Рельсовая колея железной дороги
Изобретение относится к железнодорожному транспорту. Рельсовая колея железной дороги содержит образующие колею и соединенные между собой головку, подошву, закрепленную на шпалах и с опорой на них, шейку между ними. Шейка имеет вид ломаной или кривой формы или их комбинации в пределах ширины головки для возможности равномерного изгиба при тепловой деформации рельс. Подошва выполнена для предотвращения линейного сдвига рельс в виде зубчатого профиля, имеет переменную ширину или переменную жесткость в горизонтальной плоскости для возможности изгиба рельс при тепловой деформации. Шейка имеет переменную высоту для сохранения жесткости и прочности рельс от вертикальной нагрузки от подвижного состава при уменьшении ширины подошвы. Рельсы соединены между собой без теплового зазора, например при помощи сварки. 7 ил.
На рельсы колеи железной дороги действуют вертикальные и горизонтальные силы от колес подвижного состава с необходимостью сопротивления этим нагрузкам, из которых вертикальная является наибольшей, вызывающей изгиб рельс с распределением их на нижележащие элементы строения пути, и основой формы рельс является двутавровое сечение, состоящее из головки, подошвы и шейки между ними.
Рельсы колеи подвергаются также действию сил температурной деформации, которые устраняются подвижностью опор с оставлением теплового зазора на стыке рельс, при прохождении по которому подвижного состава создаются дополнительные динамические нагрузки, действующие разрушительно на путь и подвижной состав.
Соединение рельс со шпалами, или с ними через подкладки должно быть прочным и надежным для сохранения параметров колеи, и одновременно обеспечивать подвижность относительно их при тепловом изменении длины, поэтому опорная поверхность подошвы ровная, а соединение основано на силе трения с возможностью их преодоления при тепловом напряжении рельс, что полностью не устраняет внутреннее напряжение с преждевременным ослаблении крепления.
Изгиб рельс от основной вертикальной нагрузки движется вместе с колесами подвижного состава по колее, и при его прохождении через плоскую опору прогрессивно ослабляет крепление и смещение рельс относительно шпал со снятием теплового напряжения, а также с нарушением параметров колеи ослаблением креплений, требующих постоянного периодического обслуживания.
Необходимость смещения рельс при тепловой деформации, их линейная форма без нагрузки способствуют угону рельс от действия горизонтальных сил подвижного состава, противодействие которому осуществляется устройствами, основанными также на силе трения с созданием дополнительного внутреннего теплового напряжения при неудовлетворительном выполнении задачи, приводящего к ослаблению и смещению зажимов при частом обслуживании пути в процессе эксплуатации.
Соединение рельс между собой стыковыми накладками полностью не устраняют тепловые напряжения и прочность соединения, т.к., с одной стороны, необходимо как можно более жестко и прочно соединять концы рельс между собой, а с другой стороны, оставлять возможность взаимного смещения при их периодическом температурном изменении длины.
Известен бесстыковой путь, в котором рельсы колеи соединены между собой при помощи сварки без теплового зазора, в котором вместе с положительным эффектом в виде исключения ударов колес на стыках с улучшением условий эксплуатации пути и подвижного состава возникают значительные температурные напряжения, которые могут вызвать расстройство пути с последующим сходом подвижного состава с рельс изменением параметров колеи, поэтому бесстыковой путь имеет компенсирующие участки с тепловым зазором на стыках рельс и необходимость в периодическом обслуживание в виде ослабления креплений с последующим продольным смещением рельс и затягиванием мест крепления рельс к шпалам в зависимости от температуры или времени года.
1. Калинин В.К. Общий курс железных дорог. «Высшая школа», 1970 г., стр.62.
2. Потапов М. Г. Карьерный транспорт. «Недра», 1985 г., стр.16.
3. Бирюков В. Д. Постройка железных дорог. «Транспорт», 1967 г., стр.144.
4. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. «Наука», 1967 г., стр.181, 542.
5. Яворский Б. М. Справочник по физике. 1989 г., стр.74, 171.
Цель изобретения - изменением формы рельс при неизменной массе повысить качество, экономичность и безопасность железнодорожных перевозок переносом теплового зазора с продольного направления на стыке рельс на поперечное с разбивкой его на более мелкие части.
Сущность состоит в том, что тепловое изменение длины рельс колеи переносится в поперечное направление от направления колеи или от направления движения подвижного состава чередующим изгибом в межшпальной зоне поворотом частей рельс в зоне опоры подошвы от действия температурных сил при их нелинейном взаимодействии, которое задается предварительным изгибом шейки в пределах ширины головки с одновременным переходом в межопорной зоне подошвы из горизонтального положения в вертикальное положение шейки с образованием однотаврового сечения увеличенной высоты, при котором нижняя кромка подошвы приобретает зубчатый волнистый профиль.
Конструктивно изменение от известных рельс единого двутаврового сечения состоит в смещении от оси колеи или головки шейки и подошвы с образованием переменного несимметричного сечения, например Т-образное, Г-образное.
Отпадает необходимость продольного смещения рельс при их тепловой деформации с приобретенной необходимостью поворота или изгиба частей рельс вокруг каждой шпалы с возможностью выполнения внешней поверхности подошвы отличной от плоской в виде зубчатого профиля, впадины которого являются опорной поверхностью, а выступы являются зонами изгиба.
Подошва рельс с однообразным двутавровым сечением выполняет также функцию поперечной жесткости колеи, тогда как в предлагаемом варианте колея теряет поперечную жесткость между шпалами в зоне изгиба выступа зубчатой поверхности, где подошва из горизонтального положения сходит на нет с уменьшением поперечной жесткости в зависимости от удаления от зоны опоры с одновременным увеличением высоты шейки переходом в вертикальное положение, что увеличивает жесткость рельс от основной вертикальной нагрузки с меньшим изгибом и способствует большей долговечности железной дороги с повышением качества перевозок.
Параметры колеи обеспечиваются предварительным изгибом шейки, при котором она теряет прежнюю линейность и получает ломаный или изогнутый вид сверху, зубчатым зацеплением подошвы рельс с опорной центрирующей поверхностью с заменой сил трения сопротивления на срез материала рельс и элементов креплений с меньшим опорным удельным давлением, получаемой из-за увеличенной жесткости шейки рельс увеличенной высоты в межшпальной зоне, при которой вертикальная нагрузка распределяется на большее число шпал при меньшем изгибе, а также известными дополнительными мероприятиями по укреплению шпал в земельном полотне.
6. SU 71738 А, Е 01 В 2/00, 31.10.1962. 7. SU 31028 А, Е 01 В 2/00, 31.07.1933.
Получаемая плоская форма шейки в зоне максимального перехода подошвы в шейку между шпалами устойчива на кручение от действующих сил подвижного состава, т.к. ее распирают с четырех противолежащих сторон горизонтальные переходные части подошвы с сохранением прежней площади и высоты опоры на шпалы или на промежуточные прокладки и высоты приложения нагрузки от колес подвижного состава неизменным положением головки, а также сохранением общей площади сечения в сравнении с двутавром.
Тепловой зазор сохраняется, но он разбивается на более мелкие части по числу шпал и соответствующей длине участков рельс с центром поворота или изгиба в поперечной плоскости в зоне опорной поверхности подошвы и переносится из зоны действия основной вертикальной нагрузки от колес подвижного состава на стык рельс в зону действия боковых горизонтальных сил, которые вместе с коническими поверхностями контакта колес и рельс при центрировании колесной пары в рельсовой колее имеют незначительное действие на путь и подвижной состав, т.к. изменение ширины колеи осуществляется в пределах допуска вследствие тепловой деформации и при необходимости регулируется частотой шпал с изменением длины участков рельс.
