Железнодорожные композитные полимерные шпалы

Полезная модель относится к верхнему строению железнодорожного пути, предназначенного служить опорой для рельсов, является основанием для деталей рельсового скрепления, воспринимает от них эксплуатационные усилия и передает их на балластный слой. Изделие может найти применение на любых железнодорожных линиях, в том числе, высокоскоростных. Заявленное технического решение полезной модели (изделия) достигается выполнением в виде бруса трапецеидальной формы, с постоянным сечением по всей длине: выполнением подошвы шпалы в виде сплошной пространственной ячеистой сотовидной конструкции состоящей из несвязанных между собой ячеек; горизонтальным расположением на опорной поверхности продольных элементов металлической арматуры, предназначенных для устройства крепления рельс. Конструктивное взаимодействие и пространственное расположение армирующего короба и верхней арматуры позволяет осуществлять крепеж рельс к изделию при помощи любого из трех известных на сегодняшний день креплений: «под костыли», «под закладные болты», под винты». Состав композиционного полимерного материала, используемого при изготовлении шпалы, подобран таким образом, что возможно появившаяся в процессе эксплуатации трещина «останавливается» за счет пор, которые формируются при технологическом процессе запекания полимера, чем обеспечивается ее прочность и надежность. Такие шпалы не деформируются не боятся влаги, химически устойчивы, не ржавеют, не рассыхаются, обладает лучшей гвоздимостью, чем дерево и не изменяют характеристик в диапазоне температур от +60 до -60°C. Изделие обладает высокой точностью геометрических параметров и изготавливается любым известным способом формования, включая литье в прессформы.

Полезная модель относится к верхнему строению железнодорожного пути, предназначеного служить опорой рельсов, является основанием для деталей рельсового скрепления, воспринимает от рельсов и скреплений эксплуатационные усилия и передает их на балластный слой и может найти применение на магистральных железнодорожных линиях, в том числе, высокоскоростных, в тоннелях, метрополитенах и на подъездных железнодорожных путях промышленных предприятий.

Шпала цельнолитая выполнена формованием из композиционного полимерного материала и металлической арматуры в виде бруса и металлических вкладышей на опорной поверхности рельс расположенных симметрично относительно вертикальной оси тела. Шпала включает тело трапецеидальной формы постоянного сечения по длине. В тело заделаны металлические вкладыши с отверстиями для закладных деталей для различных типов креплений.

Технический результат заключается в создании конструктивно и технологически простой шпалы с необходимыми показателями прочности, износостойкости, упругости и диэлектричности и обладающей малой материалоемкостью (низкая себестоимость изготовления) и высокой точностью геометрических параметров, хорошей сопротивляемостью продольным и поперечным смещениям при эксплуатации, уменьшение трудоемкости монтажа и обслуживания железнодорожных путей.

В качестве композиционного полимерного материала используют полиэтилен высокого давления (ПЭВД) - около 80% и резиновая крошка - около 20% с применением стабилизаторов, концентраторов и других присадок при определенных технологических параметрах спекания, остывания и т.д. Смесь композиционного полимерного материала, готовится, таким образом, чтобы максимально сохранить известные физико-химические свойства первичного полимера: химическая стойкость, морозостойкость, высокие диэлектрические и изоляционные свойства, не чувствительность к удару (амортизатор), эластичность. Немаловажно и другое свойство ПЭВД - его экологичность, он безопасен для организма человека при непосредственном контакте с ним, и легко может быть переработан вторично.

Шпалы относятся к подрельсовым опорам и должны обладать прочностью и износостойкостью в условиях переменных силовых и природно-климатических воздействий, а так как, потребность в шпалах в мире просто огромная, то они должны обладать дешевизной, и технологичностью в массовом производстве и в обслуживании и быть долговечными.

Общеизвестны и уже 200 лет производятся и эксплуатируются деревянные шпалы, представляющие из себя брус прямоугольного сечения. Несмотря на многие достоинства таких шпал - упругость, легкость обработки, хорошее сцепление с щебеночным балластом, малая чувствительность к колебаниям температуры, возможность уширения рельсовой колеи в кривых радиусом менее 350 метров, тем не менее, использование деревянных шпал имеет много недостатков: очень большой расход высококачественной древесины для их изготовления, трудоемкость изготовления связанная с необходимостью пропитки маслянистыми защитными средствами (пропитка каменноугольным маслом, креозотом/Ултаном), малый срок службы от 7 до 30 лет, что зависит от типа древесины, качества обработки и интенсивности эксплуатации путей. Кроме того, до сих пор не решена проблема с их утилизацией - это большая проблема. Существенно сокращает срок службы деревянных шпал тенденция к загниванию в местах, крепления к ним рельсов.

Известны железобетонные, бетонные шпалы (RU 1458459, oп. 15.02.1989), RU 2007129153, oп. 10.02.2009). Недостатками этих конструкций является высокая трудоемкость и себестоимость изготовления, а также, трудоемкость эксплуатации и обслуживания железнодорожных путей, значительный вес в сравнении с деревянными шпалами, что обусловливает более высокие затраты, связанные с их транспортировкой и укладкой. Кроме этого, железобетонные и бетонные шпалы имеют повышенную жесткость, вызывающую рост напряжений в конструкциях верхнего строения пути, приводящих его к расстройству. Жесткость пути, как показывают измерения, при железобетонных шпалах в три и более раз выше, чем при деревянных, как показывает практика, это отрицательно сказывается на стабильности пути и работу взаимодействующих с ним элементов. Другой существенный недостаток железобетонных шпал - их низкая коррозионностойкость на участках с агрессивной средой, значительно уменьшающая срок службы.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является шпала, описанная в патенте РФ 75857 от 2008.04.21 на полезную модель «Шпала» опубликован 2008.08.27. Полимерная 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. В качестве полимера используется аналогичная ударопрочная полимерная композиция.

