ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ПРОТИВОУГОН Российский патент 1995 года по МПК E01B13/00 

Изобретение относится к конструкциям верхнего строения железнодорожных путей, а именно к устройствам, предотвращающим угон рельсов.

Известен стандартный пружинный противоугон, выполненный из заготовки с квадратным профилем поперечного сечения.

Данный противоугон характеризуется низкой долговечностью по причине усталостного разгибания пружинной скобы под воздействием усилий, действующих на упругую скобу со стороны рельса.

Известен также облегченный противоугон, выполненный из Т-образной профильной заготовки. Однако такой профиль поперечного сечения не позволяет повысить долговечность противоугона за счет снижения скорости релаксации монтажных напряжений и уменьшения деформации ползучести. Это связано с тем, что данный противоугон изготовлен с Т-образным сечением для снижения концентрации монтажных напряжений изгиба только от изгиба в плоскости противоугона. Величина напряжений снижается наращиванием объема растягиваемых волокон. Но противоугон в процессе работы испытывает более сложное напряженное состояние, чем изгиб в одной плоскости. Сдвигаемый рельсом относительно шпалы противоугон испытывает изгиб и в плоскости симметрии рельса, т.е. косой изгиб, который характеризуется более интенсивными, чем при простом игзибе, напряжениям. Если материал полки Т-образного сечения достаточно защищен от роста напряжений, то материал тонкой стенки сечения этому росту сопротивляться не может. По этой причине увеличивается скорость релаксации монтажных напряжений, т.е. быстро сглаживается благоприятный пик этих напряжений. В результате упругая скоба противоугона после постановки противоугона на рельс постепенно разгибается и создаваемое им усилие сопротивления угону снижается. Противоугон выходит из строя.

Кроме того, Т-образный противоугон не имеет плотного контакта со шпалой из-за наличия выступа-полки. Требуется выполнение в шпале фигурного паза, в котором утапливается полка, что затрудняет использование такого противоугона.

Известен также железнодорожный противоугон, содержащий упругую скобу с упорной петлей и упором на соответствующих концах.

Техническим эффектом предлагаемого противоугона является повышение его прочности, а следовательно, безопасности эксплуатации железнодорожного пути.

Для достижения этого технического эффекта в железнодорожном противоугоне, содержащем упругую скобу с упорной петлей и упором на соответствующих концах, скоба в поперечном сечении выполнена в виде трапеции с отношением длин оснований, равном 0,4-0,85, и отношением высоты к большему основанию, равным 0,55-1,4.

На фиг.1 изображен противоугон в аксонометрии; на фиг.2 показаны усилия и напряжения, возникающие в противоугоне при монтаже на рельсе; на фиг.3 представлены усилия, возникающие в противоугоне при угоне рельса; на фиг.4 показаны напряжения изгиба, возникающие в теле противоугона от усилий угона рельса.

Поперечное сечение противоугона имеет форму трапеции ABCD с большим основанием 1, расположенным со стороны контакта противоугона с рельсом, и противолежащим меньшим основанием 2. Грани противоугона обозначены A, B, C и D. Боковые стороны трапеции наклонены к основаниям под углами α и β. Противоугон закреплен на рельсе 3 и упирается в шпалу 4. Элементами противоугона, взаимодействующими с рельсом и шпалой, являются упругая скоба 5 (фиг.1-3), упорная петля 6 и упор крепления 7. Отношение длин оснований 2 и 1 трапеции равно 0,4-0,85, а отношение высоты Н к большему основанию 0,55-1,4.

Противоугон работает следующим образом. При посадке противоугона на рельс 3 (см.фиг.2) скоба 5 и частично петля 6 противоугона разбиваются монтажными усилиями Т и Т'. Вследствие этого в теле противоугона возникают монтажные напряжения изгиба σ_т, действующие по касательной к радиусу кривизны элементов противоугона. Напряжение σ_т (см. эпюру на фиг.2) меняются от растягивающих (знак "+") на большем основании до сжимающих (знак "-") на меньшем основании.

