Результат интеллектуальной деятельности: БЕЗБОЛТОВОЕ РЕЛЬСОВОЕ СКРЕПЛЕНИЕ И ПОДРЕЛЬСОВАЯ ПОДКЛАДКА БЕЗБОЛТОВОГО РЕЛЬСОВОГО СКРЕПЛЕНИЯ

Изобретение относится к верхнему строению железнодорожного пути и предназначено для прикрепления рельсов к деревянным, железобетонным, полимербетонным или композитным подрельсовым основаниям, таким как шпалы, брусья, плиты, блоки, лежни и другие, и может найти применение на магистральных железнодорожных линиях, в тоннелях, метрополитенах и на подъездных железнодорожных путях промышленных предприятий.

Известно безболтовое рельсовое скрепление, содержащее рельсовую подкладку, прикрепляемую к подрельсовому основанию, две головки для крепления рельса, амортизирующую подрельсовую прокладку, две пружинные В-образные клеммы, два монорегулятора, надавливающих на концевые усы клемм для осуществления прижатия рельса прямолинейной нарельсовой частью клемм при этом на рельсовой подкладке выполнены две выступающие головки с разнесенными вдоль рельса крюкообразными кронштейнами, в пазах которых размещаются оси монорегуляторов, и с подклеммными выступами, на которые опираются скругленные витки клемм, а между каждой парой крюкообразных кронштейнов выполнена горизонтальная реборда (RU 117156 U1, 14.02.2012).

Известна рельсовая подкладка безболтового рельсового скрепления, содержащая основную пластину, на которой выполнены две головки для крепления рельса, при этом каждая выступающая головка выполнена с разнесенными вдоль рельса крюкообразными кронштейнами, имеющими пазы для размещения оси монорегулятора, а также с подклеммными выступами, на которые опираются скругленные витки клемм, а между каждой парой крюкообразных кронштейнов выполнена горизонтальная реборда (RU 117156 U1, 14.02.2012). Данные полезные модели выбраны за прототип.

Недостатком данного рельсового скрепления и рельсовой подкладки является повышенный вес основного элемента - рельсовой подкладки, примерно 13,5 кг, например по сравнению с известной подкладкой для скрепления КД-65, весом 9,7 кг.

Техническим результатом заявляемого изобретения является оптимизация конструкции рельсовой подкладки с уменьшением ее веса при сохранении прочностных свойств и надежного закрепления рельса.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что безболтовое рельсовое скрепление содержит рельсовую подкладку, прикрепляемую к подрельсовому основанию, имеющую опорную подрельсовую поверхность, выполненную с уклоном, соответствующим нормируемой подуклонке рельса, и две головки для крепления рельса с разнесенными вдоль рельса крюкообразными кронштейнами с пазами для размещения осей монорегуляторов, а также содержит амортизирующую подрельсовую прокладку, две пружинные В-образные клеммы, два монорегулятора, надавливающих на концевые усы клемм для осуществления прижатия рельса прямолинейными нарельсовыми частями клемм через нарельсовые вкладыши, с облегающими подошву рельса полками, при этом на рельсовой подкладке со стороны возвышенной части крюкообразные кронштейны соединены с подклеммными выступами ребрами жесткости, и между крюкообразными кронштейнами выполнено центральное ребро, соединяющееся с ребордой, и у наружных сторон крюкообразных кронштейнов выполнены короткие приливы, а со стороны пониженной части переходы от подклеммных выступов к крюкообразным кронштейнам выполнены с постепенным увеличением высоты, переходящие в длинные приливы металла по внешним сторонам кронштейнов.

При этом рельсовая подкладка безболтового рельсового скрепления содержит основную пластину с опорной подрельсовой поверхностью, выполненной с уклоном, на которой выполнены две головки для крепления рельса с разнесенными вдоль рельса крюкообразными кронштейнами, соединенными ребордой и имеющими пазы для размещения оси монорегулятора, а также с подклеммными выступами для опоры скругленных витков клемм, но со стороны возвышенной части крюкообразные кронштейны соединены с подклеммными выступами ребрами жесткости, и между крюкообразными кронштейнами выполнено центральное ребро, соединяющееся с ребордой, и у наружных сторон крюкообразных кронштейнов выполнены короткие приливы, а со стороны пониженной части переходы от подклеммных выступов к крюкообразным кронштейнам выполнены с постепенным увеличением высоты, переходящие в длинные приливы металла по внешним сторонам кронштейнов.

Для обеспечения прочности в рельсовой подкладке безболтового рельсового скрепления со стороны пониженной части с внешних сторон крюкообразных кронштейнов высота длинных приливов составляет не менее 13 мм от верхней поверхности основной пластины.

Для снижения массы изделия короткие торцевые стороны основной пластины рельсовой подкладки выполнены со скруглением вокруг крепежных отверстий и с выемками металла в центральной части.

Для снижения концентрации напряжений переход крюкообразных кронштейнов в подрельсовую поверхность выполнен по радиусу 2-5 мм.

Для снижения массы и соблюдения прочности конструкции номинальная ширина рельсовой подкладки составляет 160 мм.

