ШПАЛЫ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ИЗ КЕРАМИКИ, АРМИРОВАННОЙ ВОЛОКНОМ Российский патент 2018 года по МПК E01B3/30 E01B3/32 E01B3/36 E01B3/46 

Настоящее изобретение относится к разработке железнодорожных шпал, которые необходимы для поддержания и укладки путей, например рельсовых путей, и их крепления и анкеровки к земляному полотну.

Такие шпалы обычно располагаются на гравийном основании и устанавливаются на расстоянии 2/3 метра. Со все большей очевидностью обычно применяемые компоненты, относительно просто изготавливаемые из древесины, необходимо заменять на изготовленные из искусственных материалов ввиду того, что из-за климатических факторов качество древесины падает и ее массовое применение в строительстве становится сомнительным.

Более современные решения используют бетон, предварительно напряженный конструктивными средствами - например, рифленой стальной арматурой, которую отливают в бетон или устанавливают в пластичный бетон и закрепляют при помощи гаек на концах после отвердевания бетона так, чтобы с помощью зафиксированного предварительного натяжения поддерживалась стабильная прочность бетона при растяжении. Подстройка осуществляется при помощи крутящего момента при затягивании гаек. Недостатком такой техники является то, что рифленая стальная арматура ржавеет или, будучи изготовленной из нержавеющей стали, изнашивается или утрачивает предварительное напряжение спустя какое-то время. Бетон может стать хрупким и разломаться, намокать и замерзать, а изменения параметров бетона со временем довершает и все остальное, оказывая негативное влияние на надежность. В бетонных шпалах трещины и микротрещины уже запланированы во время определения размеров, т.к. невозможно избежать их появления в предварительно напряженном бетоне - как минимум на одной напряженной стороне. Во время проведения испытаний на нагрузки микротрещины - допустимы. В случае деревянных шпал микротрещин нет, но они подвержены влиянию погодных условий.

Целью настоящего изобретения является создание шпалы, для производства которой не тратилась бы древесина, которая была бы более надежной из-за отсутствия недостатков, обусловленных растрескиванием, свойственным бетонным шпалам, и причем производство которой приводило бы к существенно меньшей выработке СО₂ по сравнению с таковым для железобетонных шпал. В настоящее время производство стали и бетона энергоемкое и сопровождается значительной выработкой СО₂.

Далее целью является создание универсальной новой концепции, пригодной к использованию по всему миру в различных климатических условиях, нечувствительной к минимальным и максимальным температурам и таким воздействиям, как влажность, погодные условия, то есть вода, мороз и химический состав атмосферы, а используемые материалы не повреждаются ни коим образом, поэтому результатом могут стать рациональные и долгосрочные решения, которые остаются стабильными в течение нескольких поколений, и могут быть созданы с помощью использования местных ресурсов практически везде. Главную роль также играют вес, прочность, простота обработки и, наконец, тип поверхности, не только из-за вопросов очистки, но также из-за того, что цвет и визуальное впечатление являются основой решения о пригодности решения, а также адаптации ко всем ситуациям, как в природный условиях, так и в более закрытых пространствах, как, например, железнодорожные станции или открытые платформы.

Суть идеи заключается в том, чтобы сформировать многослойную структуру из разных материалов, которая бы сразу решала все проблемы, обозначенные выше. Целью является оптимизация стойкой, стабильной несущей способности и коэффициентов сопротивления, гашения колебаний, простоты обработки в условиях соединения с рельсами, долговременного отсутствия трещинообразования в самих составляющих частях, а также прочность поверхности и возможность интеграции дополнительных функций.

Например, такие функции могут включать подачу электроэнергии на рельсы при помощи использования солнечных батарей, нагревания воды от горячих камней и других, связанных с энергетикой технологиях. Предыдущие решения в основном учитывали только показатели прочности. Также целью является снижение потребления энергии, затрачиваемой при производстве. Предложенный способ предназначен для создания новой платформы для дальнейшей разработки вышеописанных шпал. Производство таких шпал из гранита требует меньше энергии, чем производство бетонных шпал. Далее, если необходимо учитывать энергию на производство стабилизирующих материалов, сталь должна быть заменена на волоконный материал. В будущем, предпочтительно может использоваться углеродное волокно, а необходимая матрица может быть получена с помощью современных связующих систем при использовании возобновляемого сырья на основании растений и СО₂ из атмосферы. Вредный СО₂ может постоянно извлекаться из атмосферы, а также использоваться в самом строительном материале.

