Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОИЗОЛИРУЮЩЕЕ СТЫКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ РЕЛЬСОВ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Область техники

Изобретение относится к устройству верхнего строения железнодорожного пути, в частности к электроизолирующим стыковым соединениям рельсов.

Уровень техники.

Известно электроизолирующее стыковое соединение рельсов, содержащее расположенные по сторонам рельсов наладки с отверстиями для элементов крепления, выполненные из стали с пластмассовым покрытием (Патент Великобритании №1033663, кл.1 G24В, 1966 г.).

Однако известное устройство имеет недостаточно высокое сопротивление продольному сдвигу накладок относительно рельсов, особенно при их укорочении при отрицательных температурах.

Известно электроизолирующее стыковое соединение рельсов, содержащее расположенные по сторонам рельсов накладки с отверстиями для элементов крепления, выполненные из стали с пластмассовым покрытием, на пластмассовом покрытии каждой накладки в зоне взаимодействия ее с рельсами выполнены вертикальные выступы с гранью, расположенной под острым углом к боковой поверхности рельсов, направленным своей вершиной в сторону стыкового зазора, а указанные выступы размещены зеркально. При этом в пластмассовом покрытии накладок распределены износостойкие или металлические гранулы, твердость которых больше твердости рельсов (Патент РФ №997613, кл. Е01В 11/54, 1983 г.).

Известно конструктивно-технологическое решение клееболтовых стыков (ТУ 32 ЦП 336-8 «Стыки рельсовые клееболтовые изолирующие» УДК 625.143.4 Группа В42, ВНИИЖТ, МПС, М., 1984 г.).

Стык содержит расположенные по сторонам рельсов накладки с отверстиями для элементов крепления, выполненные из стали, и изолирующие прокладки из стеклоткани, пропитанной эпоксидным составом.

Изолирующая прокладка изготавливается из стеклоткани сатинового плетения марки Т-11 с парафиновым аппретом, пропитанной с клеевым составом холодного отверждения на основе эпоксидной смолы.

Недостатками технологии являются:

- Низкая жизнеспособность пропитанного материала (1÷1,5 час);

- Наклейка пропитанной стеклоткани послойно на рельс или накладки;

- Токсикологическая опасность таких работ;

- Вытекание клея при первичной затяжке и возможность образования воздушных включений (непроклеев).

Ввиду недостаточной адгезии эпоксидных клеев холодного отверждения к металлу сопротивление сдвигу таких стыков достигает лишь 150 т, при современном требовании не менее 250 т.

Известно конструктивно-технологическое решение клееболтовых стыков (ТУ 32 ЦП 898-98 «Стык изолирующий рельсов Р-65 с комбинированными (металлокомпозитными) накладками» ЦП МПС, М., 1998).

Стык содержит расположенные по сторонам рельсов накладки с отверстиями для элементов крепления, выполненные из стали, и изолирующие прокладки.

В связи с тем, что нет клеев, имеющих одинаковую адгезию к металлу и изолирующей прокладке, процесс изготовления данного стыка разделен на два цикла:

- Приформовка в горячем гидропрессе к металлической накладке (2) изолирующей прокладки (3) с тонкой металлической обечайкой (4);

- Вклейка накладок с готовой изолирующей прокладкой в рельсовый стык с помощью импортного клея ARALDITE 2015.

Недостатками данного способа являются:

- многодельность, отдельно приформовываются изолирующие прокладки к накладкам, отдельно формируются изолирующие втулки для болтов;

- чрезвычайно низкая жизнеспособность клеевой композиции всего 10 мин после приготовления, за этот промежуток времени необходимо равномерно промазать поверхности площадью 0,7 м², собрать стык и затянуть болты;

- поскольку на накладке приформована прокладка заданной толщины, а зазор между рельсом и накладкой не имеет строгой эквидистанты, требуется для различных стыков подбор накладок требуемого размера по специальной таблице. Это существенно усложняет производство.