Для исключения врезания нижнего острого края рельсовой подкладки в амортизирующую нашпальную прокладку, нижнюю кромку рельсовой подкладки выполняют скругленной.

На фиг.1 представлено безболтовое рельсовое скрепление согласно изобретению, общий вид.

На фиг.2 представлена рельсовая подкладка безболтового рельсового скрепления согласно изобретению; на фиг.3 - тоже по сечению А-А; на фиг.4 - тоже вид сверху.

На фиг.5 представлена модель рельсовой подкладки согласно прототипу с распределением главных напряжений в ней.

На фиг.6 представлена модель рельсовой подкладки согласно заявляемому изобретению с распределением главных напряжений в ней.

На фиг.7 - то же, с частью схемы сетки конечных элементов.

Безболтовое рельсовое скрепление содержит рельсовую подкладку 1, выполненную из металла, прикрепляемую к подрельсовому основанию, с двумя головками 2 для крепления рельса 3, амортизирующую подрельсовую прокладку 4, две пружинные В-образные клеммы 5, два монорегулятора 6. Амортизирующая подрельсовая прокладка 4 расположена на рельсовой подкладке 1 в подрельсовой зоне между головками 2, которые выполнены с разнесенными вдоль рельса крюкообразными кронштейнами 7.

Две пружинные клеммы 5 надеты на крюкообразные кронштейны 7.

Каждая клемма 5 прижимает рельс своей прямолинейной нарельсовой частью, а концевыми усами, через монорегулятор 6, взаимодействует с соответствующими крюкообразными кронштейнами 7, а скругленными витками клемм опирается на подклеммные выступы 8 головок 2. Монорегулятор 6 выполнен в виде шестигранника с осями, смещенными от центра шестигранника с эксцентриситетом, а также с выемками металла для формирования монтажной ступени. Оси монорегулятора 6 размещены в пазах крюкообразных кронштейнов 7.

Прижатие рельса прямолинейной нарельсовой частью клемм 5 осуществляется через нарельсовый вкладыш 9 с облегающими подошву рельса 3 полками, который располагается между рельсом 3 и крюкообразными кронштейнами 7.

Нарельсовый вкладыш 9 выполнен либо в виде двухполочного уголка с выступом, размещенным между крюкообразными кронштейнами 7, либо в виде трехполочного элемента, который кроме облегающих подошву рельса полок имеет дополнительную верхнюю вертикальную полку, препятствующую касанию прямолинейной нарельсовой части клеммы 5 кронштейнов 7.

В рельсовой подкладке 1 подрельсовая поверхность 10 под амортизирующей подрельсовой прокладкой 4 и крюкообразные кронштейны 7 выполнены с уклоном для формирования нормируемой подуклонки рельса. Для снижения концентрации напряжений переход крюкообразных кронштейнов 7 в подрельсовую поверхность 10 выполнен по радиусу 2-5 мм.

Между каждой парой крюкообразных кронштейнов 7 выполнена реборда 11 для увеличения площади контакта с нарельсовым вкладышем 9. Для усиления каждой реборды 11 в нижней части и снижения концентрации напряжений от действующих боковых нагрузок сопряжение реборды 11 и поверхности рельсовой подкладки 1 выполнено скругленным.

Для оптимизации размеров и веса конструкции рельсовой подкладки 1 проводилось компьютерное моделирование и серия расчетов с применением метода конечных элементов, которые показали, что при облегчении конструкции в целом необходимо усиливать отдельные зоны. За критерий оценки прочности принималось положение о непревышении максимальными нормальными растягивающими или главными напряжениями величины 250 МПа. При расчетах учитывались нормативные нагрузки на скрепление: 100 кН вертикальная и 50 кН горизонтальная боковая нагрузки от колеса на рельс. Также на модель конструкции рельсовой подкладки 1 прикладывались нагрузки, действующие от элементов скрепления и вводились соответствующие граничные условия. Расчеты проводили на модели 1А части рельсовой подкладки 1 (см. фиг.5, фиг.6, фиг.7).

Поскольку на крюкообразные кронштейны 7, расположенные с возвышенной стороны рельсовой подкладки 1, действуют боковые горизонтальные эксплуатационные нагрузки, действующие в кривых участках пути, то при снижении массы рельсовой подкладки 1 требуется усиление зоны около реборды 11.

Для перераспределения напряжений и обеспечения прочности со стороны возвышенной части рельсовой подкладки 1 между крюкообразными кронштейнами 7 выполнено центральное ребро 12, соединяющееся с ребордой 11, усиливающее данную зону. Центральное ребро 12 возможно выполнять либо треугольной, либо трапециевидной формы, толщиной 7-9 мм. Введение в конструкцию центрального ребра 12 снизило растягивающие главные напряжения в нижней части реборды 11 с 280 МПа до 221 МПа.

