Клемма рельсового скрепления

 

Использование: в рельсовых скреплениях бесстыкового пути на бетонных шпалах. Сущность изобретения: клемма рельсового скрепления содержит среднюю часть, опорные участки, свободные концы и промежуточные участки. Свободные концы и опорные участки клеммы расположены относительно друг друга на расстоянии, увеличивающемся по мере удаления от средней части, при этом угол между проекциями продольных осей свободных концов и опорных участков клеммы на плоскость, перпендикулярную плоскостям размещения продольных осей опорных участков, составляет 1 - 18°. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к строительству железных дорог, в частности верхнего строения железнодорожного пути, и может быть использовано при оснащении рельсовых скреплений бесстыкового пути на бетонных шпалах пружинными стальными клеммами.

Известно рельсовое скрепление с упругой клеммой W-образной формы. Средняя часть клеммы охватывает шейку болта, а свободные концы давят на подошву рельса эти признаки совпадают с существенными признаками изобретения.

Недостатком этого скрепления является то, что оно не обеспечивает необходимую упругость и усилие прижатия рельса к подкладке при изменении положения рельса по высоте в условиях высоких осевых нагрузок на рельс.

Известно рельсовое скрепление с упругой удерживаемой болтом клеммой. Клемма одной частью опирается на подкладку, средняя ее часть охватывает шейку болта, а свободные концы давят на подошву рельса, при этом средняя часть клеммы выступает над подошвой и образует прямое или косвенное ограничение подъема подошвы рельса эти признаки совпадают с существенными признаками изобретения.

Недостатком этого скрепления является ограниченное усилие прижатия рельса к подкладке с необходимой упругостью. При прижатии рельса к подкладке усилием свыше 13 кН упругость клеммы этого скрепления резко уменьшается, что не обеспечивает удовлетворительную работу скрепления в бесстыковом пути, где рабочие усилия затяжки болтов должны составлять 15-20 кН, а упругость клеммы допускать колебания вертикального положения рельса при этих усилиях до 6 мм.

Известно рельсовое скрепление, содержащее подкладку, болт и пружинную клемму W-образной формы. Средняя часть клеммы охватывает шейку болта, причем средняя часть клеммы, обращенная к рельсу, в напряженном состоянии располагается на незначительном расстоянии от подошвы рельса эти признаки совпадают с существенными признаками изобретения.

Недостатком этого скрепления является низкое значение усилия прижима рельса к подкладке (около 13 кН), до которого клемма сохраняет приемлемые упругие свойства с упругостью около 1 мм/кН. При дальнейшей затяжке клеммного болта упругость клеммы резко падает, что не позволяет использовать ее для крепления рельсов в пути с высокими осевыми нагрузками.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является клемма рельсового скрепления, содержащая среднюю часть, закрепляемую гайкой на клеммном болте рельсового скрепления, опорные участки, расположенные по обе стороны средней части клеммы, контактирующие с подошвой рельса свободные концы, обращенные к средней части клеммы и соединенные с опорными элементами через промежуточные участки. Эти признаки совпадают с существенными признаками изобретения. Опорные участки клеммы в положении окончательного монтажа изогнуты с возможностью опирания на подкладку с внешней стороны от ее реборд, которая служит их контропорой.

Недостатком клеммы этого скрепления является низкая стабильность прижатия рельса к подкладке при больших осевых нагрузках на рельс. Характеристика пружинения этой клеммы обеспечивает необходимую упругость только до усилия прижатия 13 кН. При дальнейшей затяжке клеммного болта и повышения усилия прижатия рельса до необходимого значения 20 кН упругость клеммы резко падает, так как возможности дальнейшей деформации элементов клеммы исчерпаны. Это приводит к тому, что при нагружении рельса большим осевым усилием от проходящих составов рельс прогибается на несколько миллиметров и усилие его прижатия к подкладке ослабевает до недопустимой величины менее 10 кН.

Для описанных аналогов и прототипа общей причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является ограничение ресурса упругости клеммы заданной ее формой, обусловленной геометрическими параметрами рельсового скрепления и, прежде всего заданным расстоянием между свободными концами и опорными элементами вблизи средней части клеммы, которое обуславливается шириной реборды подкладки рельсового скрепления.