При прохождении состава по рельсу 3 сила угона Р (см.фиг.3) через подошву рельса передается на скобу 5 противоугона (на фиг.3 данная сила Р для упрощения чертежа условно приложена к одной ветви скобы 5). Предотвращая угон рельса, противоугон упирается в шпалу 4 петлей 6 и частью скобы 5, вызывая ответную реакцию Р". Пара сил Р' и Р" закручивает противоугон в плоскости симметрии рельса. Перекосу противоугона от закручивания препятствуют усилия N' и N", возникающие на гранях противоугона. При указанном на фиг.3 направлении угона (в направлении силы Р) усилия N' и N" образуются со стороны подошвы рельса на грани А, на противоположной стороне скобы 5, на грани В.

Рассмотрим действие силы N' в наиболее опасном сечении противоугона A_IB_IC_ID_I, расположенном в скобе 5 напротив торца подошвы рельса (см.фиг.4). Для этого отсечем ветвь скобы 5 до рассматриваемого сечения. Поскольку действия сил на сечение рассматривается относительно центра тяжести сечения, указанную силу перенесем за два приема в центр тяжести рассматриваемого сечения. При первом перенесении силы N' на ось симметрии противоугона ОО₁ образуется дополнительный изгибающий момент M'_N, действующий в плоскости, параллельной плоскости симметрии рельса. При повторном перенесении силы N' в центре тяжести сечения A_IB_IC_ID_I образуется второй дополнительный изгибающий момент М''_N, действующий в плоскости противоугона, перпендикулярной плоскости симметрии рельса. Эти изгибающие моменты вызывают в теле противоугона дополнительные нормальные напряжения и , эпюры которых приведены на фиг.4.

Анализируя совместное действие напряжений σ^т (см.фиг.2) и (см. фиг.4), можно отметить, что их направление совпадает, но так как они образованы моментами, лежащими в перпендикулярных плоскостях, то напряженное состояние в различных точках сечения A_IB_IC_ID_I противоугона неодинаково. Так, например, в точке А_I сечения напряжения и имеют одинаковый знак, т. е. складываются, а в точке В_I эти напряжения имеют разные знаки, т.е. вычитаются друг из друга. Поэтому напряженное состояние в точке А_I более неблагоприятно, чем в точке B_I. Такое напряженное состояние называется косым изгибом.

В результате опытных испытаний, проведенных на прессе, моделирующим многоцикловую нагрузку (см.табл.1), повышается долговечность противоугонов за счет снижения скорости релаксации напряжений и уменьшения деформации ползучести в анализируемом случае косого изгиба при использовании противоугонов с трапецеидальной формой поперечного сечения. Противоугоны испытывали после постановки на рельс циклическим нагружением с усилием 5000 Н, направленным вдоль рельса и приложенным к упорной петле 6. Количество циклов нагружения Q_ц до начала передвижения противоугона по рельсу сравнивали с количеством циклов Q_цо нагружения таким же усилием стандартного противоугона с квадратным сечением 25х25 мм (Q_цо составляет по опытным данным 10⁷). Рост долговечности объясняется более гармоничной для косого изгиба формой поперечного сечения по сравнению с Т-образной, прямоугольной, треугольной, круглой и другими формами сечения.

