КЛЕММА РЕЛЬСОВОГО СКРЕПЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК E01B9/48 

Изобретение относится к строительству железных дорог, в частности верхнего строения железнодорожного пути, и может быть использовано при оснащении рельсовых скреплений бесстыкового пути на бетонных шпалах пружинными стальными клеммами.

Известно рельсовое скрепление с упругой клеммой W-образной формы. Средняя часть клеммы охватывает шейку болта, а свободные концы давят на подошву рельса эти признаки совпадают с существенными признаками изобретения.

Недостатком этого скрепления является то, что оно не обеспечивает необходимую упругость и усилие прижатия рельса к подкладке при изменении положения рельса по высоте в условиях высоких осевых нагрузок на рельс.

Известно рельсовое скрепление с упругой удерживаемой болтом клеммой. Клемма одной частью опирается на подкладку, средняя ее часть охватывает шейку болта, а свободные концы давят на подошву рельса, при этом средняя часть клеммы выступает над подошвой и образует прямое или косвенное ограничение подъема подошвы рельса эти признаки совпадают с существенными признаками изобретения.

Недостатком этого скрепления является ограниченное усилие прижатия рельса к подкладке с необходимой упругостью. При прижатии рельса к подкладке усилием свыше 13 кН упругость клеммы этого скрепления резко уменьшается, что не обеспечивает удовлетворительную работу скрепления в бесстыковом пути, где рабочие усилия затяжки болтов должны составлять 15-20 кН, а упругость клеммы допускать колебания вертикального положения рельса при этих усилиях до 6 мм.

Известно рельсовое скрепление, содержащее подкладку, болт и пружинную клемму W-образной формы. Средняя часть клеммы охватывает шейку болта, причем средняя часть клеммы, обращенная к рельсу, в напряженном состоянии располагается на незначительном расстоянии от подошвы рельса эти признаки совпадают с существенными признаками изобретения.

Недостатком этого скрепления является низкое значение усилия прижима рельса к подкладке (около 13 кН), до которого клемма сохраняет приемлемые упругие свойства с упругостью около 1 мм/кН. При дальнейшей затяжке клеммного болта упругость клеммы резко падает, что не позволяет использовать ее для крепления рельсов в пути с высокими осевыми нагрузками.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является клемма рельсового скрепления, содержащая среднюю часть, закрепляемую гайкой на клеммном болте рельсового скрепления, опорные участки, расположенные по обе стороны средней части клеммы, контактирующие с подошвой рельса свободные концы, обращенные к средней части клеммы и соединенные с опорными элементами через промежуточные участки. Эти признаки совпадают с существенными признаками изобретения. Опорные участки клеммы в положении окончательного монтажа изогнуты с возможностью опирания на подкладку с внешней стороны от ее реборд, которая служит их контропорой.

Недостатком клеммы этого скрепления является низкая стабильность прижатия рельса к подкладке при больших осевых нагрузках на рельс. Характеристика пружинения этой клеммы обеспечивает необходимую упругость только до усилия прижатия 13 кН. При дальнейшей затяжке клеммного болта и повышения усилия прижатия рельса до необходимого значения 20 кН упругость клеммы резко падает, так как возможности дальнейшей деформации элементов клеммы исчерпаны. Это приводит к тому, что при нагружении рельса большим осевым усилием от проходящих составов рельс прогибается на несколько миллиметров и усилие его прижатия к подкладке ослабевает до недопустимой величины менее 10 кН.

Для описанных аналогов и прототипа общей причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является ограничение ресурса упругости клеммы заданной ее формой, обусловленной геометрическими параметрами рельсового скрепления и, прежде всего заданным расстоянием между свободными концами и опорными элементами вблизи средней части клеммы, которое обуславливается шириной реборды подкладки рельсового скрепления.

В основу изобретения поставлена задача создать клемму рельсового скрепления, в которой новая форма выполнения позволила бы обеспечить повышенную упругость при заданной длине клеммы и заданном расстоянии между свободными концами и опорными элементами вблизи средней части клеммы, которое обуславливается шириной реборды подкладки рельсового скрепления, и за счет этого повысить надежность работы рельсового скрепления и стабильность прижатия рельса к подкладке при изменении положения рельса под осевой нагрузкой подвижного состава.

Надежное прижатие рельса к подкладке в бесстыковом пути при возможности изменения положения рельса по высоте до нескольких миллиметров увеличивает продольную устойчивость пути при температурных колебаниях и на тормозных участках пути, устраняя его "выброс" и возможные аварийные ситуации. Кроме того, уменьшаются затраты на подтягивание клеммных болтов в пути.

