Рельсовый стык, способ стабилизации его электросопротивления, устройство для нанесения электропроводного материала на контактные поверхности рельсового стыка

 

Изобретение относится к электрическим рельсовым цепям. Рельсовый стык содержит концы рельсов, соединяемых между собой с обеих боковых сторон рельсовыми накладками, болтами и гайками. Контактные поверхности стыка снабжены электропроводным коррозионностойким материалом, содержащим в себе гранулы, твердость которых превышает твердость материалов рельсов и накладок. Способ стабилизации электросопротивления рельсового стыка включает в себя сборку рельсового стыка посредством резьбового соединения болтами и гайками через отверстия в рельсовых накладках и шейках стыкуемых рельсов. Перед сборкой на контактные поверхности рельсовых накладок и рельсов наносят электропроводный материал, содержащий в себе гранулы, твердость которых превышает твердость материалов рельсов и рельсовых накладок. Устройство для нанесения электропроводного материала на контактные поверхности рельсового стыка представляет собой стержень, содержащий связующую фазу, флюсы, а также гранулы, твердость которых превышает твердость материалов рельсов и рельсовых накладок. В результате повышается надежность работы и стабилизируются электрические параметры рельсовых цепей. 3 н. и 16 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к средствам железнодорожной автоматики, в частности к рельсовым электрическим цепям.

Известно [Каменский В.Б., Горбов Л.Д. Справочник дорожного мастера и бригадира пути. - М., Транспорт, 1986, - 487 с.], что рельсовый стык состоит из двух стыкуемых между собой концов рельс, соединяемых между собой с обеих боковых сторон рельсовыми накладками, болтами и гайками.

Недостатком данного решения является неспособность такого соединителя рельсов пропускать электрический ток (от 0,1 до 400 а) без изменения электрических параметров рельсовых цепей во времени. Это связано с тем, что контактные поверхности рельсовых накладок и рельсов кородируют под воздействием окружающей среды, образующиеся окислы изменяют контактное сопротивление рельсовых стыков, что негативно сказывается на надежности электрических рельсовых цепей, показаниях контрольных и измерительных приборов, безопасности движения подвижного состава.

Мерами, используемыми на сети железнодорожных дорог для стабилизации электросопротивления рельсовых стыков, используются:

- закладка графитосодержащей смазки под рельсовые накладки;

- применение дополнительных рельсовых соединителей в виде приварных, штеккерных или пружинных [Обеспечение надежности токопроводящих элементов рельсовой линии при электротяге переменного тока //Автоматика, связь, информатика. №12, 2002.

Однако эти меры по своей сути не могут быть эффективными в силу следующих обстоятельств.

1. Смазка со временем вымывается, “закоксовывается” и образует пленки, повышающие электросопротивление.

2. Дополнительные рельсовые соединители они и есть дополнительные, их необходимо изготавливать, устанавливать, обслуживать. Это резко увеличивает эксплуатационные расходы и не является надежным средством, так как между соединителями и рельсами со временем также образуются продукты коррозии, которые изменяют электросопротивление рельсовых стыков.

Техническим результатом заявляемой группы решений является стабилизация электросопротивления рельсовых стыков. Технический результат достигается за счет того, что на контактные поверхности в рельсовом стыке наносится (упругодеформируемый) электропроводный материал, содержащий в себе гранулы, твердость и износостойкость которых выше соответствующих параметров рельс и рельсовых накладок.

Такой материал выполняет две функции: основную - гранулы (в результате вибраций и перемещений концов рельс в стыке при прохождении подвижного состава и обычных термических перемещений под действием температуры окружающей среды) зачищают контактирующие поверхности от образующихся окислов (выполняют шабрение, т.е. микрорезание и тем самым образуют ювенильные контактные поверхности, обладающие постоянным электрическим сопротивлением); дополнительную - сдерживают коррозионные процессы на контактных поверхностях и, тем самым, стабилизируют электросопротивление стыка и рельсовой цепи.

Прообраз такого материала существует. Заявители не могут его принять в качестве аналога или прототипа, т.к.:

1. Нет сведений о его опубликовании (справедливости ради отметим, что нами обнаружена лишь этикетка с упаковки изделия, выполненного из сопоставимого материала. Изделие называется “Ремонтный термостержень для термической герметизации”.

2. Материал (препарат) предназначен для запаивания трещин и отверстий.

3. Имеющаяся на упаковке ссылка на ГОСТ 19743-98 показывает, что материал содержит температурную компоненту (магний или алюминий), паяющую компоненту (олово) и флюсовую компоненту (для пайки металлов без зачистки ржавчины).

Тем не менее, имеющиеся у заявителя сведения об этом материале сообщаем.