Как следует из табл.1, трапециевидная форма поперечного сечения противоугона обеспечивает повышение его долговечности по сравнению с противоугоном, имеющим квадратное сечение по ГОСТу на 15-25% А в сравнении с противоугоном, имеющим Т-образное (тавровое) поперечное сечение на 5-20% Требуемые параметры трапеции, позволяющие повысить долговечность противоугона, экспериментально получены опытным многоцикловым нагружением противоугонов, имеющих вид в плане, соответствующий противоугонам П-50-П-75 по ГОСТу 19893-74. Испытываемые противоугоны для получения сопоставимых результатов имели площадь поперечного сечения стандартного противоугона 25х25 625 мм². Длину большего основания трапеции выполняли равной 22-40 мм. Длина меньшего основания в соответствии с формулой изобретения составляла (0,4-0,85) (22-40 мм) 8,8-34 мм. Высота трапеции Н равнялась в зависимости от длины большего основания (0,55-1,4) (22-40 мм) 12,1-56 мм. Например, при длине большего основания 35 мм и длине меньшего основания 0,71х35 мм 25 мм, для обеспечения площади трапеции 625 мм² выполняли высоту трапеции, равной 20,8 мм.

Противоугон испытывали по описанной выше методике циклическим нагружением усилием 500, Н. Предельное количество циклов нагружения Q_ц, отнесенное к числу циклов нагружения по прототипу Q_цп, составляющему, как следует из табл. 1, (1,05-1,1)˙10⁷ представлено в табл.2.

Как следует из табл.2, выполнение трапециевидного поперечного сечения с отношением длин оснований менее 0,4 не приводит к снижению скорости релаксации монтажных напряжений и уменьшению деформации ползучести. При этих параметрах визуально наблюдается повышенная по сравнению с другими зонами деформуемость противоугона в зоне упора 7 и упругой скобы 5 противоугона напротив торца рельса (см. опасное сечение A_IB_IC_ID_I на фиг.4) на внешней поверхности противоугона.

Для замера остаточной деформации поверхность противоугона перед испытанием покрывали лаком, а об остаточной деформации судили по наличию сетки трещин на лаковом покрытии. Долговечность противоугона снижается.

Выполнение трапециевидного поперечного сечения с отношением длин оснований более 0,85 не приводит к снижению скорости релаксации монтажных напряжений и уменьшению деформации ползучести на посадочной поверхности противоугона, преимущественно в зоне упругой скобы, прилегающей к торцу рельса и в зоне минимального радиуса упорной петли.

При выполнении противоугона с трапециевидным профилем поперечного сечения, имеющим отношение высоты к большему основанию менее 0,5, долговечность противоугона снижается из-за повышенной скорости релаксации монтажных напряжений и повышенной деформации ползучести практически по всему объему упругой скобы противоугона (это связано со значительным снижением площади поперечного сечения противоугона).

При выполнении трапециевидного поперечного сечения с отношением высоты к большему основанию более 1,4 долговечность противоугона снижается из-за повышенной релаксации монтажных напряжений и деформации ползучести на посадочной поверхности противоугона, образующейся вследствие роста неравномерности распределения напряжений по сечению противоугона (противоугон имеет вытянутое поперечное сечение).

Выполнение противоугона с трапециевидным поперечным сечением, имеющим отношение длин оснований в пределах 0,4-0,85 при отношении высоты сечения к большему основанию в пределах 0,55-1,4, повышает долговечность противоугона на 5-25%

Использование: в конструкциях верхнего строения железнодорожного пути. Сущность изобретения: поперечное сечение противоугона имеет форму трапеции ABCD с большим основанием, расположенным со стороны контакта противоугона с рельсом и противолежащем меньшим основанием. Боковые стороны трапеции наклонены к основаниям под углами α и b. Противоугон закреплен на рельсе и упирается в шпалу. Элементами противоугона, взаимодействующими с рельсом и шпалой, являются упругая скоба, упорная петля и упор. Отношение длин оснований меньшего и большего трапеции равно 0,4 - 0,85, а отношение высоты к большему основанию - 0,55 - 1,4. 4 ил.

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ПРОТИВОУГОН, содержащий упругую скобу с упорной петлей и упором на соответствующих концах, отличающийся тем, что скоба в поперечном сечении выполнена в виде трапеции с отношением длин оснований 0,4 0,85 и отношением высоты к большему основанию 0,55 1,4.