Постоянство усилия затягивания клеммных болтов обеспечивается за счет того, что в требуемом рабочем диапазоне усилий затяжки 15-20 кН упругие свойства используемой в скреплении пружинной клеммы должны допускать колебания вертикального положения рельса до 6 мм. Упругость клеммы в этом случае должна составлять 6:(20-15)=1,2 мм/кН, что не обеспечивается существующими скреплениями. Причем чем больше величина упругости клеммы, тем больше допускаемое изменение положения рельса по высоте при требуемом усилии его прижатия, тем выше стабильность затяжки клеммных болтов и надежнее будет работать скрепление. Указанная упругость клеммы должна быть обеспечена при таких габаритных размерах клеммы, которые вписывались бы в пространство между подошвой рельса и закладным болтом в существующих шпалах и подкладках и обеспечивали минимальную металлоемкость клеммы.

Изобретение направлено также на предотвращение сползания клеммы по подошве рельса в сторону закладного болта скрепления, так как при значительном сползании клеммы может снизиться усилие затяжки клеммного болта и повысится опасность замыкания рельсовой цепи при касании клеммной закладного болта. При использовании скреплений с прутковыми клеммами стоит также задача устранения износа подошвы рельса в месте нажатия на него концов клеммы, так как место износа может служить концентратором напряжений в рельсе.

Для решения указанной задачи клемма рельсового скрепления, содержит среднюю часть, закрепляемую гайкой на клеммном болте рельсового скрепления, опорные участки, расположенные по обе стороны средней части клеммы, контактирующие с подошвой рельса, свободные концы, обращенные к средней части клеммы и соединенные с опорными участками через промежуточные участки. В отличие от прототипа свободные концы и опорные участки клеммы расположены друг относительно друга на расстоянии, увеличивающемся по мере удаления от средней части клеммы. При этом угол между проекциями продольных осей свободных концов и опорных участков клеммы на плоскость, перпендикулярную плоскостям размещения продольных осей опорных участков, составляет 1-18^о.

В частных случаях выполнения клеммы верхняя поверхность средней части клеммы, взаимодействующая с гайкой клеммного болта, наклонена к плоскости, перпендикулярной плоскостям размещения продольных осей опорных участков клеммы, в сторону этих элементов на угол 2-15^о. На свободных концах клеммы выполнены площадки для контакта с подошвой рельса в положении клеммы после затяжки гайки клеммного болта (окончательный монтаж).

Изложенные признаки изобретения обеспечивают получение технического результата, заключающегося в повышении упругости при заданной длине клеммы и заданном расстоянии между свободными концами и опорными элементами вблизи средней части клеммы, которое обусловлено шириной реборды подкладки рельсового скрепления. За счет этого повышается надежность работы рельсового скрепления и стабильность прижатия рельса к подкладке при колебании положения рельса под осевой нагрузкой подвижного состава.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом состоит в следующем. Расположение свободных концов и опорных участков клеммы друг относительно друга на расстоянии увеличивающемся по мере удаления от средней части клеммы, позволяет выполнить промежуточные участки с клеммы большими по длине, чем расстояния о между концами клеммы и опорными участками вблизи ее средней части. У клеммы прототипа эти расстояния одинаковые по длине свободных концов и составляют величину о. При одинаковых усилиях Р затяжки клеммных болтов в обоих конструкциях клеммы, одинаковых общий длинах l и длинах a свободных концов промежуточные участки клеммы будут скручиваться одинаковыми крутящими моментами Ра. Но угол скручивания промежуточного участка клеммы предлагаемой конструкции, пропорциональный длине скручиваемого участка, будет больше, чем у клеммы прототипа, имеющей меньшую длину о промежуточного участка. Увеличение угла скручивания промежуточных участков приводит к пропорциональному увеличению упругости клеммы и повышению стабильности прижатия рельса к подкладке. Изгибающие моменты на участках сравниваемых клемм остаются практически одинаковыми и не изменяют упругости клеммы. Если у клеммы прототипа при постоянном расстоянии между свободными концами и опорными участками увеличить длину с промежуточного участка для увеличения упругости клеммы, то размер ширины клеммы по оси ее симметрии увеличится настолько, что клемму не удастся разместить в пространстве между подошвой рельса и закладным болтом рельсового скрепления без недопустимого касания опорными участками клеммы закладных болтов. Кроме того, увеличится металлоемкость клеммы из-за увеличения длины средней части клеммы вдоль ее оси симметрии в месте соединения с опорными участками и ухудшатся условия закрепления рельса, так как усилия нажатия свободных концов клеммы будут приложены ближе к оси симметрии рельса.

