Крестовина для рельсового пересечения
Владельцы патента RU 2410481:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петербургский государственный университет путей сообщения" (RU)
Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к конструкциям пересечений путей. Крестовина для рельсового пересечения содержит сердечник (1) с рабочими кантами (2), (3), пересекающимися в ее математическом центре (4), и два усовика (5), (6). Крестовина выполнена с возвышением продольного профиля в зоне перекатывания колес с сердечника (1) на усовики (5), (6) и обратно. Максимальная ордината ее продольного профиля расположена в поперечном сечении (19), проходящем через математический центр (4) крестовины. Технический результат заключается в улучшении условий прохода по крестовине подвижного состава и в повышении срока службы крестовины для рельсового пересечения за счет усовершенствования формы ее продольного профиля. 2 ил.
Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к конструкциям пересечений путей.
Известна конструкция крестовины для рельсового пересечения (SU №1245640, E01B 7/10, 1986 г.), содержащая сердечник с рабочими кантами, пересекающимися в ее математическом центре, и два усовика, выполненная с возвышением продольного профиля в зоне перекатывания колес с сердечника на усовики и обратно. Данная зона представляет собой участок крестовины от сечения сердечника, равного ширине головки рельса до горла крестовины, образованного ее усовиками. Возвышение продольного профиля на этом участке призвано повысить срок службы крестовины за счет дополнительного запаса металла на износ в наиболее быстро изнашиваемой зоне.
Недостаток конструкции заключается в том, что износ металла в пределах участка возвышения профиля происходит с образованием неровностей волнообразной формы, которые являются источником колебаний и вибраций подрессорных и неподрессорных частей экипажей, нарушая тем самым плавность прохода подвижного состава и ускоряя износ поверхностей катания колес и крестовины в результате повышения уровня динамики их взаимодействия.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является конструкция крестовины для рельсового пересечения (RU №14942, E01B 25/06, 2000 г.), содержащая сердечник с рабочими кантами, пересекающимися в ее математическом центре, и два усовика, выполненная с возвышением продольного профиля в зоне перекатывания колес с сердечника на усовики и обратно. В ней за счет соответствующих поправок, вносимых в уравнение формы продольного профиля аналога, удалось частично уменьшить размеры вертикальных неровностей и их влияние на развитие износа крестовины, но не исключило этого влияния, поскольку сам волнообразный характер неровностей остался. Анализ показал, что его устранение невозможно без внесения принципиальных изменений в форму возвышения продольного профиля прототипа, который, меняясь в процессе эксплуатации, приводит к ухудшению условий прохода экипажей со всеми вытекающими отсюда последствиями. Таким образом, недостатком конструкции крестовины является то, что она не гарантирует необходимой плавности прохода подвижного состава в течение всего нормативного срока ее эксплуатации.
При работе над изобретением решалась задача улучшения условий прохода по крестовине подвижного состава и повышения срока службы крестовины с запасом металла на износ, за счет усовершенствования формы ее продольного профиля.
Технический результат достигается тем, что в крестовине для рельсового пересечения, содержащей сердечник с рабочими кантами, пересекающимися в ее математическом центре, и два усовика, выполненной с возвышением продольного профиля в зоне перекатывания колес с сердечника на усовики и обратно, максимальная ордината продольного профиля расположена в поперечном сечении, проходящем через математический центр крестовины.
Сущность предлагаемого технического решения разъясняется с помощью чертежей.
Фиг.1. Общий вид зоны перекатывания крестовины в плане и продольные профили: А - конструкции прототипа; С - предлагаемой конструкции.
Фиг.2. Схемы взаимодействия колеса с крестовиной:
а) прототипа; б) предлагаемой конструкции.
На фиг.2. i - поперечный уклон поверхности катания крестовины;
iк - уклон поверхности катания типового профиля колеса;
iи - уклон поверхности катания изношенного колеса.
Крестовина для рельсового пересечения содержит сердечник 1 с рабочими кантами 2 и 3, пересекающимися в ее математическом центре 4, и два усовика 5 и 6. На участке от сечения 7, в котором ширина сердечника 1 равна ширине головки стандартного путевого рельса, до сечения 8 - горла 9 крестовины, образованного усовиками 5 и 6, происходит перекатывание колес 10 подвижного состава (не показан) с сердечника 1 на усовики 5, 6 и обратно. Наличие в зоне перекатывания желобов 11 приводит к уменьшению площадок 12, 13 контакта колес 10 с сердечником 1 и усовиком 5 в этой зоне по сравнению с контактными площадками 14, 15, находящимися по границам зоны (сеч. 7, 8) и за ее пределами. На плане эти площадки 12-15 схематически показаны в виде черных прямоугольников. Чем меньше эти площадки в каждом конкретном сечении, тем выше в этом месте контактные напряжения и тем быстрее происходит износ металла. Поэтому при разработке эпюры продольного профиля крестовины с запасом металла на износ ордината в каждом ее сечении должна назначаться в зависимости от величины действующих в нем напряжений, а максимальная ордината должна совпадать с сечением, в котором эти напряжения имеют наибольшие значение. Если это требование не соблюдается и максимальная ордината эпюры сдвинута относительно сечения, в котором действуют наибольшие напряжения, вертикальный износ происходит со скоростью, опережающей интенсивность износа в сечении максимума эпюры, то в пределах возвышения самой зоны перекатывания образуется локальное углубление (см. фиг.1, линия В). Колесо, проходящее через эту зону сначала, поднимаясь на возвышение продольного профиля, преодолевает неровность, типа «бугор», затем, опускаясь в локальное углубление, преодолевает неровность типа «впадина» и, выходя из этого углубления, - вторую неровность типа «бугор». Так развиваются волнообразные неровности на поверхностях крестовин. Покажем, что для конструкции прототипа образование таких неровностей является неизбежной реальностью.