Таким образом известные конструкции изолирующих стыков рельсов и способы их изготовления не обеспечивают необходимой прочности, в частности, не обеспечивают необходимой сдвиговой прочности соединения при работе на сжатие. Кроме того, способы имеют низкую технологичность: сложны и небезопасны в производстве, не обеспечивают необходимое качество соединений.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является разработка конструкции и технологии изготовления электроизолирующего стыкового соединения рельсов, обеспечивающих его высокую сдвиговую прочность при сжатии и повышение эксплуатационных характеристик железнодорожного пути.

Кроме того, конструкция соединения должна быть простой, надежной в работе и обладать высокой технологичностью.

Более того, способ изготовления должен обеспечивать высокое качество соединения, возможность изготовления стыка в полевых условиях при повышении производительности.

Согласно изобретению поставленная задача достигается тем, что в электроизолирующем стыковом соединении рельсов, состоящем из концов рельсов, накладок с крепежом и вклеенных изолирующих прокладок на основе стеклопластика, прокладки выполнены из слоистого эпоксидного стеклопластика с количеством слоев, равным 3-9, с армирующим материалом в виде кордной стеклоткани, в которой суммарный текс продольных нитей (основа) и поперечных нитей (уток) составляет соотношение (10-5) к 1, а в способе изготовления, включающем подготовку поверхностей накладок, рельсов и болтов, изготовление изолирующих прокладок, включающее изготовление и раскрой препрега, подформовку заготовок изолирующих прокладок к геометрии стыкуемых поверхностей, изолирование поверхности болтов, вклейку изолирующих прокладок и сборку стыка, раскроенный препрег с заданным количеством слоев выкладывают на деревянную оправку с поверхностью, повторяющей внутренний контур накладки, с обеих сторон пакета препрега укладывают слои клеевой пленки, собранный пакет вместе с оправкой формуют под вакуумом до получения изолирующих прокладок с однородной структурой и заданной геометрией, полученные прокладки выкладывают на обработанную предварительно нагретую поверхность накладок, вырезают отверстия под болты, после чего производят сборку и термообработку стыка.

Кроме того, пакеты препрега формуют в герметичном мешке из полимерной пленки под вакуумом 0,7÷0,8 атм и температуре 50±5°С в течение 15÷30 мин, а сборку и термообработку стыка выполняют в два этапа: сначала производят предварительную затяжку болтов и предварительный разогрев стыка до получения температуры в нем (85±5)°C, после чего производят окончательную затяжку болтов с установленным моментом, стык нагревают до (135÷140)°C и выдерживают при этой температуре не менее 1,5 часа.

Более того, возможно пакеты препрега перед формованием обрабатывать латентным отвердителем. После формования прокладки охлаждают и герметично упаковывают, а перед сборкой стыка прокладки распаковывают, производят их установку на накладки, после чего производят сборку и термообработку стыка.

Такое выполнение конструкции и способа изготовления позволяет получить качественное электроизолирующее стыковое соединение рельсов, обеспечивающее:

- высокую сдвиговую прочность при сжатии;

- надежность работы соединения во всеклиматических условиях.

Кроме того, способ позволяет выполнять работы в полевых условиях при обеспечении качества.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана конструктивно-технологическая схема клееболтового изолирующего стыка рельсов (в поперечном сечении), выполненного в соответствии с изобретением.

Осуществление изобретения

Обычный болтовой стык рельсовых путей состоит из двух концов рельсов, стянутых болтами через шестидырчатые стальные накладки.

В соответствии с изобретением электроизолирующее стыковое соединения рельсов состоит (см. чертеж) из концов рельсов 1, накладок 2, связанных между собою крепежом, например болтами с гайками 3, и вклеенных изолирующих прокладок 5 на основе стеклопластика. Тело болта также изолировано от рельсов намоткой из стеклопластика 4.