В основу изобретения поставлена задача создать клемму рельсового скрепления, в которой новая форма выполнения позволила бы обеспечить повышенную упругость при заданной длине клеммы и заданном расстоянии между свободными концами и опорными элементами вблизи средней части клеммы, которое обуславливается шириной реборды подкладки рельсового скрепления, и за счет этого повысить надежность работы рельсового скрепления и стабильность прижатия рельса к подкладке при изменении положения рельса под осевой нагрузкой подвижного состава.

Надежное прижатие рельса к подкладке в бесстыковом пути при возможности изменения положения рельса по высоте до нескольких миллиметров увеличивает продольную устойчивость пути при температурных колебаниях и на тормозных участках пути, устраняя его "выброс" и возможные аварийные ситуации. Кроме того, уменьшаются затраты на подтягивание клеммных болтов в пути.

Постоянство усилия затягивания клеммных болтов обеспечивается за счет того, что в требуемом рабочем диапазоне усилий затяжки 15-20 кН упругие свойства используемой в скреплении пружинной клеммы должны допускать колебания вертикального положения рельса до 6 мм. Упругость клеммы в этом случае должна составлять 6:(20-15)=1,2 мм/кН, что не обеспечивается существующими скреплениями. Причем чем больше величина упругости клеммы, тем больше допускаемое изменение положения рельса по высоте при требуемом усилии его прижатия, тем выше стабильность затяжки клеммных болтов и надежнее будет работать скрепление. Указанная упругость клеммы должна быть обеспечена при таких габаритных размерах клеммы, которые вписывались бы в пространство между подошвой рельса и закладным болтом в существующих шпалах и подкладках и обеспечивали минимальную металлоемкость клеммы.

Изобретение направлено также на предотвращение сползания клеммы по подошве рельса в сторону закладного болта скрепления, так как при значительном сползании клеммы может снизиться усилие затяжки клеммного болта и повысится опасность замыкания рельсовой цепи при касании клеммной закладного болта. При использовании скреплений с прутковыми клеммами стоит также задача устранения износа подошвы рельса в месте нажатия на него концов клеммы, так как место износа может служить концентратором напряжений в рельсе.

Для решения указанной задачи клемма рельсового скрепления, содержит среднюю часть, закрепляемую гайкой на клеммном болте рельсового скрепления, опорные участки, расположенные по обе стороны средней части клеммы, контактирующие с подошвой рельса, свободные концы, обращенные к средней части клеммы и соединенные с опорными участками через промежуточные участки. В отличие от прототипа свободные концы и опорные участки клеммы расположены друг относительно друга на расстоянии, увеличивающемся по мере удаления от средней части клеммы. При этом угол между проекциями продольных осей свободных концов и опорных участков клеммы на плоскость, перпендикулярную плоскостям размещения продольных осей опорных участков, составляет 1-18^о.

В частных случаях выполнения клеммы верхняя поверхность средней части клеммы, взаимодействующая с гайкой клеммного болта, наклонена к плоскости, перпендикулярной плоскостям размещения продольных осей опорных участков клеммы, в сторону этих элементов на угол 2-15^о. На свободных концах клеммы выполнены площадки для контакта с подошвой рельса в положении клеммы после затяжки гайки клеммного болта (окончательный монтаж).