По традиционной технологии проектирования профилей крестовин поперечные уклоны i их поверхностей катания и взаимное положение по высоте усовиков и сердечников устанавливается в соответствии с уклоном iк типового профиля железнодорожного колеса. Поэтому при движении колеса 10 со стороны сечения 7 оно сначала опирается полностью на сердечник 1. Но за сечением 7 площадка 14 контакта колеса 10 с сердечником 1 уменьшается до размеров площадки 12 в сечении 16, где поверхность 17 катания колеса перекрывает ширину желоба 11 и вступает во взаимодействие с усовиком 5 по схеме фиг.2, а. Далее включается в работу усовик 5, вертикальная нагрузка от колеса 10 распределяется на сердечник 1 и усовик 5, а за математическим центром 4 полностью переносится на усовик 5 с дальнейшим увеличением контактной площадки 13 до размеров площадки 15. Таким образом, максимальные контактные напряжения при проходе типового колеса по крестовине возникают в ее сердечнике 1 в сечении 16. Поэтому именно в данном сечении 16 нормами установлен допуск D на износ крестовины, поскольку износ металла происходит здесь особенно быстро. С этой точки зрения можно считать логически оправданным решение разработчиков конструкции прототипа А разместить максимальную ординату возвышения продольного профиля крестовины в сечении 16. Однако это решение принято без учета последних исследований характера износа железнодорожных колес. На форму профиля изношенного колеса 10 влияет наличие кривых участков пути, которые укладываются с уширением колеи, и круг катания колеса 10 смещается в сторону его наружной кромки 18. Уклон iи поверхности катания изношенного колеса 10 превышает уклон iк типового нового колеса, и схема его взаимодействия с крестовиной на участке от сечения 16 до математического центра 4 имеет вид фиг.2, б, когда кромка 18 колеса приподнимается над усовиком 5 и вся вертикальная нагрузка от колеса 10 передается на тонкую часть сердечника, включая его острие, в котором износ происходит намного интенсивнее, чем в сечении 16. По статистике количество новых колес составляет ничтожную долю от общего числа колес, эксплуатируемых на железных дорогах. К тому же с момента начала эксплуатации уклон нового колеса начинает увеличиваться. По данным Промтранснемпроекта, среднестатистический уклон колес промышленных железных дорог составляет 1/9 вместо уклона 1/20 типового профиля колеса (см. Глокман Ю.Ц., Говоров В.В. Профиль поверхности катания колес специального подвижного состава металлургических заводов. Реф. сборник «Проектирование промышленного транспорта». Серия VI №2/59. М., ПТНИИП, 1975). При проходе изношенных колес по крестовине прототипа наиболее быстро вертикальный износ будет происходить в сечении 19 математического центра 4, и поверхность катания крестовины приобретет волнообразную форму В. Чтобы этого не происходило, максимальная ордината продольного профиля С крестовины должна быть расположена в поперечном сечении 19, проходящем через математический центр 4 крестовины.
Устройство работает следующим образом. При обеспечении плавного входа колес 10 с обеих сторон на возвышение продольного профиля С (как это показано на фиг.1), в начальный период эксплуатации крестовина будет иметь неровность типа «бугор» с максимальной ординатой, равной допуску D крестовины на вертикальный износ. Поскольку максимальная ордината D профиля С расположена в сечении 19, в котором износ происходит наиболее интенсивно, понижение возвышения профиля С будет происходить без образования локальных углублений по схеме сглаживания общей неровности, что обеспечивает достаточную плавность прохода подвижного состава и сводит к минимуму интенсивность износа крестовины.
Практическое осуществление предлагаемого технического решения. Логарифмическая функция, использованная для описания продольного профиля А крестовины конструкции прототипа в данном случае не пригодна, т.к. не позволяет усовершенствовать форму кривой в соответствии с требованиями, предъявляемыми настоящим техническим решением.
Эти требования заключаются в следующем:
- обеспечить плавный вход на возвышение с обеих сторон посредством строгого математического сопряжения профиля зоны перекатывания с примыкающими участками крестовины;
- расположить максимальную ординату продольного профиля, равную допуску D крестовины на вертикальный износ, в сечении математического центра крестовины.
Наиболее полно отвечает этим требованиям уравнение параболы:
y=a1x5+a2x4+a3x3+a4x2+a5x+a6
Вывод формулы для определения коэффициентов параболы:
где у - ордината продольного профиля в расчетном сечении;
x - расстояние от сечения сердечника 7, равное ширине головки рельса до расчетного сечения;
x0 - расстояние от сечения сердечника 7, равное ширине головки рельса до сечения, математического центра 4 крестовины;
D - допуск на вертикальный износ крестовины;
L - расстояние от сечения сердечника 7, равное ширине головки рельса до сечения 8 горла 9 крестовины.
Полученные соотношения a1, a2, a3 и a4 позволяют построить по ординатам продольный профиль крестовины, необходимый для выполнения ее литейной модели.
Крестовина для рельсового пересечения, содержащая сердечник с рабочими кантами, пересекающимися в ее математическом центре, и два усовика, выполненная с возвышением продольного профиля в зоне перекатывания колес с сердечника на усовики и обратно, отличающаяся тем, что максимальная ордината ее продольного профиля расположена в поперечном сечении, проходящем через математический центр крестовины.