Изолирующие прокладки выполнены из слоистого эпоксидного стеклопластика с количеством слоев, равным 3-9, с армирующим материалом в виде кордной стеклоткани, в которой суммарный текс продольных нитей (основа) и поперечных нитей (уток) составляет соотношение (10-5) к 1.

Изолирующая прокладка между рельсом и накладкой помимо изолирующей функции должна обеспечить требуемое сдвиговое сопротивление.

Такое строение армирующего материала обеспечивает изменение толщины на отдельных участках стыка в процессе затяжки болтов ±30% от номинала, тем самым способствуя равномерному заполнению пространства между рельсом и накладкой, что позволяет компенсировать неравномерность зазора между рельсом и накладками.

Наружные слои прокладки, соприкасающиеся с металлом, образуются из высокопрочного эпоксидного клея марки ВК-51А. Данный клей, с одной стороны, обеспечивает необходимую сдвиговую прочность в контакте с металлом, с другой стороны, физически и химически однородную структуру на границе раздела с внутренним слоем стеклопластика. Оба материала отверждаются 3 (3,4-дихлордифенил)-1,1-диметил мочевиной (отвердитель №9).

Способ изготовления электроизолирующего стыкового соединения рельсов

Технологический процесс включает:

- Приготовление связующего.

- Изготовление препрега (пропитку стеклоткани связующим).

- Изготовление изолирующих прокладок, включающее:

раскрой препрега для изолирующих прокладок и обмотки болтов;

выкладку и вакуумную подформовку заготовок прокладок из препрега и пленочного клея прокладок к геометрии стыкуемых поверхностей;

- Подготовку поверхности накладок, рельсов и болтов (зачистка, дробеструйка, обезжиривание).

- Установку полимерных прокладок на накладки, вырезку отверстий под болты.

- Обмотку болтов лентами препрега.

- Сборку стыка: стыковку рельсов с накладками и предварительную стяжку болтами.

- Термообработку стыка:

подогрев подготовленных стыков в термокамере до T=(80÷90)°C;

выем из камеры и окончательную протяжку болтов;

помещение стыков в термокамеру, повышение температуры до (135÷140)°C и выдержку в течение не менее 1,5 часа.

- Выемку из камеры и естественное охлаждение.

Вышеприведенная технология предназначена для сборки рельсов в заводских условиях.

Перед сборкой стыка рельсов в полевых условиях накладки распаковывают, производят их установку на накладки, после чего производят сборку и термообработку стыка с помощью устройства индукционного нагрева.

1. Пример осуществления изобретения

1.1. Приготовление связующих и изготовление препрегов

Отвердитель №9 бис (NN'-диметилкарбамид)дифенилметан, дициандиамид или их смесь измельчают до тонкодисперсного состояния с размером частиц 3-5 мкм. Полученный порошок вводят в предварительно нагретую до (50÷60)°С эпоксидиановую смолу ЭД-22 (ЭД-20). Полученную смесь перетирают на краскотерочной машине до однородной консистенции. Полученная паста может храниться в течение 6 мес при комнатной температуре или до 1 года в холодильнике.

В смеситель с пропеллерной мешалкой загружают эпоксидиановую смолу типа ЭД-22, высокомолекулярную эпоксидиановую смолу типа Э-49 и перемешивают до получения однородной массы (расплава) при (140÷150)°С в течение 3 час.

Полученный сплав смол процеживают через сито с размером ячейки (0,3÷0,5) мм. Сплав смол загружают в смеситель, нагревают до (65÷75)°С, вводят приготовленную пасту и производят перемешивание компонентов в течение 1,5 час.

Полученное связующее хранят в плотно закрытой таре в течение 3 мес при комнатной температуре и 1 год при температуре (5÷10)°С.

