Шпала Российский патент 2018 года по МПК E01B3/32 

Изобретение относится к устройству рельсовых опор и может быть применено в конструкции шпал, в основном железобетонных, применяемых в верхнем строении железнодорожного пути, преимущественно бесстыкового.

Общеизвестна форма шпалы, например, цельнобрусковой железобетонной с предварительно напряженной арматурой, в которой подошва плоская.

Недостатком ее конструкции является появление при эксплуатации трещин на подошве подрельсовой зоны и разрушение рельсовых опор.

Известна также шпала подрельсового основания пути содержащая на подошве в подрельсовой зоне выступ, который расположен непосредственно под подрельсовыми углублениями и конгруэнтно последним. Это техническое решение по изобретению SU 1194938 принимаем за прототип. Его целью является экономия материалов.

В конструкции железнодорожных шпал длина подрельсовой площадки (углубления) составляет 440-480 мм, а параметр ее заглубления в тело рельсовой опоры равен 10-15 мм.

Недостатком конструкции изобретения SU 1194938 является повторение, совпадение, идентичность формы и размеров выступов в подрельсовой зоне на подошве шпалы форме и размерам подрельсовых углублений на верхней поверхности шпалы. Конгруэнтность приводит к недопустимо завышенной длине выступа, то есть размеру вдоль продольной оси рельсовой опоры величиной 400-500 мм, что вызывает попадание подошвы выступа в зону действия рабочих инструментов путевых машин и, следовательно, к ухудшению качества подбивки балласта. Также конгруэнтность приводит к недостаточной толщине (высоте) выступа, которая не превышает 10-15 мм и при такой незначительной величине не способна в достаточной мере усилить реактивное давление грунта и, следовательно, не способна оказать заметного, реального влияния на уменьшение усилий, напряжений в шпале.

Кроме того, известно, что величина подъемки пути при машинной выправке при однократном обжатии уплотненного балласта под шпалами составляет 40-50 мм. Этот параметр значительно превышает толщину выступа по изобретению SU 1194938. Поэтому при подъемке рельсов при ремонте железнодорожного пути большая часть подошвы средней зоны выступа прототипа окажется выше верхнего слоя балласта и потеряет контакт со щебнем. То есть исчезает зона опоры на балласт шпалы в месте приложения максимальной колесной нагрузки. В соответствии со стандартами по контролю годности, качества и приемки изготовленных рельсовых опор прикладываемая испытательная нагрузка для проверки трещиностойкости подошвы в подрельсовой зоне допускается всего 10-12,5 тс. Но при движении состава реальные колесные поездные нагрузки могут возрастать до 20-30 тс. Поэтому при эксплуатации имеет место многократное превышение рабочих колесных нагрузок в подрельсовой зоне по сравнению с испытательными при приемке и определении годности шпал. Следовательно, в потерявшей опору на балласт подрельсовой зоне шпалы прототипа неизбежно появятся трещины и начнется процесс разрушения изделия.

Кроме того, техническое решение по изобретения SU 1194938 не позволяет обеспечить создание реактивного давления грунта в подрельсовой зоне до значительных величин, способных исключить осадку шпал под действием поездной нагрузки и обеспечить стабильность работы балластной призмы в течение длительного периода времени, не допустить просадок рельсовых нитей и продольного профиля железнодорожного пути при движении поездов.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков.

Это цель достигается тем, что выступ на подошве в подрельсовой зоне шпалы имеет в поперечном сечении произвольную форму и выполнен габаритной шириной в диапазоне от 100 до 250 мм, габаритной длиной от 100 до 299 мм и габаритной высотой от 50 до 150 мм.

Основными определяющими параметрами при выборе размеров выступа для конкретного варианта применения являются площадь поперечного сечения, высота, несущая способность балласта и величина колесной нагрузки поезда.

Допускается уменьшение нижних пределов габаритов длины, ширины и высоты выступа в 2 раза.

Возможно устройство продольных пазов в выступе, расположенных вдоль продольной оси шпалы.

Рассмотрим для примера работу предлагаемой конструкции на варианте выступа, имеющего форму параллелепипеда и следующие размеры: ширина 175,5 мм; длина 200 мм; высота 75 мм. Толщину слоя балласта под подошвой предлагаемой шпалы примем 350 мм. Примем, что установка в путь звена с инновационными рельсовыми опорами производится полностью загруженным укладочным краном УК-25/9-18. Нагрузка от колеса этой машины составляет 11,85 тс. Под действием этой силы при наезде укладочным краном на шпалу ее выступ, площадь которого 351 см², утопится в рыхлый щебень на глубину 75 мм.

Балластный слой при этом будет сжат до 3,38 Мпа. Его несущая способность повысится с 7 кг/см² до 33,8 кг/см². Несущая способность подошвы выступа составит 11,85 тс, а шпалы соответственно 23,7 тс. Это почти равно максимальной допускаемой нагрузке от оси подвижного состава на рельсы равной 25 тс и соответствует очень высокой степени стабилизации и качеству уплотнения балластной призмы.

Если, сохранив несущую способность щебня 33,8 кг/см², увеличить площадь выступа до 592 см², то получим рельсовую опору, которая без осадки пути выдерживает максимально возможную поездную нагрузку в 40 тс. То есть железнодорожная колея на таких шпалах теоретически сохраняет первоначальное проектное положение независимо от количества пропущенных поездов. Это исключительно ценное, принципиально новое повышение уровня технических возможностей и качества, которое позволяет сделать вывод о соответствии технических возможностей пути на балластной призме железной дороге на сплошном бетонном основании.

Очевидно, что выступ на предлагаемых рельсовых опорах значительно увеличивает усилие сдвига шпалы в балласте верхнего строения пути. При необходимости возможно повышение этого параметра путем размещения на подошве зубьев, например, из арматурной стали.

Механическая прочность шпалы, имеющей значительное утолщение в подрельсовой зоне, значительно повышается по сравнению с рельсовой опорой стандартной конструкции. Но, главное, благодаря выступу, под его дном образован мощный столб из сжатого почти до предельного состояния щебня, который полностью воспринимает колесную нагрузку проходящего состава. Поэтому изгибающий момент по нижней поверхности рельсовой опоры становится равным нулю и появление трещин в подрельсовой зоне, а также и по верху средней части шпалы в предлагаемом изделии исключается.

Сравнивая показатели железнодорожного пути на обычном балластном основании на шпалах предлагаемой конструкции и железнодорожной колеи на сплошном бетонном основании можно сделать вывод об их тождественности по основным техническим характеристикам. Основное отличие состоит в себестоимости изготовления. Строительство 1 км пути на инновационных шпалах обходится примерно в 62,5 раза дешевле, чем строительство аналогичной длины железной дороги на сплошном бетонном основании. В ценовом эквиваленте экономия составляет примерно 1,2 млрд руб./км.

Шпала содержит на подошве в подрельсовой зоне выступ, который имеет в поперечном сечении произвольную форму и выполнен габаритной шириной в диапазоне от 150 до 250 мм, габаритной длиной от 100 до 299 мм и габаритной высотой от 50 до 150 мм. Обеспечивается повышение несущей способности рельсовой опоры, надежности и долговечности.

Шпала подрельсового основания пути, содержащая на подошве в подрельсовой зоне выступ, отличающаяся тем, что выступ имеет в поперечном сечении произвольную форму и выполнен габаритной шириной в диапазоне от 150 до 250 мм, габаритной длиной от 100 до 299 мм и габаритной высотой от 50 до 150 мм.