Соответственно настоящее изобретение описывает многослойную конструкцию из нескольких слоев природного камня или искусственного керамического материала, как, например, бетон или керамика, которые с помощью прокладки волоконного материала и соединительной матрицы соединены, например, с помощью эпоксидной смолы или другого клейкого вещества. В большинстве случаев будет удобно сделать такой композитный материал, содержащий камень и содержащее волокна связующее, так, чтобы волокнистые слои и слои камня были уже предварительно напряженными для того, чтобы не нужно было выполнять предварительное напряжение с рифленой или стальной арматурой, что может занимать много времени. Предпочтительно для этого следует предпочесть такой тип волокна, который не теряет своего предварительного напряжения. Наиболее пригодным являются углеродные волокна и минеральные волокна, как описано в ЕР 1062092. В принципе, могут использоваться все возможные типы природного камня.

Верхние покрытия предпочтительно создаются из слоя камня для нивелирования погодных воздействий. В идеале, шпалы должны иметь три слоя, по механическим причинам центральный слой может быть значительно толще, чем слои, которые образуют верхнюю и нижнюю укрывные поверхности. На сегодняшний день в качестве связующего для волокна и камня подходят эпоксидные смолы, особенно если пористость камня пригодна для проникновения смолы.

Сверху такой плиты просверливаются сложные отверстия, при этом штифты крепления могут быть прикручены с помощью шпонок, при этом опорная плита рельсы, так называемая ребристая плита, является общей опорной плитой, которая позволяет прикручивать прилегающие рельсы к опоре.

Так как отделанные каменные шпалы автоматически подвергаются напряжению содержащей волокно матрицей во время процесса производства в печи, они могут выдерживать динамическое сжатие и усилия натяжения после затвердевания, максимально используя хорошие характеристики самозатухания, например гранита, для быстрого сокращения естественных колебаний в системе. Гранит, который на самом деле весит не больше, чем алюминий, становится высокотехнологичным материалом, используя волокно, и обладает силой сжатия, которая может быть сравнена с силой сжатия стали, а недостающая, но необходимая стабильность прочности задается материалу с помощью предварительного натяжения с использованием тонких слоев углеродистого волокна. Гранит широко распространен по всей планете и доступен практически в каждой стране. Так как в будущем будет возможность производить углеродные волокна из СО₂ атмосферы, возможно не только разработать материалы, которые требуют меньшего количества энергии для производства, но также будет возможно связывать - как раньше в случае с деревом - вредный атмосферный углерод, который был идентифицирован климатическими исследованиями, как причина большинства климатических изменений на земле.

Так как гранит и другие каменные породы являются морозоустойчивыми, но легко впитывают воду, они являются стабильными даже при чрезвычайно низких отрицательных температурах. Не существует более надежного материала, чем гранит или базальт. При отсутствии достаточного количества гранита в качестве временного решения могут быть изготовлены и предварительно напряжены с помощью волокна бетонные плиты, или волокна могут быть вмешаны в бетон.

Дополнительно, шпалы должны иметь возможность генерации электроэнергии с помощь фотоэлектрических солнечных панелей. Такое электричество может быть напрямую подано на электросеть через рельсы.

Для этого на поверхности камня располагают солнечные (фотоэлектрические) панели, непосредственно или с помощью рамы. В целом, сегодня доступны тонкопленочные модули, которые являются более экономичными, чем старые аналоги; такие модели могут быть частично приклеены напрямую на каменную поверхность и/или зафиксированы с помощью соответствующего каркаса в зонах между шпалами.

Сам рельс может выполнять функцию линии электропередач, где солнечные панели соединены рельсами напрямую с положительными и отрицательными полюсами.

Также могут использоваться полые или секционные шпалы, что позволит уменьшить вес конструкции или обеспечить возможность прокладывания кабелей, в частности электрокабелей или кабелей связи.

Один из многочисленных вариантов изобретения представлен на Рис. 1 - это вид сбоку гранитной плиты (1) толщиной 15 см, которая имеет волокнистое покрытие с матрицей (2) на верхней (3) и нижней (4) покрывающих плитах. Механический мост в виде пластиковой ребристой плиты (7) прикручивается к плите из каменной смеси (1-4) с помощью винта монтажного штифта (5). Изоляционная ребристая плита (7) поддерживает рельс (8), позволяя зафиксировать его с помощью скоб (6), которые удерживаются крепежными штифтами (5) и удерживают рельсу по направлению вниз с предварительным напряжением. Сама шпала располагается в гравийном основании (9).

На Рис. 2 показана конструкция, представленная на Рис. 1, в сечении F-F. Гранитная плита (1) толщиной примерно 15 см соединена посредством содержащей волокно матрицы (2) с верхней (3) и нижней (4) покрывающими плитами, механический мост в форме пластиковой ребристой плиты (7) соединен с композитной каменной плитой (1-4) с помощью винта монтажного штифта (5) и пластиковых штифтов (6). Изоляционная ребристая плита (7) служит опорой для рельса (8), позволяя зафиксировать его с помощью зажимов (9) крепежных штифтов (5) и удерживают рельс по направлению вниз с предварительным напряжением.

Тонкопленочная фотоэлектрическая солнечная панель (10) устанавливается на отполированную поверхность верхней каменной покрывающей плиты с помощью рамы (11), которая также, при необходимости, может иметь вентиляцию с тыловой части.

