нагрузки от подвижного состава на верхнее строение пути.