Способ уплотнения балласта железнодорожного пути Российский патент 2018 года по МПК E01B27/13 

Изобретение относится к области путевых работ и может быть использовано при строительстве, содержании и ремонте железнодорожных путей.

Известен способ уплотнения балласта, который называют горизонтальным виброобжатием. Способ осуществляют при помощи шпалоподбивочной машины, которую перемещают в зону над обрабатываемой шпалой, опускают вибрирующие подбойки в балласт на заданную глубину и сжимают их. Затем осуществляют разжим подбоек и их подъем в исходное положение. После этого шпалоподбивочную машину перемещают для следующей подбивки (см. под ред. Сырейщикова Ю.П. Новые путевые машины. М., «Транспорт» 1984, с. 63-65). Недостатком данного способа является малый объем балласта, подаваемый на уплотнение балластной призмы, что приводит к недостаточной степени уплотнения балласта и устойчивости железнодорожного пути.

Наиболее близким по технической сущности, достигаемому результату и выбранным в качестве прототипа является способ уплотнения балласта при помощи шпалоподбивочной машины, включающий операции по перемещению подбоек в зону над обрабатываемой шпалой, опусканию вибрирующих подбоек в балласт на заданную глубину, сжиму подбоек, разжиму подбоек и их подъему в исходное положение. Разжим подбоек производят по достижению своего конечного значения одним из параметров - времени сжима или величины перемещения подбоек. После сжима подбоек уплотнение балласта может быть произведено путем вибрации подбоек без их перемещения или после сжима подбоек в течение определенного времени может быть проведено уплотнение балласта путем вибрации подбоек и дополнительного перемещения их к шпале. Причем при уплотнении балласта амплитуда и скорость перемещения подбоек может быть уменьшена (см. п. РФ №2304654 по кл. Е01В 27/16, Е01В 27/12 заявл. 20.03.2006, опубл. 20.08.2007 «Способ подбивки шпал железнодорожного пути»). Недостатком данного способа также является малый объем балласта, подаваемого на уплотнение балластной призмы. Обработка балласта идет в слое всего 100-150 мм ниже нижней постели шпал, т.е. в пределах геометрических размеров лопатки подбойки. Степень уплотнения при такой подбивке в зависимости от величины подъемки рельсошпальной решетки составляет не более 2-4% вместо требуемых 21-22% (см. под ред. Сырейщикова Ю.П. Новые путевые машины., М., «Транспорт» 1984, с. 17, 22). Кроме того, наблюдается высокая неравномерность уплотнения - подбивка и уплотнение под шпалами при одновременном разуплотнении в межшпальном пространстве. Все это приводит к ускоренному изменению структуры балласта и, соответственно, нарушению нормативной геометрии железнодорожного пути под воздействием нагрузки от поездов.

Задачей настоящего изобретения является удлинение периода в течение, которого сохраняются стабилизированное состояние балласта и нормативная геометрия железнодорожного пути.

Техническим результатом, получаемым при осуществлении данного изобретения, является повышение степени и равномерности уплотнения балласта за счет увеличение объема балластного материала, подаваемого на уплотнение балластной призмы.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе уплотнения балласта железнодорожного пути посредством опускания вибрирующей подбойки в балласт на заданную глубину, осуществления цикла по сжиму/разжиму подбойки и подъема подбойки в исходное положение, согласно изобретению, после выполнения первого цикла по сжиму/разжиму подбойки проводят, по меньшей мере, один дополнительный цикл по сжиму/разжиму подбойки перед ее подъемом в исходное положение.

Дополнительные циклы сжима/разжима подбойки могут быть осуществлены до опускания верхней поверхности балласта в межшпальном ящике до уровня нижней постели шпал.

На каждые 10 мм подъемки пути может быть проведено не менее одного повторного дополнительного цикла по сжиму/разжиму подбойки.

В качестве подбойки может быть использована подбойка двухстороннего действия.

В качестве подбойки может быть использована подбойка с коэффициентом обтекаемости К≥1, который определяют из соотношения

К=V_практ./V_теор., где

V_практ. - определяемый опытным путем объем щебня, перемещаемого при однократном ходе подбойки, осуществляющей движение сжима;

V_теор. - объем щебня, который теоретически может переместить лопатка подбойки при однократном сжиме, который рассчитывают по формуле , где

S - площадь лопатки;

- длина хода лопатки при осуществлении сжима.

В качестве подбойки может быть использована подбойка с объемом заглубляемой части V_{заглуб.}≤0,5V_практ.

После каждого сжима и/или разжима подбоек до начала их разжима и/или сжима может быть осуществлена вибрация подбоек без их перемещения в течение не менее 0,1 сек.

В качестве подбойки может быть использована подбойка с клиновой нижней кромкой, угол между гранями которой составляет 90±20°, причем подъем подбойки может быть осуществлен со скоростью W≤5,5 f⋅А, где

f - частота колебаний подбойки в Гц;

А - амплитуда колебаний подбойки в мм.

Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемый способ неизвестен и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям новизна и изобретательский уровень.

Способ может быть осуществлен на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, т.к. для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, и широко использован при уплотнении балласта рельсового пути, т.е. является промышленно применимым.

Принимая во внимание, что процессы, происходящие в балластном слое при силовом воздействии на него относятся к многофакторным и должны учитывать параметры балластного слоя, путевой решетки, рабочих органов машин, случайное распределение локальных неровностей и разуплотнений и многое др., очевидно, что уплотнение балласта с достижением длительной стабилизации балластной призмы является сложной задачей. Известно, что под воздействием вибрации балластный материал (щебень) приобретает свойства вязкой жидкости, в которой внутреннее трение между частицами балласта приближается к нулю. В этих условиях вибрирующая лопатка подбойки, погруженная в балласт и неоднократно в нем перемещающаяся, начинает функционировать подобно лопасти гидравлического насоса, и передает одинаковое давление во всех направлениях. Под воздействием давления от перемещающейся вибрирующей лопатки балластный материал самостоятельно устремляется в недоуплотненные зоны балластной призмы в соответствие с законом Паскаля. Вибрирующие частицы балласта затекают как под нижнюю постель шпалы, так и в направлении вдоль шпалы и вдоль рельсового пути, выравнивая плотность балласта в балластной призме по значительному объему материала и приближая плотность балласта к предельной. При такой плотности концентрация частиц балласта в единице объема достигает практически максимума, сами частицы балласта «плотно упакованы» относительно друг друга наиболее благоприятным образом, при котором связи между ними становятся устойчивыми, а полученная текстура уплотнения длительно сохраняется. При этом то, что циклы сжима-разжима подбоек проводятся без подъема подбойки из балласта, т.е. на одно погружение подбойки приходится несколько циклов сжима-разжима, позволяет снизить дробление балластного материала в момент ударного внедрения подбойки в слой балласта. Сохранение исходного фракционного состава щебня позволяет обеспечить устойчивые контакты между частицами балласта и за счет этого сохранить на более длительный срок полученную текстуру уплотненного балласта. При этом также снижаются затраты времени на цикл подбивки, что увеличивает производительность выправочно-подбивочных работ.

Использование подбойки двухстороннего действия, т.е. подбойки, геометрия лопатки которой позволяет подавать балласт при сжиме подбойки под одну шпалу, а при разжиме - под смежную шпалу, позволяет интенсифицировать процесс уплотнения балласта.

Использование подбойки с коэффициентом обтекаемости не меньше единицы, позволяет ограничить возможность эксплуатации подбоек с изношенными лопатками. Традиционная подбойка характеризуется в среднем равномерным износом рабочей площади лопатки в процессе эксплуатации, т.е. чем дольше эксплуатируется лопатка, тем меньший объем балласта она подает и, следовательно, объем ядра уплотненного балласта, образующегося при этом, также уменьшается. Это приводит к тому, что подбойка с такой изношенной лопаткой не столько уплотняет балласт под шпалой, сколько разрыхляет и дробит его в межшпальном пространстве, что отрицательно сказывается на степени и равномерности уплотнения балласта. Поэтому для длительного сохранения балласта в стабилизированном состоянии целесообразно использовать подбойки, которые при снижении их коэффициента обтекаемости менее единицы изымаются из эксплуатации. Их либо отбраковывают в результате, например визуального осмотра и обмера, либо конструктивно изготавливают так, что они сохраняют в течение большей части своего ресурса (75-85%) практически неизменной рабочую площадь лопатки, а после этого быстро разрушаются и становятся непригодными.

При выходе тела подбойки из балласта происходит разуплотнение межшпальной зоны на объем этого тела. Для устранения этого недостатка можно уменьшить объем этого тела, можно ограничить скорость подъема подбойки, а лучше совместить эти приемы. Использование подбойки, объем заглубляемой части которой составляет не более половины объема, перемещаемого лопаткой подбойки при сжиме за один ход, позволяет снизить образование разуплотнений в межшпальном ящике после подъема из него подбойки до приемлемого уровня. Ограничение по величине скорости подъема подбойки с клиновой нижней кромкой позволяет обеспечить отскок частиц балласта от этой клиновой кромки вбок и вниз, что дает возможность качественно заполнить полость от извлеченной из балласта подбойки в межшпальном ящике. Задержка на время, составляющее не менее 0,1 сек. после сжима и/или разжима подбойки, дает время частицам щебня осесть, занять наиболее устойчивое положение относительно друг друга, т.е. достичь балласту требуемой текстуры.

Таким образом, заявляемый способ за счет увеличение объема балластного материала, подаваемого на уплотнение балластной призмы, позволяет обеспечить повышение степени и равномерности уплотнения балласта, что удлиняет период, в течение которого сохраняется стабилизированное состояние балласта и нормативная геометрия железнодорожного пути.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.