Предварительно, такие шпалы также могут быть изготовлен из бетона, если соответствующий каменный материал не был обнаружен или добыт. В этом случае, в идеале волокно может быть вмешано в бетон.

На Рис. 3 представлен вариант конструкции с Рис. 1 в сечении F-F, когда шпала (1) выполнена частично полой с образованием внутренней полости (12).

На Рис. 4 показана конструкция с Рис. 1 в варианте, когда шпала выполнена полой, а на Рис. 5 показано сечение F-F указанной конструкции, где открытый конец полой конструкции наполнен гравием (9).

Данное изобретение описывает новый тип железнодорожных шпал, которые изготавливаются из керамики, стабилизированной волокном. Используя разнообразные каменные плиты с волоконными слоями, которые соединены друг с другом так, чтобы в каменном материале создавалось предварительное напряжение, достигается создание долговечных высокопроизводительных шпал, которые изготавливаются с помощью таких природных материалов, как гранит или базальт, которые встречаются практически везде на земле в неограниченном количестве, и имеет значительно более долгий срок службы, а также более устойчивы к воздействиям погодных условий и окружающей среды в сравнении с предыдущими решениями. Материал может быть изготовлен со значительно более меньшим потреблением энергии, чем существующие на сегодняшний день системы. В результате снижаются выбросы СО₂. 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Композитная конструкция для применения при устройстве железнодорожных путей, включающая плоский или искривленный керамический брус, отличающаяся тем, что указанный керамический брус стабилизируется с целью предотвращения растрескивания посредством волокон на верхней и нижней стороне бруса или покрывается не менее чем одной плитой в качестве покрывающих слоев с прослойкой из волокна, и композитная конструкция выполнена с возможностью применения в качестве шпалы железнодорожного пути,

при этом слой волокна внутри остается предварительно напряженным.

2. Конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что керамический брус с обеих сторон покрыт керамическими плитами с прослойкой из содержащей волокно матрицы.

3. Конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве стабилизирующего волокна применяется стекловолокно, углеродное волокно, минеральное волокно, арамидное волокно, натуральное волокно, причем в качестве натурального волокна используется лен, пенька, кукуруза, хлопок, дерево, бамбук или карбонизированное растительное волокно, стальное волокно или их смеси, причем указанное стабилизирующее волокно приклеивается на керамический материал.

4. Конструкция пп. 1, 2 или 3, отличающаяся тем, что матрица связующего вещества, в частности эпоксидной смолы, термопластичной смолы, синтетической смолы, производится из возобновляемых растительных материалов, в частности морских водорослей.

5. Конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что каменный слой выполняют из натурального или искусственного камня, такого, как гранит, мрамор, базальт, песчаник, сланец, склеенный смолой кварц, каменная пыль или керамика.

6. Конструкция по пп. 1, 2 или 3, отличающаяся тем, что содержащая волокно матрица каменной плиты, стабилизированной волокном, содержит различные типы волокон в разных слоях.

7. Конструкция по пп. 1, 2 или 3, отличающаяся тем, что коэффициент расширения содержащей волокно матрицы меньше коэффициента расширения камня, который должен быть стабилизирован.

8. Конструкция по п. 2, отличающаяся тем, что видимая сторона поверхности каменной плиты отполирована или зачищена для гарантии различного поведения поглощения воды или различной оптики на различных уровнях пористости.

9. Конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что поверхность плиты или пространство между двумя шпалами или и то, и другое заняты фотоэлектрической солнечной панелью.

10. Конструкция по п. 9, отличающаяся тем, что фотоэлектрический слой имеет раму, с помощью которой фотоэлектрическая панель может быть заменена для проведения ремонтных работ.

11. Конструкция по п. 9, отличающаяся тем, что фотоэлектрическая солнечная панель прочно приклеена к поверхности верхней керамической плиты и не может быть снята без повреждений.

12. Конструкция по п. 1 или 2, отличающаяся тем, снабжена теплообменником, располагающимся под верхним слоем волокна.

13. Конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что поверх шпалы установлена труба водяного орошения, предназначенная для обеспечения охлаждения посредством испарения в случае, когда предпочтительно темные или черные каменные поверхности нагреваются на солнце.

14. Конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что ребристая плита прикреплена между рельсом и шпалой с целью обеспечений электрической изоляции рельсов от шпал.

15. Конструкция по п. 9, отличающаяся тем, что фотоэлектрические модули гальванически соединены с двумя железнодорожными линиями как положительным и отрицательным полюсами, по которым может проходить ток.

16. Конструкция по пп. 1, 2 или 3, отличающаяся тем, что шпала выполнена полой внутри и образует трубу или выполнена полой частично, или имеет закрытую или частично закрытую полость, причем указанная полость полностью или частично заполнена материалом балластного слоя дорожного полотна.