Для частного случая выполнение верхней поверхности средней части клеммы, взаимодействующей с гайкой клеммного болта, наклонной к плоскости, перпендикулярной плоскостям размещения продольных осей опорных элементов клеммы, в сторону этих элементов на 2-15^о, дает возможность при увеличенных промежуточных скручиваемых участках в результате затяжки клеммного болта и изгиба средней части клеммы с увеличенным прогибом до занятия ею рабочего горизонтального положения создать на верхней поверхности средней части клеммы горизонтальные усилия трения, направленные в сторону рельса и предотвращающие сползание клеммы по поверхности подкладки в сторону закладного болта скрепления. При этом не произойдет снижения усилия затяжки клеммного болта и замыкания рельсовой цепи из-за касания клеммой закладного болта, что еще в большей степени повысит надежность работы рельсового скрепления.

Для частного случая выполнение свободных концов клеммы с площадкой для контакта с подошвой рельса в положении клеммы после затяжки гайки клеммного болта позволяет снизить контактные давления концов клеммы на подошву рельса за счет увеличения площади контакта и устранить местный износ подошвы рельса, который может служить концентратором напряжений в подошве рельса. Кроме того, при этом улучшаются условия передачи усилия прижатия рельса к подкладке при увеличенной упругости клеммы и колебаний положения рельса под осевой нагрузкой состава.

На фиг. 1 изображен, общий вид рельсового скрепления с прутковой пружинной клеммой; на фиг. 2 то же, вид сверху; на фиг. 3 клемма рельсового скрепления; на фиг. 4 разрез А-А на фиг. 3; на фиг. 5 вид слева на клемму на фиг. 4; на фиг. 6 схема нагружения свободного конца и промежуточного участка предлагаемой клеммы; на фиг. 7 схема нагружения свободного конца и промежуточного участка клеммы прототипа; на фиг. 8 характеристика упругости клеммы.

Клемма 1 рельсового скрепления содержит среднюю часть 2 с верхней поверхностью 3, опорные участки 4, свободные концы 5, промежуточные участки 6 и площадки 7 для контакта с подошвой 8 рельса 9.

Средняя часть 2 клеммы 1 выполнена в виде петли и закреплена гайкой 10 на клеммном болте 11 рельсового скрепления. Опорные участки 4 выполнены также в виде петель, расположены по обе стороны средней части 2 клеммы и опираются на подкладку 12. Свободные концы 5, длиной а, контактирующие с подошвой 8 рельса 9, обращены к средней части 2 клеммы и соединены с опорными участками 4 через промежуточные участки 6 длиной с. Клеммный болт 11 своей головкой 13 входит в паз 14 реборды 15 подкладки 12. Свободные концы 5 и опорные участки 4 клеммы расположены друг от друга на расстоянии, увеличивающемся по их длине а по мере удаления от средней части 2 клеммы от величины о до величины с. При этом угол α между проекциями 16 и 17 продольных осей 18 и 19 соответственно свободных концов 5 и опорных участков 4 клеммы на плоскость 20, перпендикулярную плоскостям 21 размещения продольных осей 18 опорных участков 4, составляет 1-18^о. Возможны три варианта выполнения клеммы. Первый когда проекции 16 и 17 продольных осей 18 и 19 опорных участков 4 и свободных концов 5 наклонены к боковым поверхностям 22 реборды 15 подкладки 12, тогда длина скручиваемых промежуточных элементов
с=d+o=d+ δ₁+δ₂, где δ- приращение длины промежуточного участка 6 за счет наклона свободных концов 5 клеммы;
δ₁ приращение длины промежуточного участка 6 за счет наклона опорных участков 4 клеммы;
δ₂ суммарное приращение длины промежуточного участка 6.

Второй вариант когда наклонены только проекции 16 продольных осей 18 свободных концов 5 клеммы, а плоскости 21 параллельны боковым поверхностям 22 реборды 15.

Третий вариант когда к боковым поверхностям 22 реборды 15 наклонены только проекции 17 продольных осей 19 опорных участков 4 клеммы.