В составе связующего могут применяться эпоксидиановые смолы ЭД-22, ЭД-20 и др., высокомолекулярные эпоксидиановые смолы типа Э-49П (ТУ210-1592-76), полученные сополимеризацией эпоксидиановой смолы Э-40 (ОСТ6-10-416-76) с дифенилолпропаном. Отвердители дициандиамид (1-цианогуанидин) (ТУ 6-09-3967-80) и бис (NN'-диметилкарбамид)дифенилметан - отвердитель №9 (ТУ 6-14-22-159-83).

При получении препрега по растворной технологии используют растворитель - смесь алифатического спирта (этиловый, изопропиловый) и ацетона при их массовом соотношении 3:5.

Для получения препрегов по растворной технологии возможно использование раствора связующего, полученного смешением компонентов по традиционной технологии, т.е. одновременной загрузкой всех компонентов в реактор-смеситель и перемешиванием при Т=(60±5)°С в течение 1,5÷2,5 ч.

Для получения препрега в качестве армирующего наполнителя используются кордные стеклоткани из высокомодульного стекловолокна марки ВМП с соотношением продольных (основа) и поперечных (уток) нитей 1:8 (12). Стеклоткани выпускаются по ТУ-11-380-76 марки Т-25 (ВМП), Т-26 (ВМП), Т-50 (ВМП) и др.

1.1.1. По расплавной технологии препрег можно получать на линии CD-6000 (США, фирма Century Design INC) или других аналогах.

Расплавленное связующее при температуре (65÷75)°С выливается из фильеры на движущуюся бумажную подложку. Стеклоткань подается к бумаге с нанесенным расплавом связующего. Весь пакет проходит последовательно через обогреваемую камеру (t=60÷70°C) и каландры, где происходит формирование качественного препрега.

Полученный препрег может храниться до 3-х мес при температуре до 25°С и в холодильнике не менее года.

1.1.2. По растворной технологии препрег получают на установках для пропитки тканей типа УПСТ-1000М (ОАО «САВМА»). Ткань пропитывается в ванне раствором связующего концентрации (62±2)%, затем подсушивают в вертикальной сушильной камере при t=(60÷90)°C до содержания остаточного растворителя в готовом препреге (1±0,5)%.

Состав растворных и расплавных препрегов приведен в таблице

1.2. Раскрой препрега

Для изготовления прокладок препрег раскраивают на ленты вдоль линии полотна. Длина ленты равна длине накладки +(5÷10) мм на припуск (т.е. 1005÷1010 мм для шестидырной накладки). Ширина полосы равна длине образующей, сопрягающейся с рельсом +5 мм припуска (т.е. в конкретном примере (160÷170) мм).

Для изоляции тела болтов препрег кроится поперек длины полотна препрега. Ширина полосы равна длине от головки до резьбовой части болта - (2÷3) мм; длина полосы подбирается экспериментально, таким образом, чтобы обмотанный болт свободно вставлялся в стыкуемые отверстия накладок и рельса.

1.3. Изготовление изолирующих прокладок

Сборка производится на деревянной модели поверхности накладки длиной ˜1200 мм и высотой (50÷60) мм.

Деревянная оправка, прогретая в термошкафу до (40÷45)°С, покрывается полиэтиленовой пленкой, которая фиксируется липкой лентой Скотч. На пленку выкладывается и разглаживается лента пленочного клея ВК-51А шириной, соответствующей ширине лент препрега, затем последовательно выкладывается от 3 до 9 слоев препрега с разглаживанием и(или) прикаткой резиновым роликом. Количество слоев выбирается в соответствии с толщиной прокладки, заданной чертежом на стык.

Поверх слоев препрега выкладывается слой клеевой пленки и разделительная полиэтиленовая пленка.

Далее производятся выкладка и вакуумная подформовка заготовок изолирующих прокладок к геометрии стыкуемых поверхностей.

Для придания заготовкам прокладок конфигурации зазора между рельсом и накладкой раскроенный препрег выкладывается на деревянную оправку с поверхностью, повторяющей внутренний контур накладки. Количество слоев препрега устанавливается от 3 до 9 (в зависимости от типа рельса и накладки). Три слоя достаточны для создания надежной электроизоляции. С обеих сторон пакета препрега укладываются слои клеевой пленки.