Таким образом, заявляемые объекты, как и аналоги:

1) а именно, рельсовый стык содержит концы рельсов, соединяемых между собой с обеих боковых сторон рельсовыми накладками, болтами, гайками;

2) а именно, способ стабилизации электросопротивления рельсовых стыков, включает в себя сборку рельсового стыка посредством резьбового соединения болтами и гайками через отверстия в рельсовых накладках и шейках стыкуемых рельсов;

3) а именно, устройство для реализации способа, представляющее собой стержень, содержащий связующую фазу, флюсы.

Вместе с тем, заявляемая группа решений, объединенная одним изобретательским замыслом, содержит следующие отличительные признаки:

1) в части рельсового стыка - контактные поверхности стыка снабжены электропроводным материалом, содержащим в себе гранулы, твердость которых повышает твердость материалов рельсов и накладок, причем материал упругодеформируемый, износостойкость гранул превышает износостойкость материалов рельсов и накладок, материалом снабжены контактные поверхности головки рельсов, основания рельсов, ответные площадки накладок, торцы рельсов до поверхности катания и ниже;

2) в части способа - перед сборкой на контактные поверхности рельсов и рельсовых накладок наносят электропроводный материал, содержащий гранулы, твердость которых превышает твердость материалов рельсов и накладок, причем износостойкость гранул превышает износостойкость материалов рельсов и накладок, нанесение материала осуществляют в расплавленном виде, для чего материал поджигают, доводят до расплавления его связующей фазы и наносят на контактные поверхности;

3) в части устройства для реализации способа - стержень дополнительно содержит гранулы, твердость которых выше твердости материалов рельсов и накладок, причем износостойкость материалов рельсов и накладок, в качестве гранул использованы зерна карбидов вольфрама и/или лом (частицы) карбидовольфрамовых материалов, твердого сплава, металлокерамики, в том числе стержень содержит медную компоненту, преимущественно в виде порошка.

На фиг.1 и 2 представлена схема рельсового стыка, на фиг.3 -принципиальная схема устройства для нанесения материала на контактные поверхности стыка, на фиг.4 - схема компонентов материала.

Рельсовый стык состоит из концов 1 и 2 рельсов с отверстиями 3 и 4, рельсовых накладок 5 и 6 с отверстиями 7 и 8. Через отверстия 8, 4, 7 и 8, 3, 7 вставляются болты 9 и затягиваются гайками 10, образуя посредством резьбового соединения рельсовый стык с зазором l между торцами 11 и 12 концов 1 и 2 рельсов. При этом накладки 5 и 6 своими контактными площадками 13 и 14 взаимодействуют с контактными площадками 15 и 16 головки 17 рельсов, а контактными площадками 18 и 19 - с контактными площадками 20 и 21 основания 22 рельсов.

В прототипе на этих контактных площадках образуется ржавчина и окислы, которые увеличивают электросопротивление стыка, что дестабилизирует электрические параметры и снижает надежность работы рельсовых электрических цепей.

В предлагаемом рельсовом стыке на контактные поверхности (все или часть их них) нанесен электропроводный материал 23, содержащий в себе гранулы, твердость которых выше твердости материалов рельсов и накладок. Целесообразно, чтобы электрическое сопротивление этого материала было ниже, чем электрическое сопротивление материала накладок (это снизит электроконтактное сопротивление), чтобы материал 23 был упругодеформируем и материал гранул был электропроводен.

Работает такой стык следующим образом.

Во-первых, материал 23, взаимодействуя с накладками и/или с рельсами, предотвращает (или минимизирует) окисление контактных поверхностей 14 и 16, что уже само по себе обеспечивает достижение технического результата.

Во-вторых, и это основное, в результате вибраций и микроперемещений конца 1 рельса относительно накладок 5 и 6, конца 2 рельса относительно накладок 5 и 6 гранулы 24, находящиеся на поверхности 25 слоя материала 23, шабрят (осуществляют микрорезание, т.е. удаляют окислы, которые возможно образуются, хотя материал 23 может быть коррозионностойким, и, тем самым, образуют ювенильные поверхности, обладающие стабильным электросопротивлением), ответную контактную поверхность 21 рельса или ответную поверхность 26 слоя материала 23. И наоборот.

В том числе процесс шабрения происходит и под действием температуры окружающей среды, когда рельсы и накладки из-за различия в коэффициентах теплового расширения получают микроперемещения относительно друг друга.

Описанный принцип работы такого рельсового стыка доказывает достижение технического результата.