Изложенные признаки изобретения обеспечивают получение технического результата, заключающегося в повышении упругости при заданной длине клеммы и заданном расстоянии между свободными концами и опорными элементами вблизи средней части клеммы, которое обусловлено шириной реборды подкладки рельсового скрепления. За счет этого повышается надежность работы рельсового скрепления и стабильность прижатия рельса к подкладке при колебании положения рельса под осевой нагрузкой подвижного состава.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом состоит в следующем. Расположение свободных концов и опорных участков клеммы друг относительно друга на расстоянии увеличивающемся по мере удаления от средней части клеммы, позволяет выполнить промежуточные участки с клеммы большими по длине, чем расстояния о между концами клеммы и опорными участками вблизи ее средней части. У клеммы прототипа эти расстояния одинаковые по длине свободных концов и составляют величину о. При одинаковых усилиях Р затяжки клеммных болтов в обоих конструкциях клеммы, одинаковых общий длинах l и длинах a свободных концов промежуточные участки клеммы будут скручиваться одинаковыми крутящими моментами Ра. Но угол скручивания промежуточного участка клеммы предлагаемой конструкции, пропорциональный длине скручиваемого участка, будет больше, чем у клеммы прототипа, имеющей меньшую длину о промежуточного участка. Увеличение угла скручивания промежуточных участков приводит к пропорциональному увеличению упругости клеммы и повышению стабильности прижатия рельса к подкладке. Изгибающие моменты на участках сравниваемых клемм остаются практически одинаковыми и не изменяют упругости клеммы. Если у клеммы прототипа при постоянном расстоянии между свободными концами и опорными участками увеличить длину с промежуточного участка для увеличения упругости клеммы, то размер ширины клеммы по оси ее симметрии увеличится настолько, что клемму не удастся разместить в пространстве между подошвой рельса и закладным болтом рельсового скрепления без недопустимого касания опорными участками клеммы закладных болтов. Кроме того, увеличится металлоемкость клеммы из-за увеличения длины средней части клеммы вдоль ее оси симметрии в месте соединения с опорными участками и ухудшатся условия закрепления рельса, так как усилия нажатия свободных концов клеммы будут приложены ближе к оси симметрии рельса.

Для частного случая выполнение верхней поверхности средней части клеммы, взаимодействующей с гайкой клеммного болта, наклонной к плоскости, перпендикулярной плоскостям размещения продольных осей опорных элементов клеммы, в сторону этих элементов на 2-15^о, дает возможность при увеличенных промежуточных скручиваемых участках в результате затяжки клеммного болта и изгиба средней части клеммы с увеличенным прогибом до занятия ею рабочего горизонтального положения создать на верхней поверхности средней части клеммы горизонтальные усилия трения, направленные в сторону рельса и предотвращающие сползание клеммы по поверхности подкладки в сторону закладного болта скрепления. При этом не произойдет снижения усилия затяжки клеммного болта и замыкания рельсовой цепи из-за касания клеммой закладного болта, что еще в большей степени повысит надежность работы рельсового скрепления.

Для частного случая выполнение свободных концов клеммы с площадкой для контакта с подошвой рельса в положении клеммы после затяжки гайки клеммного болта позволяет снизить контактные давления концов клеммы на подошву рельса за счет увеличения площади контакта и устранить местный износ подошвы рельса, который может служить концентратором напряжений в подошве рельса. Кроме того, при этом улучшаются условия передачи усилия прижатия рельса к подкладке при увеличенной упругости клеммы и колебаний положения рельса под осевой нагрузкой состава.

На фиг. 1 изображен, общий вид рельсового скрепления с прутковой пружинной клеммой; на фиг. 2 то же, вид сверху; на фиг. 3 клемма рельсового скрепления; на фиг. 4 разрез А-А на фиг. 3; на фиг. 5 вид слева на клемму на фиг. 4; на фиг. 6 схема нагружения свободного конца и промежуточного участка предлагаемой клеммы; на фиг. 7 схема нагружения свободного конца и промежуточного участка клеммы прототипа; на фиг. 8 характеристика упругости клеммы.

Клемма 1 рельсового скрепления содержит среднюю часть 2 с верхней поверхностью 3, опорные участки 4, свободные концы 5, промежуточные участки 6 и площадки 7 для контакта с подошвой 8 рельса 9.

Средняя часть 2 клеммы 1 выполнена в виде петли и закреплена гайкой 10 на клеммном болте 11 рельсового скрепления. Опорные участки 4 выполнены также в виде петель, расположены по обе стороны средней части 2 клеммы и опираются на подкладку 12. Свободные концы 5, длиной а, контактирующие с подошвой 8 рельса 9, обращены к средней части 2 клеммы и соединены с опорными участками 4 через промежуточные участки 6 длиной с. Клеммный болт 11 своей головкой 13 входит в паз 14 реборды 15 подкладки 12. Свободные концы 5 и опорные участки 4 клеммы расположены друг от друга на расстоянии, увеличивающемся по их длине а по мере удаления от средней части 2 клеммы от величины о до величины с. При этом угол между проекциями 16 и 17 продольных осей 18 и 19 соответственно свободных концов 5 и опорных участков 4 клеммы на плоскость 20, перпендикулярную плоскостям 21 размещения продольных осей 18 опорных участков 4, составляет 1-18^о. Возможны три варианта выполнения клеммы. Первый когда проекции 16 и 17 продольных осей 18 и 19 опорных участков 4 и свободных концов 5 наклонены к боковым поверхностям 22 реборды 15 подкладки 12, тогда длина скручиваемых промежуточных элементов с=d+o=d+ ₁+₂, где - приращение длины промежуточного участка 6 за счет наклона свободных концов 5 клеммы; ₁ приращение длины промежуточного участка 6 за счет наклона опорных участков 4 клеммы; ₂ суммарное приращение длины промежуточного участка 6.