Подбивочный блок шпалоподбивочной машины устанавливают над обрабатываемой шпалой. В зависимости от состояния балласта на обрабатываемом участке железнодорожного пути (слежавшийся или свежеотсыпанный), толщины подсыпки и пр. факторов опытным путем устанавливают количество циклов по сжиму/разжиму подбоек, которое необходимо провести на данном участке пути. При этом на каждые 10 мм подъемки пути к количеству циклов сжима/разжима, установленного в зависимости от вышеуказанных факторов добавляют не менее одного повторного дополнительного цикла по сжиму/разжиму. Производят опускание вибрирующих подбоек в балласт на заданную глубину и осуществляют заданное количество циклов по сжиму/разжиму вибрирующих подбоек. Затем производят подъем вибрирующих подбоек в исходное положение. После чего шпалоподбивочная машина перемещается к следующей шпале. В качестве подбойки с коэффициентом обтекаемости К≥1 может быть использована, например, подбойка серии ЗПБУ.00.00.300 производства ООО НПП «Инжиниринг-Сервис» г. Челябинск. Такая подбойка имеет армирование твердосплавными элементами нижней кромки лопатки, что позволяет предотвратить ее износ в течение 75-85% от ресурса инструмента. Наличие специальной клиновой нижней кромки лопатки обеспечивает возможность вертикального уплотнения балласта в межшпальной зоне. Лопатки подбойки имеет боковые выступы над рабочей плоскостью лопатки, т.е. имеет форму «совковой лопаты с отгибными кромками». При этом объем заглубляемой части этой подбойки составляет V_{заглуб.} ~ 0,4 дм³, а объем щебня, перемещаемого при однократном ходе подбойки, Составляет V_практ. ~ 0,9 дм³, Т.е выполняется условие V_{заглуб.} ≤ 0,5V_практ. Контрольные испытания показали, что при традиционном способе подбивки (горизонтальном виброобжатии) стабилизация уровня балласта в межшпальном пространстве достигается в 2-3 раза медленнее в сравнении с заявляемым способом. При этом уровень балласта при заявляемом способе устанавливается на более низком уровне, что говорит о более высоком качестве уплотнения балласта. Данные изменения в состоянии балласта наблюдаются визуально и могут быть определены численно посредством простейшего замера линейкой уровня балласта в межшпальном пространстве относительно верхней постели шпалы.

Таким образом, заявляемый способ за счет увеличение объема балластного материала, подаваемого на уплотнение балластной призмы, позволяет обеспечить повышение степени и равномерности уплотнения балласта, что удлиняет период, в течение которого сохраняется стабилизированное состояние балласта и нормативная геометрия железнодорожного пути.

Способ может быть использован при строительстве, содержании и ремонте железнодорожных путей для уплотнения балласта. При уплотнении балласта железнодорожного пути вибрирующие подбойки опускают на заданную глубину, осуществляют цикл по сжиму/разжиму подбоек. Для повышения степени и равномерности уплотнения балласта цикл по сжиму/разжиму подбоек проводят еще раз. Дополнительные циклы сжима/разжима подбоек могут быть осуществлены до опускания верхней поверхности балласта в межшпальном ящике до уровня нижней поверхности шпал. Подбойки поднимают в исходное положение. Достигается повышение степени уплотнения балласта за счет увеличения объема балластного материала, подаваемого на уплотнение балластной призмы. 7 з.п. ф-лы.

1. Способ уплотнения балласта железнодорожного пути посредством опускания вибрирующей подбойки в балласт на заданную глубину, осуществления цикла по сжиму/разжиму подбойки и подъема подбойки в исходное положение, отличающийся тем, что после выполнения первого цикла по сжиму/разжиму подбойки проводят по меньшей мере один дополнительный цикл по сжиму/разжиму подбойки перед ее подъемом в исходное положение.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные циклы сжима/разжима подбойки осуществляют до опускания верхней поверхности балласта в межшпальном ящике до уровня нижней постели шпал.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на каждые 10 мм подъема пути проводят не менее одного повторного дополнительного цикла по сжиму/разжиму подбойки.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве подбойки используют подбойку двухстороннего действия.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве подбойки используют подбойку с коэффициентом обтекаемости К≥1, который определяют из соотношения

К=V_практ./V _теор., где

V_практ. - определяемый опытным путем объем щебня, перемещаемого при однократном ходе подбойки, осуществляющей движение сжима;

V_теор. - объем щебня, который теоретически может переместить лопатка подбойки при однократном сжиме, который рассчитывают по формуле где

S - площадь лопатки;

- длина хода лопатки при осуществлении сжима.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве подбойки используют подбойку с объемом заглубляемой части V_{заглуб.}≤0,5V_практ.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после каждого сжима и/или разжима подбоек до начала их разжима и/или сжима осуществляют вибрацию подбоек без их перемещения в течение не менее 0,1 с.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве подбойки используют подбойку с клиновой нижней кромкой, угол между гранями которой составляет 90±20°, а подъем подбойки осуществляют со скоростью W≤5,5 f⋅А, где

f - частота колебаний подбойки в Гц;

А - амплитуда колебаний подбойки в мм.