Материал 23 может быть нанесен на различные участки контактных поверхностей, а именно:

а) нанесен только на контактные площадки (поверхности) 15 и 16 головки 17 рельсов 1 и 2;

б) нанесен только на контактные поверхности 13 и 14 накладок;

в) нанесен только на контактные поверхности 20 основания 22 рельса;

г) нанесен только на поверхности 19 накладок;

д) при любом из сочетаний, указанных в пунктах а)÷г);

е) на торцы 11 и 12 рельсов.

Для последнего случая толщина слоев наносимого материала 23 принципиальна (в остальных случаях толщины слоя минимизирована и в рамках заявки не раскрывается). Важно чтобы суммарная толщина t=t₁+t₂ раздельно наносимых на торцы слоев превышала величину зазора l. Только в этом случае гранулы слоев 27 и 28 смогут шабрировать друг друга и, тем самым, повышать технических результат. Однако условие t>l затруднит сборку стыка, т.к. расстояние между средними отверстиями в рельсовых накладках нормировано так, чтобы соблюсти зазор l. Это затруднение отсутствует, если материал 23 упругодеформируемый. Это означает, что при t>l рельсы поджимают друг к другу, материал слоев 27 и 28 деформируется до тех пор, пока отверстия 3 и 4 совпадут с отверстиями 7 и 8, что позволит вставить болты 9 и обеспечить зазор l.

Способность материала 23 к упругой деформации полезна и при нанесении его на контактные площадки 13, 14, 15, 16, 18, 19, 20, 21, т.к. это обеспечивает прижим гранул к шабруемой поверхности, обеспечивает замену изношенных гранул и повышает суммарную площадь контакта и герметизирует контактируемые поверхности, что также способствует повышению технического результата.

В частности, наряду с упругостью материала и особенно если материал 23 не обладает упругостью, можно использовать материал из группы “металлов с памятью”. В этом случае первоначально сжатый при сборке стыка материал 23 по мере износа гранул и связующей фазы восстанавливает поджим контактирующих поверхностей друг к другу за счет стремления “материала с памятью” к своим первоначальным (до сжатия) размерам (исходному состоянию).

Для того чтобы способность гранул к шабрению сохранялась дольше, гранулы должны иметь износостойкость, превышающую износостойкость материалов рельсов и накладок.

Целесообразно чтобы материал гранул также был электропроводным, т.е. чтобы электропроводной была не только связующая фаза материала 23, но и его упрочняющая фаза, т.е. гранулы 24.

Слои 27 и 28 на торцы 11 и 12 можно нанести на различных их участках:

а) на некоторой площади торцов так, чтобы материал 23 не выходил на поверхность катания 29 головки рельса, это экономно и достаточно для достижения технического результата;

б) так, чтобы материал 23 выходил (позиция 30) на поверхность катания 29, что при нагреве рельсов приведет к уменьшению зазора l, выдавливанию (позиция 31) части материала на поверхность катания, что не опасно для движения поездов в силу пластичности материала 23 и полезно в той части, что при остывании рельсов и увеличении зазора l выдавленный (31) объем материала будет (частично) вновь вдавлен в зазор катящимися по рельсам колесами подвижных составов.

Из описанного выше понятны свойства материала 23, наносимого на контактные поверхности. Сам способ нанесения материала состоит в следующем.

Способ стабилизации электрического сопротивления рельсовых стыков и соответственно электрической рельсовой цепи предусматривает обычный процесс сборки рельсового стыка (болты вставляют в отверстия одной рельсовой накладки, в отверстия шейки рельса, в отверстия второй рельсовой накладки, надевают гайки и закручивают их с нормированным усилием затяжки резьбового соединения), которому предшествует процесс нанесения материала 23. Его наносят в расплавленном виде, для чего материал разогревают до расплавления его связующей фазы и наносят на контактные поверхности. Для удобства выполнения таких работ в полевых условиях (местах сборки, ремонта и обслуживания рельсовых стыков) нагрев материала можно осуществлять традиционными способами (паяльная лампа, электронагрев и т.д.), но более технологично нагрев осуществлять путем поджига материала. Соответственно такой материал должен содержать в себе кроме связующей фазы 36 и шабрирующих гранул 24 компоненту 32, способную образовывать в материале 23 реакцию накопления тепла от воздействия внешнего источника тепла, например от спички, и поддерживать рост температуры до расплавления связующей фазы 36.

При таком подходе устройство для реализации способа нанесения материала 23 на контактные поверхности рельсового стыка может быть исполнено в виде стержня 33, материал которого содержит как минимум следующие компоненты: гранулы 24, удерживающую их связующую фазу 36, термореакционную фазу (компоненту 32). Соотношение компонент между собой и материал компонент в рамках заявки не раскрывается. В качестве примера сообщим, что испытывался стержень, в котором гранулы были из карбонитрида титана, связующая фаза содержала олово, термореакционная фаза - из магнитосодержащего сплава (аналог охотничьих спичек и спичек для горения в воде).