Второй вариант когда наклонены только проекции 16 продольных осей 18 свободных концов 5 клеммы, а плоскости 21 параллельны боковым поверхностям 22 реборды 15.

Третий вариант когда к боковым поверхностям 22 реборды 15 наклонены только проекции 17 продольных осей 19 опорных участков 4 клеммы.

Верхняя поверхность 3 средней части 2 клеммы, которая взаимодействует с гайкой 10 клеммного болта 11, в исходном положении перед затяжкой гайки 10 при контакте свободных концов 5 клеммы с подошвой 8 рельса 9 наклонена к плоскости 20, перпендикулярной плоскостям 21 размещения продольных осей 19 опорных участков 4, в сторону этих элементов на угол равный 2-15^о. Средняя часть 2 клеммы отстоит от опорной поверхности 23 опорных участков 4 клеммы на расстоянии b, большем, чем высота реборды 15 подкладки 12, что позволяет использовать упругие свойства средней части 2 клеммы при затяжке гайки 10 клеммного болта 11. На свободных концах 5 клеммы выполнены площадки 7 для контакта с подошвой 8 рельса 9 в положении клеммы после затяжки гайки 10. Площадка 7 сужается по мере удаления от торца 24 свободного конца 5 клеммы из-за наклона свободных концов к подошве 8 рельса 9.

При монтировании скрепления с клеммой из прутка диаметром 13 мм и общей длиной l, равной 168 мм, гайка 10 клеммного болта 11 завинчивается с нормативным крутящим моментом 120 Нм, что соответствует усилию прижатия рельса 9 к подкладке 12 около 20 кН. После затяжки гайки 10 край 25 средней части 2 клеммы отстоит от подошвы 8 рельса 9 на расстоянии 0-2 мм. Участки 2-6 клеммы при затяжке гайки 10 изгибаются и скручиваются, а верхняя поверхность 3 средней части 2 клеммы после затяжки гайки занимает горизонтальное положение.

Например, у клеммы с расстоянием d между свободными концами и опорными участками, равным 29 мм, при выполнении угла наклона проекций продольных осей свободных концов и опорных участков, равным 6^о, длина промежуточного скручиваемого участка клеммы увеличится с 29 до 34,8 мм, т.е. на 20% Величина угла скручивания прямо пропорциональна длине скручиваемого участка и определяется по зависимости Q где М_кр крутящий момент; G модуль упругости при сдвиге (для стали 8 х 10⁴ Мн/м²); I полярный момент инерции сечения (для круглого сечения 0,1 D⁴); С длина скручиваемого участка.

По сравнению с клеммой, у которой расстояние между свободными концами и опорными участками постоянное и равно 29 мм, у предлагаемой клеммы при одинаковом усилии нажатия на концы клеммы на 20% увеличивается угол скручивания более длинных промежуточных участков и величина прогиба средней части относительно свободных концов клеммы. Упругость клеммы увеличится на 20% что приведет к поддержанию усилия прижатия рельса к подкладке в пределах 15-20 кН при изменении вертикального положения рельса до 6 мм (фиг. 8). Например, при угле наклона верхней поверхности средней части клеммы 8^о для изгиба поверхности до горизонтального положения по расчетным зависимостям, связывающим усилие нагружения и углы поворота элементов при упругом изгибе и кручении пространственной балки диаметром 13 мм, моделирующей форму клеммы, потребуется усилие затяжки клеммного болта около 15 кН. Горизонтальное усилие трения при этом составит 2,3 кН и уравновесит горизонтальную составляющую от усилий прижатия свободных концов этой клеммы к наклонной поверхности подошвы рельса.

