шпала на основе пространственного ячеистого каркаса

Формула изобретения

1. Шпала, армированная пространственным ячеистым каркасом, отличающаяся тем, что пространственный ячеистый каркас имеет сотовидную конструкцию, является формообразующим элементом шпалы и выполнен из полимерного, в том числе и полимерного композиционного материала, при этом на боковых поверхностях шпалы выполнены выступы, расположенные в зоне подрельсовых частей и/или в средней части шпалы.

2. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что в качестве полимерного материала использован сшитый полимер, например, сшитый полиэтилен.

3. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что в качестве полимерного композиционного материала использован стеклопластик на основе термореактивной синтетической смолы.

4. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что верхняя поверхность выступа является продолжением верхней поверхности шпалы.

5. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что верхняя поверхность выступа расположена ниже верхней поверхности шпалы.

6. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что нижняя поверхность выступа расположена ниже опорной поверхности шпалы.

7. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что ячейки каркаса заполнены полимерным материалом.

8. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что ячейки каркаса заполнены бетоном или полимерцементогрунтом.

9. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что шпала в целом имеет модуль упругости от 1500 МПа до 21000 МПа.

10. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что внешние стенки формообразующего каркаса являются внешними стенками шпалы.

11. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что каркас выполнен полым.

12. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что внутренние стенки каркаса имеют перфорацию.

13. Шпала по п.5, отличающаяся тем, что выступы соединены между собой через основание шпалы с помощью перемычки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкциям верхнего строения рельсовых путей, в частности к армированным шпалам, и может найти применение на магистральных железнодорожных линиях, в том числе высокоскоростных, в тоннелях, метрополитенах и на подъездных железнодорожных путях промышленных предприятий.

Так как шпалы относятся к подрельсовым опорам, то они должны обладать прочностью, износостойкостью и долговечностью в условиях переменных силовых и природно-климатических воздействий, дешевизной, недефицитностью и технологичностью в массовом производстве, упругостью и диэлектричностью, высокой сопротивляемостью продольным и поперечным смещениям при эксплуатации (под ред. Яковлевой Т.Г. Железнодорожный путь. М.: Транспорт, 2001, с.42).

Известна полимерная армированная шпала, в которой арматура выполнена в виде короба, расположенного по длине шпалы, а в зонах подрельсовых частей шпала содержит металлические плиты, жестко закрепленные на коробе и расположенные симметрично под углом друг к другу и под углом 15-25° к основанию шпалы (см. патент РФ № 75857 на полезную модель «Шпала», приоритет от 2008.04.21, опубликован 2008.08.27).

Данная шпала удовлетворяет требованиям прочности, износостойкости, долговечности, упругости и диэлектричности. Однако такая шпала достаточно дорога, что связано с высокой стоимостью полимера, используемого в большом количестве для изготовления шпалы. Необходимость точного расположения армирующего короба в форме, фиксация его в заданном положении, а также закрепление на коробе металлических плит симметрично под углом друг к другу и под углом 15-25° к основанию шпалы делают данную шпалу нетехнологичной в массовом производстве.

При укладке в путь таких шпал не обеспечивается необходимое сопротивление перемещениям их вдоль и поперек пути, в том числе и в особо сложных условиях (в кривых), что из-за неравномерного распределения усилий (нагрузки) на балласт может привести к неравномерной осадке пути, выдавливанию балласта и к повороту шпалы в вертикальной плоскости, что снижает срок службы пути между очередными ремонтами.

Известна шпала, выбранная в качестве прототипа и описанная в патенте РФ № 43553 на полезную модель «Железобетонная шпала» с приоритетом от 2004.05.28, опубликованном 2005.01.27.

В данной бетонной шпале, армированной пространственным ячеистым каркасом, выполненным из металла и расположенным по длине шпалы, ячейки (в плане) расположены горизонтально (длина ячеек соизмерима с шириной шпалы), в средней части тела шпалы вдоль продольной оси симметрии выполнено сквозное отверстие, а в ячейках каркаса, расположенных в зонах подрельсовых частей, зафиксированы металлические трубки с деревянными пробками для костыльного крепления.