Прототип имеет ряд недостатков: дороговизна изготовления, что связано с применением комбинированного трапецеидального сечения с переменными параметрами ширины оснований и высоты трапеции по длине шпалы, что вкупе с необходимостью точного расположения армирующего короба в форме и фиксации 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, делает шпалу нетехнологичной в массовом производстве, так как эти работы делаются вручную. Другим недостатком, является небольшая площадь двух опорных поверхностей этой шпалы не обеспечивает необходимое сопротивление ее перемещениям вдоль и поперек пути, что может и обязательно приведет к неравномерной осадке пути, выдавливанию балласта и к повороту шпалы в вертикальной плоскости.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание дешевой, конструктивно и технологически простой шпалы, обладающей простотой и серийностью изготовления, малой материалоемкостью, высокой точностью геометрических параметров, высокой сопротивляемостью продольным и поперечным смещениям при эксплуатации и необходимыми показателями прочности, износостойкости, упругости и диэлектричности, повышение срока службы шпалы, снижение себестоимости и трудоемкости монтажа и обслуживания железнодорожных путей.

Решение технической задачи достигается появлением ряда новшеств, а именно, тем, что шпала выполнена в виде бруса, с постоянным сечением трапецидальной формы по всей длине шпалы, а подошва шпалы, сплошь выполнена в виде пространственной ячеистой сотовидной конструкции состоящей из несвязанных между собой ячеек, которые в плане расположены по вертикали и горизонтали (4). Опытным путем установлено, что целесообразно делать площадь каждой ячейки соты одинаковыми, а оптимальная площадь каждой ячейки соты сделать 14-20 см ². Это дает хорошее сцепление шпалы с частицами балласта верхнего строения пути, чем обеспечивается необходимое сопротивление перемещению вдоль и поперек пути, что увеличивает срок службы пути между очередными ремонтами.

Другим новшеством, по сравнению с прототипом, является горизонтальное расположение на опорной поверхности рельс продольных элементов металлической арматуры предназначенной для устройства крепления рельс. За счет горизонтального расположения верхней арматуры и армирующего короба, крепеж рельс к шпале, возможно осуществлять разными устройствами использующих сегодня для бетонной, железобетонной и деревянной шпал. Фактически, мы создали шпалу, в которой возможно использование одного из трех известных на сегодняшний день креплений - под костыли - Фиг.1, под закладные болты - Фиг.2, под винты - Фиг.3.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1, фиг.2, фиг 3. в трех проекциях и в разрезе - проекция А-А изображена шпала, предназначенная для различных креплений.

Шпала состоит из пористого композиционного полимерного материала (1), имеющего металлическую арматуру на верхней поверхности в местах крепления рельсов в виде вкладышей (2) и на нижней опорной поверхности в виде сплошного короба расположенного по всей длине шпалы (3).

В дополнение, к вышеописанным свойствам применяемого полимерного материала, надо сказать, что полимер обладает лучшей гвоздимостью, чем дерево, так как дерево рассыхается и гниет (недостатки деревянных шпал, описанные выше), а полимер вечный и, что композиционный материал подобран таким образом, что появление возможной трещины в ней в процессе эксплуатации, «останавливается» за счет пор, которые сформированы технологией изготовления, что обеспечивает прочность и надежность шпалы.

Композиционный полимерный материал, используемый при изготовлении данной конструкции шпал, имеет десять лет успешной эксплуатационной практики в различных изделиях. Сырьевым источником для получения шпалы подрельсового основания могут быть отходы полимеров и пластмасс промышленных предприятий, а также полимеры из бытовых отходов, которые сбрасываются в окружающую среду в больших количествах. Вторым компонентом при производстве шпалы являются отходы автомобильного производства - резиновая крошка от изношенных автомобильных шин, которая также имеется в очень больших количествах. Таким образом, применяемое сырье является дешевым и доступным.

Заявляемая шпала недорогая, конструктивно и технологически проста, обладает высокой точностью геометрических параметров, необходимыми показателями прочности, износостойкости. Изготавливается любым известным способом формования, включая литье в прессформы. Шпалы из композиционного полимерного материала армированные металлическим брусом подходят для разных климатических условий, не деформируются и выдерживают температуры от +60 до -60 градусов Цельсия. Они не боятся влаги, химически устойчивы, не ржавеют, не рассыхаются, имеют малую чувствительность к резким колебаниям температуры.

1. Шпала композиционная, имеющая тело трапецеидальной формы постоянного сечения по длине, состоящая из композиционного полимерного материала, металлической арматуры и вкладышей в местах крепления рельс, расположенных симметрично относительно вертикальной оси и основания шпалы, с отверстиями для закладных деталей, отличающаяся тем, что на всей опорной поверхности сцепления с балластным покрытием имеет ячеистую сотовую поверхность.

2. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что имеет крепления под костыли.

3. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что имеет крепления под закладные болты.

4. Шпала по п.1, отличающаяся тем, что имеет крепления под винты.