Соединение предлагаемых рельс между собой осуществляется без зазора, например свариванием металла, при котором колея представляет единую цельнометаллическую нить, исключающую динамические перегрузки отсутствием стыка рельс и тепловое напряжение, которое разряжается в поперечном направлении. Оставление зазора на стыке рельс при другом соединении, например при помощи накладок, оставляет его без изменения при любом перепаде температур из-за невозможности линейного сдвига рельс при зубчатой опорной поверхности подошвы, поэтому стыкование производится без учета теплового изменения длины рельс вплотную с возможностью более прочного соединения, т.к. не требуется линейной подвижности.
Поперечное смещение шейки относительно головки не ухудшит эксплутационные качества колеи из-за широкой полосы контакта колес и головки, при котором вертикальная нагрузка в любом случае передается на вертикальную часть рельс - шейку, и при необходимости возможно изменение размеров головки, а на криволинейных участках при увеличенной поперечной силе усиливают устойчивость рельс большей площадью опоры головки на извилистую шейку с большим сопротивлением боковому изгибу.
В межшпальной зоне из-за зубчатого нелинейного профиля нижней кромки подошвы и предварительного изгиба шейки линейный сдвиг рельс при тепловой деформации заменяется на изгиб, оставляя без напряжения внутренние слои шейки с лучшим сопротивлением основной вертикальной силе, тогда как в рельсах колеи одного двутаврового сечения температурные напряжения образуются по всему объему, удерживаемые силами трения на стыках накладками и элементами креплений рельс к шпалам, приводящие к ослаблению мест креплений и сдвигу рельс, или к работе рельс под внутренним тепловым напряжением с последующим расстройством пути, например в виде внезапного искривления.
С целью снижения сопротивления изгибу в межшпальной зоне головка рельс может иметь прямой или косой надрез вплоть до шейки, не оказывающий влияния на эксплутационные качества колеи из-за поперечного линейного контакта колес и рельс, при котором контакт происходит по цельнометаллической поверхности в отличии от теплового зазора на стыке рельс колеи, рассекающий их полностью с прерыванием цельности.
Для достижения требуемого положительного эффекта необходимо выполнение всех заявленных условий:
- предварительный изгиб шейки,
- переменная высота шейки,
- получаемый изгиб подошвы,
- переменная ширина подошвы,
и исключение одного из этих условий приводит к отрицательному результату:
- отсутствует предварительный изгиб шейки, при котором при тепловом напряжении из-за зубчатой опорной поверхности подошвы произойдет поднятие рельс над опорной поверхностью с ослаблением креплений и внезапный изгиб шейки как при неустойчивом положении в одном месте с нарушением параметров колеи из-за уменьшения поперечной жесткости рельс в межшпальном пространстве,
- шейка рельс одной высоты, тогда из-за схода подошвы на нет снижается прочность и жесткость рельс от основной вертикальной нагрузки,
- при отсутствии изгиба подошвы отсутствует и зубчатое зацепление со шпалами с центрами поворота или дальнейшего изгиба участков рельс, при котором из-за возможного линейного сдвига при тепловом напряжении произойдет случайный изгиб в одном месте с превышением отклонения ширины колеи,
- сохранение ширины подошвы сохраняет жесткость колеи и препятствует повороту или изгибу рельс в поперечной плоскости с возможным поднятием рельс над шпалами с ослаблением креплений из-за зубчатой опорной поверхности с сохранением тепловой напряженности. Надрез кромок подошвы в зоне изгиба приведет только к одному повороту частей рельс в зоне опоры с ослаблением креплений.
Дальнейшая сущность изобретения поясняется графическими изображениями, где на фиг.1, фиг.2 - общий вид рельс в колее железной дороги, на фиг.3, 4, 5, 6 - варианты форм шейки, на фиг.7 изображен механизм действия поперечной тепловой деформации.
