рельсовая конструкция для скоростного пути

Формула изобретения

Рельсовая конструкция для скоростного пути, содержащая рельс, опирающийся на рельсовую подкладку, отличающаяся тем, что сечение рельса выполнено сбалансированным арочным с главой в замке арки и двумя симметричными пятами-подошвами, соединенными с главой сплошными стенками, причем подкладка выполнена непрерывной по всей длине рельса с Г-образными гребнями, обращенными внутрь, и гофром вверх посередине, западающим под арку рельса, пяты арки рельса западают под гребни подкладки, шпала снабжена выступом, западающим под гофр подкладки, а статические моменты верхней и нижней половин сечения равны друг другу

S_хв= S_хн,

где S_хв и S_хн - соответственно статические моменты верхней и нижней половин сечения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и к подкрановым конструкциям преимущественно при скоростном движении и интенсивной эксплуатации.

За прототип примем обычный железнодорожный рельс [1, с. 8; 2, с. 510; 3, с. 270] с соотношением высоты к ширине подошвы 1,12-1,23.

У прототипа имеются следующие недостатки: плохая устойчивость рельса при действии боковых сил Т, так как высота рельса больше его ширины, отсутствие амортизирующей способности, сложность закрепления рельса к шпалам или основанию.

У всех применяемых в настоящее время железнодорожных и подкрановых рельсов центр тяжести не совпадает с серединой высоты сечения, поэтому моменты сопротивления верхний W_хв и нижний W_хн не равны между собой. У рельса Р50 разбаланс достигает 15%, а у кранового рельса КР60 - 17%. Очевидно, этот недостаток должен быть устранен, то есть сечение рельса должно быть сбалансировано.

Указанные недостатки могут быть устранены выполнением рельса сбалансированным арочным в сечении с главой в замке арки и двумя симметричными пятами - подошвами, соединенными с главой сплошными стенками (шейками).

Сопоставление с прототипом показывает существенные отличия предложенного рельса. Форма сечения рельса - арка, отлично работающая на сжатие. Распор арки легко воспринимается подрельсовой прокладкой.

Арочная форма сечения обеспечивает амортизацию рельса и выгодное соотношение между высотой и шириной сечения. В нашем случае отношение высота к ширине находится в пределах 0,8-1, т.е. ширина больше высоты и устойчивость рельса хорошая.

Сечение разработанного рельса сбалансировано. Балансировка достигается следующим образом. Площади всего сечения А и главы рельса a_г оставляем неизменными как у прототипа.

Толщину двух стенок арочного рельса 2t_ст принимаем равной 50-70% от толщины стенки прототипа. Наклон стенок арки к вертикали принимаем равным наклону боковых поверхностей главы рельса, то есть у железнодорожных рельсов уклон tg =0,05, а у крановых tg =0,1. Назначаем толщину подошвы рельса t_п равной 50-60% от толщины t_г главы.

Затем уравновешиваем статические моменты верхней и нижней частей рельса относительно горизонтальной оси х:

S_хв = S_хн, (1)

и из этого условия (1) получаем квадратное уравнение (2) для определения высоты сечения Н сбалансированного арочного рельса.

где y_г - расстояние от верхней грани рельса до центра тяжести трапецеидальной главы;



2t = 2t_ст/cos - толщины двух стенок арки с учетом угла их наклона;

b и b₁- соответственно ширина главы вверху и внизу (из площади главы исключена площадь двух стенок 2tt_г на толщине t_г главы).

Затем находим необходимую площадь двух свесов пят арки, обеспечивающую равновесие сечения:



и необходимую ширину двух свесов пят



Характеристики сбалансированного сечения находим обычным образом по известным формулам сопротивления материалов [4, с.610].

Второстепенный момент инерции рельса относительно оси, проходящей по нижней грани подошвы х_н:



где - соответственно площадь внешней трапеции и выделенной из нее прямоугольной части;

- соответственно площадь трапецеидальной полости под рельсом и выделенной из нее прямоугольной части;

Н - высота рельса;

h₀ - высота полости под рельсом.

Главный момент инерции [5] рельса относительно оси х будет равен:



Главный момент инерции рельса относительно вертикальной оси у будет равен



где b, b_o, В, В_o - основания трапеций, верхние и нижние, соответственно внешней и полости под рельсом.

Форма рельса значительно упрощает его прокат.

Первоначально прокатывают плоскую заготовку (фиг.2), а затем ей придают арочную форму сечения рельса.

Упрощается крепление рельса. Обеспечивается зажим рельса, препятствующий угону. Расход металла на рельс уменьшается, так как изгиб шейки при действии Т исключен, и она работает только на сжатие. В рельсе все переходы от одного элемента другому плавные по радиусу, что обеспечивает минимальную концентрацию напряжений.