Собранный пакет вместе с оправкой помещается в герметичный мешок из полимерной пленки и далее пакет формуют под вакуумом 0,7÷0,8 атм и температуре 50±5°С в течение 15÷30 мин до получения изолирующих прокладок с однородной массой и заданной геометрией

После подпрессовки заготовки охлаждаются и упаковываются по 4 шт. с комплектацией 12 болтами, обмотанными лентой препрега и образцом - свидетелем препрега (1,5÷2 дм²) для анализов продления (при необходимости) срока хранения заготовок прокладок.

Пакеты препрега с клеем содержат латентный отвердитель, который после формовки под вакуумом позволяет хранить прокладки при Т° до 20°C в течение 3 мес в полевых условиях, а при Т=-8÷-18°C - в течение года на складе.

1.4. Сборка стыка (в условиях производства)

Рельс разрезается на две половинки и укладывается на сборочном приспособлении торцами с отверстиями встык друг к другу. Между торцами устанавливается стандартная изолирующая пластмассовая вставка с профилем рельса.

Поверхности торцов рельсов и поверхности накладок, подлежащие склеиванию, подвергаются пескоструйной или дробеструйной обработке (срок хранения деталей с обработанными поверхностями до сборки не более 10 час).

Накладки перед сборкой подогреваются до температуры 40±5°С и обезжириваются сначала бензином БР-1, затем ацетоном. С заготовки полимерной прокладки снимается внутренняя полиэтиленовая пленка, она укладывается на подготовленную поверхность накладки и плотно прикатывается к ней резиновым роликом. В местах отверстий под болты острым ножом прорезаются отверстия.

Поверхности торцов рельсов также обезжириваются. Затем они стыкуются с двумя подготовленными накладками и стягиваются болтами, обмотанными препрегом.

Сборка помещается в термокамеру и нагревается до Т=80÷90°С, извлекается из камеры и болты затягиваются с усилием, установленным техдокументацией на изделие. Сборка возвращается в термокамеру, температура повышается до 135÷140°С и при этой температуре собранный стык выдерживается не менее 1,5 час. После термообработки изделие извлекается из термокамеры и подвергается естественному охлаждению.

Изготовленный в соответствии с изобретением стык рельсов обладает высокими прочностными и эксплуатационными характеристиками.

Использование в конструкции предлагаемого клееболтового стыка из стеклопрепрегов на основе модифицированного эпоксидного связующего и пленочного клея горячего отверждения позволяет получить максимальную адгезию полимерной прослойки к металлу (до 7,0 МПа) и прочность на сдвиг, в 1,5 раза превышающую прочность клеевых соединений холодного отверждения (до 36,0 МПа).

Благодаря специальной структуре армирующего наполнителя (стеклоткани) толщина изолирующей прослойки из 6-8 слоев препрега может изменяться в пределах от 1,8 до 3,4 мм, что обеспечивает равномерное заполнение зазора между накладкой и рельсом в пределах допусков изменения геометрического контура их поверхности.

Длительный срок хранения препрегов и клеевой пленки 3 мес при температуре до 25°С и более одного года в холодильной камере позволяет выделить изготовление заготовок изолирующих прокладок в отдельное производство, соответствующее нормам безопасности для химических производств.

Наиболее близкое по своим физико-механическим показателям устройство изолирующего стыка с металлокомпозитными прокладками более трудоемко и стоимость комплекта из 4-х прокладок составляет около 2500 руб, в то время как ожидаемая стоимость предлагаемого комплекта прокладок составит всего 600 руб.

Длительная жизнеспособность препрега и клея (3 месяца при нормальной температуре) позволяет длительное время транспортировать накладки, производить установку и ремонт изолирующих стыков в передвижных мастерских и в полевых условиях.