Верхняя поверхность 3 средней части 2 клеммы, которая взаимодействует с гайкой 10 клеммного болта 11, в исходном положении перед затяжкой гайки 10 при контакте свободных концов 5 клеммы с подошвой 8 рельса 9 наклонена к плоскости 20, перпендикулярной плоскостям 21 размещения продольных осей 19 опорных участков 4, в сторону этих элементов на угол β равный 2-15^о. Средняя часть 2 клеммы отстоит от опорной поверхности 23 опорных участков 4 клеммы на расстоянии b, большем, чем высота реборды 15 подкладки 12, что позволяет использовать упругие свойства средней части 2 клеммы при затяжке гайки 10 клеммного болта 11. На свободных концах 5 клеммы выполнены площадки 7 для контакта с подошвой 8 рельса 9 в положении клеммы после затяжки гайки 10. Площадка 7 сужается по мере удаления от торца 24 свободного конца 5 клеммы из-за наклона свободных концов к подошве 8 рельса 9.

При монтировании скрепления с клеммой из прутка диаметром 13 мм и общей длиной l, равной 168 мм, гайка 10 клеммного болта 11 завинчивается с нормативным крутящим моментом 120 Нм, что соответствует усилию прижатия рельса 9 к подкладке 12 около 20 кН. После затяжки гайки 10 край 25 средней части 2 клеммы отстоит от подошвы 8 рельса 9 на расстоянии 0-2 мм. Участки 2-6 клеммы при затяжке гайки 10 изгибаются и скручиваются, а верхняя поверхность 3 средней части 2 клеммы после затяжки гайки занимает горизонтальное положение.

Например, у клеммы с расстоянием d между свободными концами и опорными участками, равным 29 мм, при выполнении угла наклона проекций продольных осей свободных концов и опорных участков, равным 6^о, длина промежуточного скручиваемого участка клеммы увеличится с 29 до 34,8 мм, т.е. на 20%
Величина угла скручивания прямо пропорциональна длине скручиваемого участка и определяется по зависимости
Q где М_кр крутящий момент;
G модуль упругости при сдвиге (для стали 8 х 10⁴ Мн/м²);
I_ρ полярный момент инерции сечения (для круглого сечения 0,1 D⁴);
С длина скручиваемого участка.

По сравнению с клеммой, у которой расстояние между свободными концами и опорными участками постоянное и равно 29 мм, у предлагаемой клеммы при одинаковом усилии нажатия на концы клеммы на 20% увеличивается угол скручивания более длинных промежуточных участков и величина прогиба средней части относительно свободных концов клеммы. Упругость клеммы увеличится на 20% что приведет к поддержанию усилия прижатия рельса к подкладке в пределах 15-20 кН при изменении вертикального положения рельса до 6 мм (фиг. 8). Например, при угле наклона верхней поверхности средней части клеммы 8^о для изгиба поверхности до горизонтального положения по расчетным зависимостям, связывающим усилие нагружения и углы поворота элементов при упругом изгибе и кручении пространственной балки диаметром 13 мм, моделирующей форму клеммы, потребуется усилие затяжки клеммного болта около 15 кН. Горизонтальное усилие трения при этом составит 2,3 кН и уравновесит горизонтальную составляющую от усилий прижатия свободных концов этой клеммы к наклонной поверхности подошвы рельса.

Выбор граничных значений углов между проекциями продольных осей свободных концов и опорных участков клеммы на плоскость, перпендикулярную плоскостям размещения продольных осей опорных элементов в пределах 1-18^о, обусловлен тем, что в этом интервале обеспечивается необходимое увеличение длины промежуточных скручиваемых участков клеммы, а следовательно, увеличение упругости клеммы и повышение стабильности прижатия рельса к подкладке.

Если угол наклона между проекциями продольных осей свободных концов и опорных участков клеммы будет меньшим 1^о, то увеличение длины промежуточных скручиваемых участков будет столь незначительным, что не приведет к эффективному увеличению упругости клеммы и повышению стабильности прижатия рельса к подкладке.

Если угол наклона между проекциями продольных осей свободных концов и опорных участков клеммы будет большим 18^о, то увеличение длины промежуточных скручиваемых участков будет настолько большим и упругость клеммы настолько значительной, что на величине хода затяжки клеммного болта усилие его затяжки не достигнет требуемого значения 20 кН, необходимого для прижатия рельса к подкладке.

Выбор граничных значений углов наклона верхней поверхности средней части клеммы в пределах 2-15^о обусловлен тем, что в этом интервале на указанной поверхности после затяжки гайки клеммного болта обеспечивается необходимое горизонтальное усилие трения, предотвращающее сползание клеммы в сторону закладного болта при увеличенном прогибе средней части клеммы благодаря повышенной упругости клеммы.

