САРЖАНОВ Т.С.

Казахский университет путей сообщения

УЗЛЫ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ

Узел промежуточного рельсового скрепления, являющийся элементом верхнего строения пути, связывающим рельс со шпалой, обладающий сложными упругими свойствами, может рассматриваться как упругий комплексный элемент, обладающий системой взаимосвязанных свойств и характеристик. Связь между рельсом и шпалой может быть достаточно полно описана в виде шести упругих характеристик - шести скалярных функций, определяющих упругость относительно перемещений и вращений для всех трех направлений (вертикальной, вдоль оси пути, вдоль оси шпалы).

При недостаточной силе прижатия рельса к шпале и излишней податливости подрельсовой и нашпальной резиновых прокладок могут возникать собственные колебания шпалы при проходе подвижного состава, ускоряющие темпы накопления остаточных деформаций балластной призмы.

Резиновые подрельсовые и нашпальные прокладки характеризуются значительной нелинейностью связи нагрузка-деформация на начальном этапе нагружения, пока давление рельса на прокладки не достигает 20 кН. При взаимодействии пути и подвижного состава эта нелинейность проявляется подобно зазору в узле скрепления. При дальнейшем возрастании давления рельса на прокладки связь нагрузка-деформация становится линейной в диапазоне нагрузок, соответствующем прохождению груженого вагона. Поэтому сила прижатия рельса в узле скрепления упругими клеммами должна быть не менее 20 кН (по 10 кН каждой клеммой).

Упругие клеммы скреплений должны препятствовать смещениям и поворотам рельса относительно шпалы во всех направлениях. За счет этого резко возрастает устойчивость бесстыкового пути к выбросу при нагреве рельсов.

На основании массовых расчетов при воздействии на рельсы вертикальных и поперечных сил установлены механические характеристики разных типов промежуточных рельсовых скреплений, приведенные в таблице 1.

Таблица 1 - Сопротивления смещению и повороту разных типов скреплений

Тип скрепления	КБ-65	ЖБР-65	БПУ	КПП-5
Вертикальная жесткость, кН/м Х 104	5-12	5-12	5	10-12
Поперечная жесткость, кН/м Х 104	1-100	1	2,5	1.5-2,5
Продольная жесткость, кН/м Х 104	0,3-0,75	0,3-0,75	0,5-1,0	0,5-1,5
Сопротивление повороту Rx, кНм/град	1-2	0,2-0,5	1,5-2,5	0,5-1
Сопротивление повороту Ry, кНм/град	1-2	0,5-1	2-3	0,5-1
Сопротивление повороту Rz, кНм/град	5-7	0,3-0,5	2-5	1-2

Соотношение между вертикальной жесткостью упругой клеммы и подрельсовой прокладки должно быть менее 1/15-1/20. Такое оно в скреплении БПУ-3/50. В скреплении ЖБР отношение равно 6/50, что в два раза больше, чем в БПУ. В скреплении КПП-5 - это соотношение равно 6/100, то есть такое же, как и в скреплении БПУ. В скреплении ЖБР-65 условия работы клеммы заметно хуже, чем в скреплениях типов БПУ и КПП-5. В зарубежных скреплениях есть примеры отношений вертикальной жесткости клеммы к жесткости подрельсовой прокладки равное 2/250. Такое соотношение вертикальных жесткостей гарантирует длительный срок службы упругой клеммы из-за ее малого хода при проезде колеса.

Правильное назначение параметров узла упругого промежуточного рельсового скрепления обеспечивает его длительную работу в линейно-упругой стадии при минимальном накоплении остаточных деформаций балластной призмы.

Потребность в создании надежного скрепления, не требующего трудоемкого обслуживания, заставляет выдвигать такие требования как:

- обеспечение максимального демпфирования ударного воздействия колес в узле скрепления и как можно меньшей передаче энергии в балластный слой;

- усиленное и постоянное прижатие рельса к шпале упругими клеммами для обеспечения совместной работы элементов рельсошпальной решетки под поездами;

- недопущение упругого отжатия головки рельса более, чем на 5-8 мм при максимальных поперечных воздействиях подвижного состава.