Для образования прочного соединения материала 23 с накладками и рельсами без зачистки поверхностей последних в стержне может присутствовать флюсосодержащая фаза 34.

Получать такой стержень удобно методом порошковой металлургии, используя в качестве исходного сырья порошки необходимых компонент.

В качестве гранул удобно использовать зерна карбида вольфрама и/или лом (бой, мелкие частицы) твердого сплава и/или металлокерамики. Такие гранулы тверды, износостойки, электропроводны, не дефицитны, имеют острые грани, что способствует шабрению.

Для повышения пластичности и электропроводности наносимого слоя материала 23 стержень 33 может содержать в качестве дополнительной компоненты 35 медь. Ее удобно вносить в виде порошка.

Для удобства пользования устройством удобно, чтобы тепло в стержне 33 локализовывалось (не обжигало пальцы). Также целесообразно, чтобы после отделения необходимого объема материала 23 в виде расплава и нанесения этого объема на контактную поверхность термическая реакция в стержне прекращалась. Это позволит экономно использовать материал стержня.

Формула изобретения

1. Рельсовый стык, содержащий концы рельсов, соединяемых между собой с обеих боковых сторон рельсовыми накладками, болтами и гайками, отличающийся тем, что контактные поверхности стыка снабжены электропроводным коррозионностойким материалом, содержащим в себе гранулы, твердость которых превышает твердость материалов рельсов и накладок.

2. Рельсовый стык по п.1, отличающийся тем, что упомянутый электропроводный коррозионностойкий материал является упругодеформируемым.

3. Рельсовый стык по п.1 или 2, отличающийся тем, что упомянутый электропроводный коррозионностойкий материал относится к группе “материалов с памятью”.

4. Рельсовый стык по п.1, отличающийся тем, что износостойкость гранул выше износостойкости рельсов и рельсовых накладок.

5. Рельсовый стык по п.1, отличающийся тем, что упомянутым электропроводным коррозионностойким материалом снабжены контактные поверхности головок рельсов.

6. Рельсовый стык по п.1 или 5, отличающийся тем, что упомянутым электропроводным коррозионностойким материалом снабжены поверхности рельсовых накладок, контактирующие с головками рельсов.

7. Рельсовый стык по п.1 или 5, отличающийся тем, что упомянутым электропроводным коррозионностойким материалом снабжены контактные поверхности основания рельсов.

8. Рельсовый стык по п.1 или 5, отличающийся тем, что упомянутым электропроводным коррозионностойким материалом снабжены поверхности рельсовых накладок, контактирующие с основаниями рельсов.

9. Рельсовый стык по п.1 или 5, отличающийся тем, что упомянутым электропроводным коррозионностойким материалом снабжены торцы рельсов, причем суммарная толщина слоев материалов, нанесенных на торцы обеих стыкуемых рельсов, превышает зазор между рельсами.

10. Рельсовый стык по п.9, отличающийся тем, что упомянутый электропроводный коррозионностойкий материал нанесен не до поверхностей катания головок рельсов.

11. Рельсовый стык по п.9, отличающийся тем, что упомянутый электропроводный коррозионностойкий материал нанесен до поверхностей катания головок рельсов.

12. Способ стабилизации электросопротивления рельсового стыка, включающий в себя сборку рельсового стыка посредством резьбового соединения болтами и гайками через отверстия в рельсовых накладках и шейках стыкуемых рельсов, отличающийся тем, что перед сборкой на контактные поверхности рельсовых накладок и рельсов наносят электропроводный материал, содержащий в себе гранулы, твердость которых превышает твердость материалов рельсов и рельсовых накладок.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что износостойкость гранул выше износостойкости материалов рельсов и рельсовых накладок.

14. Способ по п.12 или 13, отличающийся тем, что нанесение электропроводного материала осуществляют в его расплавленном виде, для чего электропроводный материал нагревают до расплавления его связующей фазы и наносят на контактные поверхности.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что нагрев осуществляют путем поджигания электропроводного материала.

16. Устройство для нанесения электропроводного материала на контактные поверхности рельсового стыка, представляющее собой стержень, содержащий связующую фазу, флюсы, отличающееся тем, что содержит гранулы, твердость которых превышает твердость материалов рельсов и рельсовых накладок.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что износостойкость гранул превышает износостойкость материалов рельсов и рельсовых накладок.

18. Устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что в качестве гранул использованы зерна, или лом карбида вольфрама, или лом твердого сплава и/или металлокерамики.

19. Устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что содержит медную компоненту, преимущественно в порошковом виде.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4