Стрелочные переводы и стыки рельса легко конструируются.

Таким образом, предложенный рельс отвечает критерию "новизна".

Сравнение заявленного рельса с другими техническими решениями не позволило выявить в них признаки, отличающие его от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг.1 показано сечение разработанного рельса и подрельсовой конструкции. На фиг.2 показана заготовка для рельса.

На фиг.3 показано сечение арочного рельса (с прямолинейными стенками) и все обозначения.

На фиг.4 показано крепление рельса.

Рельс 1 имеет форму арки (затяжкой служит подрельсовая подкладка).

В замке арки размещена глава "а". Две сплошные шейки "b", по форме арки соединяют главу "а" с симметричными пятами - подошвами "с".

Подрельсовая подкладка 2 снабжена гофром "d", западающим под арку рельса. Подкладка 2 снабжена симметричными Г-образными гребнями "е", под которые западают пяты "с" рельса.

Подкладку 2 крепят к шпале 3 анкерными болтами 4. Шпала 3 имеет фиксирующий выступ "f", западающий в гофр "d" подкладки 2.

Подрельсовая подкладка 2 может быть непрерывной по всей длине рельса или прерывистой и устанавливаться только на шпалах. Непрерывная подрельсовая подкладка соединяется с рельсом в единое целое посредством вдавливания рельса в подкладку с торца.

В этом случае подошва рельса западает под гребень подкладки и они образуют единое целое. Рельс может закрепляться на подкладке и посредством специального крепления (см. фиг.4).

Изготовление и работа рельсовой конструкции

Рельс 1 прокатывают из износостойкой стали на прокатном стане.

Сначала прокатывают заготовку (см. фиг.2), а затем трансформируют ее в арку (см. фиг.1). Подкладку 2 также прокатывают.

На рельс передаются основные вертикальные Р и горизонтальные Т воздействия.

Вертикальные Р воздействия воспринимаются центральной главой "а" и равномерно передаются через шейки "b" на пяты "с" рельса 1.

Горизонтальный распор арки воспринимает подрельсовая подкладка 2.

Кривизна шеек "b" арки позволяет регулировать амортизирующую способность рельса 1. Под пятами "с" рельса 1 могут быть подложены амортизирующие изолирующие подкладки.

При действии горизонтальной силы Т от каждого колеса состава в одной из шеек "b" сжатие уменьшается, а в другой увеличивается, таким образом изгиб шейки ликвидирован. Рельс устойчив и легко закрепляется на подрельсовой подкладке 2 или основании.

Экономический эффект возникает от улучшения всех характеристик рельсового пути.

В табл.1, 2, 3 и 4 приведен сортамент разработанных арочных подкрановых и железнодорожных рельсов. Сравнение этого сортамента с сортаментом прототипа [2, 3] показывает следующее: при неизменной материалоемкости все параметры арочного рельса резко возросли:

1. Момент сопротивления при изгибе W_хрел в вертикальной плоскости относительно оси х увеличились в 1,6-2,1 раза.

2. Моменты инерции J_хрел увеличились в 2-2,5 раза.

3. Моменты сопротивления при изгибе в горизонтальной плоскости W_урел увеличились в 2,5-3 раза.

4. Моменты инерции J_урел увеличились в 3-4 раза.

5. Полярные моменты инерции увеличились в 2-2.5 раза.

6. Рельсу приданы амортизирующие свойства, повышающие его выносливость.

7. При выполнении подрельсовой подкладки непрерывной по всей длине рельса эти показатели увеличиваются дополнительно в 1,5-2 раза.

8. Рельс более устойчив при опрокидывании.

9. Прокат рельсов может быть налажен на действующих станах.

Благодаря амортизирующей способности уменьшается износ рельсов и колес составов, повышенная надежность рельсового пути позволяет увеличить безопасность движения и увеличить скорость движения составов.

Список литературы

1. Ляхно И.Б. Новые конструкции рельсов и скреплений. -М.: Трансжелдориздат, 1959, 60 с.

2. Гохберг М.М. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин. - Л.: Машиностроение, 1969, - 520 с.

3. Васильченко В.Т., Рутман А.Н. и др. Справочник конструктора металлических конструкций. -Киев: Будiвельник, 1980, 288 с.

4. Тимошенко С.П., Гере Дж. Механика материалов. Перевод Л.Г. Корнейчука / Под ред. Э.И. Григолюка. - М.: Мир, 1976, 669 с.

5. Писаренко Г.С., Яковлев А.П. и др. Справочник по сопротивлению материалов. -Киев: Наукова думка, 1975, 704 с.