Бетонная шпала, армированная ячеистым каркасом, представляет собой конструкцию, которая при эксплуатации в условиях повышенных статических, циклических и динамических нагрузок распределяет действующие нагрузки на значительную площадь, за пределы зоны их воздействия, в результате чего снижается величина вертикального напряжения на основание (балласт) рельсового пути и на земляное полотно, что повышает их несущую способность.

Важным требованием для изготовления железобетонных шпал является высокая точность соблюдения геометрических параметров, что представляет большие трудности для изготовителей. К ним относятся, например, требования к допускам по длине и углу наклона отдельных элементов, особенно в подрельсовых частях.

Шпалы из железобетона могут в течение срока службы испытывать значительное число циклов замерзания/оттаивания, что может привести бетон в экстремальное напряженное состояние - при неблагоприятном стечении обстоятельств такая цикличность может вызвать повреждение структуры бетона в результате расширения воды при замерзании в его капиллярных порах. Возникающие трещины в рассматриваемой шпале распространяются во всех направлениях в пределах каждой ячейки каркаса, не распространяясь на соседние ячейки. Но так как объем каждой ячейки достаточно большой, то и возникающие трещины имеют большую протяженность.

В основном металл в бетоне шпалы защищен от коррозии, однако при наличии трещин в бетон из воздуха проникают окись углерода и хлориды, что приводит к коррозии металла, а в дальнейшем - к внезапному разрушению шпалы.

Для снижения электропроводности шпалы и для защиты арматуры от внешних воздействий, высокой температуры, агрессивной среды и т.п. при изготовлении шпалы со всех сторон от арматуры формируют защитный слой бетона, толщина которого назначается в зависимости от размеров арматуры, вида и класса бетона, условия работы шпалы и т.д. В среднем толщина защитного слоя бетона с каждой стороны шпалы должна быть равна не менее 25 мм (ГОСТ 21174-75), что увеличивает расход бетона, ее стоимость, вес шпалы, и, как следствие, необходимость применения мощного кранового оборудования для укладки звеньев рельсошпальной решетки.

При изготовлении известной шпалы требуются точная установка готового пространственного каркаса в металлоформу и надежная фиксация его в заданном положении, что делает данную шпалу нетехнологичной в массовом производстве.

При укладке в путь таких шпал не обеспечивается необходимое сопротивление перемещениям их вдоль и поперек пути, в том числе и в особо сложных условиях (в кривых), что из-за неравномерного распределения нагрузки на балласт может привести к неравномерной осадке пути, выдавливанию балласта и к повороту шпалы в вертикальной плоскости, что снижает срок службы пути между очередными ремонтами.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание дешевой, конструктивно и технологически простой шпалы, обладающей высокой точностью геометрических параметров, высокой сопротивляемостью продольным и поперечным смещениям при эксплуатации и необходимыми показателями прочности, износостойкости, упругости и диэлектричности.

Решением данной задачи является заявляемая шпала, армированная пространственным ячеистым каркасом, новым в которой является то, что пространственный ячеистый каркас имеет сотовидную конструкцию, является формообразующим элементом шпалы и выполнен из полимерного, в том числе и полимерного композиционного, материала, при этом на боковых поверхностях шпалы выполнены выступы, расположенные в зоне подрельсовых частей и/или в средней части шпалы.

В качестве полимерного материала может быть использован сшитый полимер, например сшитый полиэтилен. В качестве полимерного композиционного материала может быть использован, например, стеклопластик на основе термореактивной синтетической смолы.

Верхняя поверхность выступа может являться продолжением верхней поверхности шпалы, или верхняя поверхность выступа может располагаться ниже верхней поверхности шпалы. Нижняя поверхность выступа может быть расположена ниже опорной поверхности шпалы. Выступы могут быть соединены между собой через основание шпалы с помощью перемычки.

Ячейки каркаса могут быть заполнены полимерным материалом, или бетоном, или полимерцементогрунтом.

Заявляемая шпала в целом может иметь модуль упругости от 1500 до 21000 мегапаскалей.