Если верхняя поверхность средней части клеммы перед затяжкой гайки клеммного болта будет наклонена в сторону опорных участков клеммы на угол, меньший 2^о, то усилие затяжки гайки, необходимое для выравнивания в рабочее горизонтальное положение верхней поверхности средней части клеммы, окажется недостаточным для создания горизонтальных усилий трения, предотвращающих сползание клеммы в сторону закладного болта.

Если верхняя поверхность средней части клеммы перед затяжкой гайки клеммного болта будет наклонена в сторону опорных участков клеммы под углом, большим 15^о, то усилие затяжки гайки, развиваемое при выравнивании в рабочее горизонтальное положение верхней поверхности средней части клеммы, превысит допустимое значение усилия нагружения клеммы 20 кН, что недопустимо по условиям работы скрепления.

В процессе работы клемма рельсового скрепления находится в напряженном состоянии и обеспечивает постоянное прижатие рельса к подкладке усилием около 20 кН, а возникающие при этом на площадках 7 в местах контакта свободных концов 5 с подошвой 8 рельса 9 усилия трения компенсируют продольные усилия в рельсе от температурных колебаний рельсовой плети в бесстыковом пути. При прохождении по рельсам состава эластичная прокладка 26 под рельсом 9 сжимается, рельс опускается и усилие затяжки клеммного болта 11 ослабевает. Происходит разгрузка изогнутых и скрученных участков 2, 4, 5 и 6 клеммы, но благодаря увеличению по длине промежуточных скрученных участков 6 обеспечивается необходимая упругость клеммы около 1,2 мм/кН. При осевых нагрузках на рельс до 270 кН и изменению вертикального положения рельса 9 к подкладке 6 клеммой новой конструкции по данным стендовых испытаний не снижается менее 15 кН, что гарантирует стабильную работу и надежность рельсового скрепления и бесстыкового пути. Упругое пружинение средней части 2 клеммы и наличие на ее поверхности 3 усилий трения предотвращает сползание клеммы к закладному болту 27 и снижение усилия прижатия рельса 9 к подкладке 12. Контактные давления на площадке 7 контакта свободных концов 5 с подошвой 8 рельса 9 составляют около 500 н/мм² и не превышают допустимых контактных давлений для отсутствия износа подошвы 8 в месте контакта.

Таким образом, обеспечивается повышение упругости клеммы рельсового скрепления при заданной длине и заданном расстоянии между свободными концами и опорными участками вблизи средней части клеммы, что позволит повысить надежность работы рельсового скрепления и стабильность прижатия рельса к подкладке при изменении положения рельса под осевой нагрузкой подвижного состава.

Использование: в рельсовых скреплениях бесстыкового пути на бетонных шпалах. Сущность изобретения: клемма рельсового скрепления содержит среднюю часть, опорные участки, свободные концы и промежуточные участки. Свободные концы и опорные участки клеммы расположены относительно друг друга на расстоянии, увеличивающемся по мере удаления от средней части, при этом угол между проекциями продольных осей свободных концов и опорных участков клеммы на плоскость, перпендикулярную плоскостям размещения продольных осей опорных участков, составляет 1 - 18°. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. КЛЕММА РЕЛЬСОВОГО СКРЕПЛЕНИЯ, содержащая среднюю часть, закрепляемую гайкой на клеммном болте рельсового скрепления, опорные участки, расположенные по обе стороны от указанной средней части, и контактирующие с подошвой рельса свободные концы, обращенные к средней части клеммы и соединенные с опорными участками через промежуточные участки, отличающаяся тем, что свободные концы и опорные участки клеммы расположены друг относительно друга на расстоянии, увеличивающемся по мере удаления от средней части клеммы, при этом угол между проекциями продольных осей свободных концов и опорных участков клеммы на плоскость, перпендикулярную плоскостям размещения продольных осей опорных участков, составляет 1 18^o. 2. Клемма по п. 1, отличающаяся тем, что верхняя поверхность средней части клеммы, взаимодействующая с гайкой клеммного болта, наклонена к указанной плоскости, перпендикулярной плоскостям размещения продольных осей опорных участков клеммы, в сторону последних на угол 2 15^o. 3. Клемма по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что на свободных концах клеммы выполнены площадки для контакта с подошвой рельса в положении окончательного монтажа клеммы.