Со стороны возвышенной части рельсовой прокладки 1 у наружных сторон крюкообразных кронштейнов 7 выполнены короткие приливы 14. Данные короткие приливы 14 выполнены для снижения концентрации напряжений и увеличения размера зоны сопряжения крюкообразных кронштейнов 7 с основной плитой рельсовой подкладки 1. Данные короткие приливы 14 выполняют трапециевидной формы, с размером верхней стороны трапеции 14-16 мм, а толщиной 6-9 мм. Их выполнение не на всю ширину кронштейна 7 обеспечивает экономию металла, при обеспечении прочности данной зоны. Так без коротких приливов 14 растягивающие главные напряжения составляют 317 МПа, а при их выполнении происходит снижение растягивающих напряжений до 205 МПа.

Для снижения массы и обеспечения прочности, со стороны возвышенной части рельсовой прокладки 1, вместо сплошного широкого перехода крюкообразные кронштейны 7 соединены с подклеммными выступами 8 ребрами жесткости 13, достаточная толщина которых составляет 5-7 мм. Растягивающие главные напряжения в зоне сопряжения ребра жесткости 13 и кронштейна 7 не превышают 190 МПа.

Поскольку в конструкции с пониженной стороны рельсовой подкладки 1 имеется резкий перепад жесткости при переходе от подрельсовой поверхности 10 на кронштейны 7 и утоненную концевую часть, то требуется усиление этой части, при оптимизации массы. Поэтому со стороны пониженной части рельсовой подкладки 1 плавные переходы 15 от подклеммных выступов 8 к крюкообразным кронштейнам 7 выполнены с постепенным увеличением высоты, а по внешним сторонам кронштейнов 7 выполнены длинные приливы 16 металла. Длинные приливы 16 выполняют на всю ширину кронштейнов 7, что вместе с плавными переходами 15 до подклеммных выступов 8 создает дополнительное утолщение данной зоны, при этом высота длинных приливов 16 составляет не менее 13 мм. Конечноэлементные расчеты показали, что без применения постепенного увеличения высоты переходов 15 и без длинных приливов 16 максимальные главные напряжения в зоне сопряжения перехода 15 и кронштейна 7 составляли 360 МПа, с введением в модель постепенного увеличения высоты переходов 15, но без приливов 16 - главные напряжения составляли 282 МПа, при неполных усеченных приливах - составляли 260 МПа, а в оптимизированной конструкции согласно заявленному - не превышают 240 МПа.

Менее нагруженные торцевые части рельсовой подкладки 1 возможно облегчить за счет выполнения скруглений 17 вокруг крепежных отверстий и выполнения соответствующих выемок 18 металла в центральных частях коротких торцевых сторон. При выполнении выемок 18 металла на глубину до 20 мм растягивающие главные напряжения не превысили 90 МПа.

Снизить массу конструкции при соблюдении прочности рельсовой подкладки 1 возможно, уменьшив ее номинальную ширину до 160 мм. При уменьшении ширины до 150 мм при расчетах в отдельных зонах перехода кронштейнов были получены растягивающие напряжения, превышающие 250 МПа.

Оптимизация конструкции рельсовой прокладки 1 позволила снизить ее расчетную массу до 11,2 кг. Масса опытного образца рельсовой прокладки 1 из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом ВЧ 40 составила 10,2 кг.

Прикрепление рельсовой подкладки 1 к подрельсовому основанию осуществляют шурупами с надетыми двухвитковыми шайбами через отверстия 19, выполненные на ее краю.

Для исключения врезания нижнего острого края рельсовой подкладки 1 в амортизирующую нашпальную прокладку или шпалу нижнюю кромку 20 рельсовой подкладки 1 выполняют скругленной по радиусу 2-6 мм, причем с торцевых коротких и с длинных сторон радиусы могут отличаться по величине.

Вышеописанное безболтовое рельсовое скрепление возможно использовать на деревянных шпалах и брусе при прикреплении шурупами в засверливаемые отверстия, а также на железобетонных (полимербетонных и композитных) шпалах, плитах и брусе при прикреплении шурупами в дюбеля, расположенные в них.

Сборка узла осуществляется следующим образом. На подрельсововую зону подрельсового основания укладывают амортизирующую нашпальную прокладку 21, если она предусмотрена, и устанавливают рельсовую подладку 1. В случае использования железобетонных (полимербетонных и композитных) подрельсовых оснований производят прикрепление рельсовой прокладки 1. В случае использования деревянного подрельсового основания данную операцию производят после сборки скрепления и выставления нормативной ширины колеи.

На подрельсовую поверхность 10 укладывают амортизирующую подрельсовую прокладку 4. Затем после укладки рельса 3 вставляют нарельсовые вкладыши 9, между боковой гранью подошвы рельса 3 и крюкообразными кронштейнами 7 с ребордой 11.

Далее надевают каждую пружинную клемму 5 на крюкообразные кронштейны 7 сверху, помещая ее прямолинейную часть на полке нарельсового вкладыша 9. Концевые усы располагают между крюкообразными кронштейнами 7. Скругленные витки клемм 5 располагают на подклеммных выступах 8 головок 2.

Монорегулятор 6 заводят осями в зацепление с крюками крюкообразных кронштейнов 7 и путем поворота гаечным ключом на одну их граней регулируют натяжение клеммы 5, обеспечивая нормативную затяжку скрепления. Демонтаж скрепления осуществляется в обратной последовательности.