Внешние стенки формообразующего каркаса могут являться внешними стенками шпалы.

Каркас может быть выполнен полым, а внутренние стенки каркаса могут иметь перфорацию.

Каркас - это остов изделия, состоящий из отдельных скрепленных между собой элементов (см. Советский энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1979 г., с.555). Элементы каркаса могут соединяться между собой, например, при формовании каркаса или за счет склеивания элементов между собой, или любым другим надежным способом.

Сотовидный каркас состоит из связанных между собой ячеек, которые в плане расположены по вертикали и горизонтали.

Формообразующий каркас определяет внешнюю форму шпалы, что позволяет обеспечить высокую точность геометрических параметров шпалы без использования металлических форм, что делает процесс изготовления шпал технологичным и дешевым.

Формообразующий каркас выполнен из полимерного материала, в качестве которого может быть использован сшитый полимер, например сшитый полиэтилен, а также полимерный композиционный материал, например стеклопластик на основе термореактивной синтетической смолы. Сшитые полимеры нерастворимы, не способны к высокоэластическим деформациям, имеют повышенные прочностные свойства и хорошую температурную стойкость. Каркас, выполненный из полимерного композиционного материала, не подвержен коррозии и гниению, стоек к действию агрессивных сред, обладает прочностью на уровне высококачественных конструкционных сталей и высокой усталостной прочностью, имеет хорошие диэлектрические свойства. Материал каркаса выбирается исходя из класса пути: в пути с малой грузонапряженностью каркас может быть выполнен из полиэтилена; в пути со средней грузонапряженностью каркас может быть выполнен из сшитого полиэтилена; в пути с высокой грузонапряженностью каркас шпалы может быть выполнен из полимерного композиционного материала. Использование полимерных материалов для изготовления каркаса позволяет создать шпалу, удовлетворяющую требованиям диэлектричности, прочности, износостойкости и долговечности в условиях переменных силовых и природно-климатических воздействий, а также обеспечить во времени стабильность размеров каркаса и шпалы в целом. При этом из-за небольшого веса формообразующего каркаса (по сравнению с весом металлической арматуры) и шпалы в целом для укладки звеньев рельсошпальной решетки не требуется мощное крановое оборудование и специальные грузоподъемные механизмы и техника.

Сотовидная конструкция каркаса увеличивает износостойкость и долговечность шпалы в условиях переменных силовых и природно-климатических воздействий. Благодаря небольшому размеру ячеек возникшие при неблагоприятных условиях трещины в наполнителе (в бетоне, полимерцементогрунте) имеют малую протяженность и разупрочнение наполнителя происходит на небольшом участке, соизмеримом с площадью ячейки, что практически не влияет на прочностные свойства шпалы в целом. Небольшой размер ячеек каркаса увеличивает долю каркаса в шпале, что позволяет снизить расход заполняющего ячейки наполнителя, в частности полимерного материала, то есть снизить стоимость шпалы.

Наличие выступов, выполненных за одно целое со шпалой на ее боковых поверхностях и расположенных в зоне подрельсовых частей (в зоне воздействия динамических нагрузок) и/или в средней части шпалы (средняя часть шпалы - это участок шпалы, расположенный между подрельсовыми частями), позволяет увеличить поверхность контакта шпалы с основанием (балластом, плитой), что повышает сопротивление поперечному сдвигу и уменьшает нагрузку на основание, то есть обеспечивается равномерное распределение усилий на основание и более равномерная осадка пути, что исключает возможность поворота шпалы в вертикальной плоскости и увеличивает срок службы пути между очередными ремонтами.

Расположение выступов в центре средней части шпалы дополнительно увеличивает жесткость средней части шпалы, что позволяет уменьшить ее изгиб под действием поездной нагрузки, то есть увеличить несущую способность средней части шпалы.

Верхняя поверхность выступа может являться продолжением верхней поверхности шпалы или может быть расположена ниже верхней поверхности шпалы. Более технологичной является конструкция шпалы, в которой верхняя поверхность выступов является продолжением верхней поверхности шпалы. За счет уменьшенного расхода композиционного материала более дешевой является шпала, в которой верхняя поверхность выступа расположена ниже уровня верхней поверхности шпалы.