Предлагается дифференцировать расчетные воздействия на узел скрепления в зависимости от класса линии и проводить расчеты узла скрепления на два загружения:

- максимальная вертикальная нагрузка на узел скрепления - расчет на «размыкание». При максимальном вертикальном давлении колеса на рельс должно сохраняться усилие прижатия рельса клеммой не ниже 4-5 кН;

- сочетание максимальной боковой силы при минимальной вертикальной (экстренное торможение поезда) - расчет упругого отжатия рельса.

Расчеты элементов узла промежуточного рельсового скрепления типа КПП-5 выполнены впервые для проверки возможности использования этого типа промежуточного рельсового скрепления при разной поездной нагрузке для обоснования возможности применения на железных дорогах Казахстана разных категорий.

Промежуточное рельсовое скрепление КПП-5 имеет хорошие эксплуатационные характеристики. В достаточно надежной упругой клемме с расчетной жесткостью 2000 кН/м, от нормативного прижатия рельса формируются максимальные напряжения на уровне 80% от предела упругости. При максимальной расчетной поездной нагрузке (максимальная вертикальная в 100 кН и максимальная поперечная – 50 кН) наибольшие напряжения в клемме возрастают до 85-90 % от предела упругости. При воздействии только максимальной вертикальной нагрузки остаточное прижатие пера рельса клеммой составит около 9 кН. Максимальные упругие поперечные отжатия головки рельса при максимальных поперечных нагрузках не превышают 5 мм, что не угрожает безопасности движения поездов.

В соответствии с результатами расчетов промежуточное рельсовое скрепление КПП-5 может применяться на главных путях 2-гo класса и скоростных участках железных дорог. Выправка пути на балласт должна осуществляться в предзимний период.

Разработанное ВНИИЖТ скрепление ЖБР-65 имеет конструктивные недоработки, которые в совокупности не допустимы. Это доказано проблемами при эксплуатации. Для качественного изменения характеристик, произведена модернизация отдельных элементов скрепления, которые значительно улучшают эксплуатационные показатели. В новом варианте повышается надежность и долговечность скрепления, и оно может применяться на железных дорогах Казахстана, в том числе и на участках, где необходима зимняя выправка пути на карточки [2].

Модернизация узла скрепления ЖБР-65 заключается в повороте прутковой клеммы относительно рельса на 1800, вследствие чего нажатие на рельс выполняется двумя пятнами (каждой нагрузочной ветвью клеммы), а вертикальная жесткость клеммы при затяжке повышается до 0,8 х 10⁴ кН/м, вместо (0,3-0,4) х 10⁴ кН/м в типовой клемме ЖБР-65, ось анкерного болта приближена к перу рельса до 22 мм, упорная скоба имеет вырез для пропуска нагрузочных ветвей и плоское основание, шайба под гайкой выполняется круглой.

Подрельсовая прокладка имеет толщину 7-8 мм (вместо 14 мм в типовом узле ЖБР-65) и вертикальный модуль (l5-20) x 10⁴ кН/м (в 3-4 раза выше прокладки ЦП-204). Этим достигается необходимое отношение между вертикальной жесткостью клеммы и жесткостыо подрельсовой прокладки как 1/20 или 1/25 и стабильность рельса при действии боковых сил. В железобетонной шпале не устраиваются выемки, необходимые для размещения выступов упорных скоб в типовом ЖБР-65. Нагрузочные ветви клеммы являются ограничителем вертикального перемещения упорной скобы вблизи пера рельса. При этом 2/3 усилия затяжки закладного болта передается на рельс и 1/3 на упорную скобу. При давлении клеммы на перо рельса в 10 кН давление клеммы на упорную скобу составляет 5 кН (вместо 15 кН в типовом скреплении ЖБР-65). Предложенное размещение клеммы снижает упругое отжатие рельса боковыми силами в 2 раза по сравнению с типовым ЖБР-65 и увеличивает надежность данного скрепления. Результаты расчетов МКЭ представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Максимальные напряжения в элементах типового узла скрепления ЖБР-65 и модернизированного ЖБР-65 М

Наименование элемента скрепления	Типовое скрепление ЖБР-65	Модернизированное скрепление ЖБР-65М
Напряжения в клемме, МПа	1700	900
Максимальные напряжения в прокладке под упорной скобой, МПа	9,4	2,1

Литература

1. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. – М.: Транспорт, 1987. – 479 с.

2. Уразбеков А.К., Косенко С.А. Технические требования к рельсовым скреплениям // Магистраль, 2005, №2. – С.102-106.