Фиг.1, 2. Рельсы, состоящие из головки 1, шейки 2 и подошвы 3 закреплены через подкладку 4 на шпалах 5 с образованием колеи.
Первоначальный изгиб ломаной формы шейки 2 задается в пределах ширины головки 1, нелинейность которой определяется по отношению к центральной оси 6. Переход подошвы 3 из горизонтального положения в вертикальное, где она увеличивает высоту шейки 2, происходит с сохранением общей площади сечения при любой форме расположения относительно оси 6. Подкладка 4 и шпала 5 имеют соответствующую форму для устойчивого контакта с нижней кромкой подошвы 3, учитывающую зубчатый профиль переходного периода в шейку 2, т.е. имеют криволинейную поверхность, или эту поверхность имеет только прокладка 4.
Вертикальная нагрузка от колес подвижного состава распределяется на большее количество шпал 5 с меньшим изгибом рельс из-за повышенной жесткости шейки 2 увеличенной высоты между шпалами 5 с сохранением параметров приложенных сил к головке 1 и опорной поверхности подошвы 2, что не ухудшает устойчивость рельс.
Зубчатый профиль нижней кромки подошвы 3 и шейки 2 осуществляет надежное зацепление со шпалами 5, исключая любой линейный сдвиг как вдоль направления колеи, так и поперек, оставляя возможность поворота вокруг опорной зоны или без этой возможности.
Предварительно заданная нелинейность шейки 2 и подошвы 3 как закрепленная к шейки 2 образует с линейными силами теплового расширения поворотные моменты с центром в зоне опоры рельс на шпалы в поперечном направлении от направления осевой линии 6.
На фиг.3, 4 изображена рельсовая колея, криволинейная шейка которого имеет изгиб ломаной формы в опорной зоне двутаврового сечения для криволинейных участков дороги для большей устойчивости и сопротивления боковой горизонтальной силы, прирост которой происходит за счет центробежной силы.
Предварительно заданная нелинейность шейки 2 в виде кривой образует с линейными силами теплового расширения поворотные моменты, изгибающие рельсы в межопорной или межшпальной зоне с переносом теплового зазора с продольного на поперечное направление.
Фиг.5, 6. При повышенной вертикальной нагрузки рельс от колес подвижного состава создаются и большие горизонтальные силы, которые могут привести к излому шейки 2 в ломаной части, поэтому шейка имеет вид плавной кривой по ширине головки.
Изготовление рельс осуществляется прокатом между вальцами стана. Изготовления предлагаемых рельс происходит с синхронизацией вращения вальцов с приданием внешней поверхности соответствующего рельефа или смещением центра вращения вальцов, имеющих длину окружности, равную длине рельс между шпалами.
Фиг.7. Изменение поперечного размера колеи Б на примере ломанной шейки 2 рельс с первоначальным изгибом А, при стандартной частоте шпал (1000 штук на 1км пути) и перепаде температур в сто градусов (от -50 до +50) составит 3 мм, тогда как для сравнения изменение ширины колеи, состоящей из рельс однообразного двутаврового сечения, в пределах допуска составляет 10 мм, а тепловой зазор на стыке должен быть не менее 30 мм.
Рельсовая колея железной дороги, содержащая образующие колею и соединенные между собой головку, подошву, закрепленную на шпалах и с опорой на них, шейку между ними, отличающаяся тем, что шейка имеет вид ломаной или кривой формы или их комбинации в пределах ширины головки для возможности равномерного изгиба при тепловой деформации рельсов, а подошва выполнена для предотвращения линейного сдвига рельсов в виде зубчатого профиля, причем подошва имеет переменную ширину или переменную жесткость в горизонтальной плоскости для возможности изгиба рельсов при тепловой деформации, а шейка - переменную высоту для сохранения жесткости и прочности рельсов от вертикальной нагрузки от подвижного состава при уменьшении ширины подошвы, при этом рельсы соединены между собой без теплового зазора, например, при помощи сварки.