В том случае, когда выступы расположены в зоне подрельсовых частей шпалы и верхняя поверхность каждого выступа является продолжением подрельсовой площадки шпалы, увеличивается площадь контакта рельса со шпалой, что уменьшает прогиб рельсов под движущейся нагрузкой, а следовательно, уменьшается и угон пути. При этом контактное давление рельса на шпалу уменьшается, снижается нагрузка на нижнее строение пути, благодаря чему увеличивается его несущая способность и повышается стабильность пути.

В том случае, когда нижняя поверхность выступа расположена ниже опорной поверхности шпалы примерно на 5-10 см, увеличивается площадь контакта шпалы с балластом, что за счет повышения сопротивления шпалы продольному сдвигу уменьшат угон пути и, как следствие, защищает путь от разрушения. Изменяя высоту той части выступа, которая расположена ниже опорной поверхности шпалы, можно менять сопротивление шпалы продольному сдвигу.

Рациональной считается симметричная конструкция шпалы.

Соединение выступов между собой через основание шпалы с помощью перемычки обеспечивает дополнительное увеличение сопротивления поперечному сдвигу шпалы, а расположение перемычки в подрельсовой зоне дополнительно увеличивает ее прочность.

Выбор особенностей выполнения и расположения выступов на боковой поверхности шпалы осуществляется исходя из конкретных условий эксплуатации. Например, на тех участках пути, где больше проявляется угон (на спусках, на тормозных участках, на участках с большим грузопотоком), целесообразно использовать шпалу с выступами, нижняя поверхность которых расположена ниже опорной поверхности шпалы, в том числе и шпалу, в которой выступы соединены между собой через основание шпалы с помощью перемычки.

Ячейки каркаса могут быть заполнены полимерным материалом, или бетоном, или полимерцементогрунтом. В качестве полимерного материала может быть использован, например, полиэтилен или полипропилен (группа полиолефинов), для которых характерны упругость, высокая механическая прочность и хорошие диэлектрические свойства, устойчивость к действию агрессивных сред. Полимерцементогрунт можно рассматривать как разновидность бетона, который состоит из связующего - цемент, инертного материала (заполнителя) - грунт, полимерной добавки, растворенной в воде.

Так как излишне жесткая конструкция шпалы может быть повреждена при интенсивных циклических и динамических нагрузках от подвижного состава, при испытаниях заявляемой шпалы было установлено, что для повышения упругости шпалы желательно, чтобы она (в зависимости от класса пути) имела модуль упругости от 1500 до 21000 мегапаскалей. Упругость шпалы обеспечивается конструкцией, материалом каркаса и связанного с ним наполнителя. Упругие свойства бетона и полимерцементогрунта могут быть оптимизированы полимерной добавкой.

Полимерная добавка одновременно с увеличением упругости наполнителя увеличивает и его прочность, в частности за счет повышения водонепроницаемости и стойкости к образованию трещин, уменьшения усадочных деформаций. Полимерная добавка выбирается из числа известных добавок.

В каждой ячейке каркаса наполнитель (полимерный материал, бетон, полимерцементогрунт) находится в контакте только с ее стенками, а при наличии в стенках каркаса перфорации образуется дополнительная связь между наполнителями соседних ячеек.

Возможность использования внешних стенок формообразующего ячеистого каркаса в качестве стенок шпалы без формирования внешнего защитного слоя объясняется тем, что формообразующий каркас не нуждается в дополнительной внешней защите, так как обладает хорошими диэлектрическими свойствами, не подвержен коррозии и гниению, стоек к действию агрессивных сред. Отсутствие защитного слоя позволяет снизить расход материала, вес шпалы и ее стоимость.

Выполнение каркаса полым (без донной стенки) снижает его материалоемкость, а значит, и стоимость шпалы. Данная конструкция шпалы используется преимущественно для укладки на плитное основание.

При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».

Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1- 5 схематично изображены варианты выполнения формообразующего ячеистого каркаса заявляемой шпалы.

Шпала состоит из формообразующего пространственного ячеистого каркаса 1, ячейки 2 которого заполнены полимерным материалом, или бетоном, или полимерцементогрунтом. Каркас 1 имеет сотовидную конструкцию и выполнен из полимерного материала, в качестве которого может быть использован сшитый полимер, например сшитый полиэтилен, или полимерный композиционный материал, например стеклопластик на основе термореактивной синтетической смолы (эпоксидной). На боковых поверхностях 3 шпалы выполнены выступы 4, расположенные в зоне 5 подрельсовых частей и/или в средней части 6 шпалы. Верхняя поверхность 7 выступа 4 может являться продолжением верхней поверхности шпалы (фиг.1-4). Верхняя поверхность 7 выступа 4 может быть расположена ниже верхней поверхности шпалы на величину h1 (фиг.5). Нижняя поверхность 8 выступа 4 может быть расположена ниже опорной поверхности шпалы на величину h2 (фиг.5). Выступы 4, расположенные на противоположных боковых поверхностях 3, соединены между собой через основание шпалы с помощью перемычки (фиг.5).

Шпала в целом имеет модуль упругости от 1500 до 21000 мегапаскалей. Оптимальная площадь каждой ячейки 2 каркаса 1 равна 250-360 мм² . Внешние стенки 9 формообразующего каркаса 1 являются внешними стенками шпалы. Каркас 1 выполнен полым (без донной стенки), а внутренние стенки каркаса имеют перфорацию (на чертеже не показано). Глубина ячеек 2 каркаса 1 соответствует высоте шпалы в каждом ее конкретном поперечном сечении. Толщина стенок ячеек 2 каркаса выбирается исходя из конкретных условий эксплуатации (железнодорожный или трамвайный путь, грузонапряженность пути и т.д.) и может быть равна 5-10 мм.

Заявляемую шпалу изготавливают следующим образом: формуют каркас 1, форма которого полностью соответствует форме шпалы; в заранее определенные места 10 или ячейки 2 каркаса 1 устанавливают элементы, относящиеся к рельсовым скреплениям, например анкеры, закладные детали и т.п.; заполняют ячейки 2 каркаса 1 наполнителем - бетоном, или полимерцементогрунтом, или полимерным материалом; уплотняют, например, вибрацией. После затвердевания наполнителя шпала считается готовой к применению.

Из готовых шпал собирают рельсошпальные решетки, которые привозят к месту применения и последовательно укладывают на подготовленное основание в виде балластного слоя или плит. Шпалы для укладки на основании из плит могут изготавливаться непосредственно на месте: формообразующий каркас 1 укладывают на подготовленное основание, заполняют бетоном или полимерцементогрунтом и уплотняют. Шпалы укладывают с образованием установочного зазора между выступами 4.

Под действием статических и динамических нагрузок каркас 1 принимает на себя часть этих нагрузок, а оставшаяся нагрузка передается на соседние ячейки 2 с наполнителем. Ячейки 2, связанные между собой в пространственной структуре каркаса 1, распределяют нагрузку на большие поверхности основания, в результате снижается величина вертикального напряжения на основание, то есть снижается вероятность его разрушения. Благодаря упругим свойствам наполнителя снижается уровень разрушительных упругих колебаний в шпале, что также увеличивает защиту основания. Благодаря выступам 4 увеличивается поверхность контакта шпалы с основанием (балластом), что повышает сопротивление поперечному и продольному сдвигу, более равномерно распределяются усилия на основание, уменьшается изгиб средней части шпалы, уменьшается угон пути.

При установке шпалы на балластное основание частицы балласта вдавливаются в материал каркаса на глубину не более 2 мм, и таким образом положение верхнего слоя балласта оказывается зафиксированным, а нежелательное перемещение частиц балласта может иметь место только в нижних его слоях.

Заявляемая шпала недорога, конструктивно и технологически проста, обладает высокой точностью геометрических параметров, высокой сопротивляемостью продольным и поперечным смещениям при эксплуатации и необходимыми показателями прочности, износостойкости, упругости и диэлектричности.