Выбор граничных значений углов между проекциями продольных осей свободных концов и опорных участков клеммы на плоскость, перпендикулярную плоскостям размещения продольных осей опорных элементов в пределах 1-18^о, обусловлен тем, что в этом интервале обеспечивается необходимое увеличение длины промежуточных скручиваемых участков клеммы, а следовательно, увеличение упругости клеммы и повышение стабильности прижатия рельса к подкладке.

Если угол наклона между проекциями продольных осей свободных концов и опорных участков клеммы будет меньшим 1^о, то увеличение длины промежуточных скручиваемых участков будет столь незначительным, что не приведет к эффективному увеличению упругости клеммы и повышению стабильности прижатия рельса к подкладке.

Если угол наклона между проекциями продольных осей свободных концов и опорных участков клеммы будет большим 18^о, то увеличение длины промежуточных скручиваемых участков будет настолько большим и упругость клеммы настолько значительной, что на величине хода затяжки клеммного болта усилие его затяжки не достигнет требуемого значения 20 кН, необходимого для прижатия рельса к подкладке.

Выбор граничных значений углов наклона верхней поверхности средней части клеммы в пределах 2-15^о обусловлен тем, что в этом интервале на указанной поверхности после затяжки гайки клеммного болта обеспечивается необходимое горизонтальное усилие трения, предотвращающее сползание клеммы в сторону закладного болта при увеличенном прогибе средней части клеммы благодаря повышенной упругости клеммы.

Если верхняя поверхность средней части клеммы перед затяжкой гайки клеммного болта будет наклонена в сторону опорных участков клеммы на угол, меньший 2^о, то усилие затяжки гайки, необходимое для выравнивания в рабочее горизонтальное положение верхней поверхности средней части клеммы, окажется недостаточным для создания горизонтальных усилий трения, предотвращающих сползание клеммы в сторону закладного болта.

Если верхняя поверхность средней части клеммы перед затяжкой гайки клеммного болта будет наклонена в сторону опорных участков клеммы под углом, большим 15^о, то усилие затяжки гайки, развиваемое при выравнивании в рабочее горизонтальное положение верхней поверхности средней части клеммы, превысит допустимое значение усилия нагружения клеммы 20 кН, что недопустимо по условиям работы скрепления.

В процессе работы клемма рельсового скрепления находится в напряженном состоянии и обеспечивает постоянное прижатие рельса к подкладке усилием около 20 кН, а возникающие при этом на площадках 7 в местах контакта свободных концов 5 с подошвой 8 рельса 9 усилия трения компенсируют продольные усилия в рельсе от температурных колебаний рельсовой плети в бесстыковом пути. При прохождении по рельсам состава эластичная прокладка 26 под рельсом 9 сжимается, рельс опускается и усилие затяжки клеммного болта 11 ослабевает. Происходит разгрузка изогнутых и скрученных участков 2, 4, 5 и 6 клеммы, но благодаря увеличению по длине промежуточных скрученных участков 6 обеспечивается необходимая упругость клеммы около 1,2 мм/кН. При осевых нагрузках на рельс до 270 кН и изменению вертикального положения рельса 9 к подкладке 6 клеммой новой конструкции по данным стендовых испытаний не снижается менее 15 кН, что гарантирует стабильную работу и надежность рельсового скрепления и бесстыкового пути. Упругое пружинение средней части 2 клеммы и наличие на ее поверхности 3 усилий трения предотвращает сползание клеммы к закладному болту 27 и снижение усилия прижатия рельса 9 к подкладке 12. Контактные давления на площадке 7 контакта свободных концов 5 с подошвой 8 рельса 9 составляют около 500 н/мм² и не превышают допустимых контактных давлений для отсутствия износа подошвы 8 в месте контакта.

Таким образом, обеспечивается повышение упругости клеммы рельсового скрепления при заданной длине и заданном расстоянии между свободными концами и опорными участками вблизи средней части клеммы, что позволит повысить надежность работы рельсового скрепления и стабильность прижатия рельса к подкладке при изменении положения рельса под осевой нагрузкой подвижного состава.

Формула изобретения

1. КЛЕММА РЕЛЬСОВОГО СКРЕПЛЕНИЯ, содержащая среднюю часть, закрепляемую гайкой на клеммном болте рельсового скрепления, опорные участки, расположенные по обе стороны от указанной средней части, и контактирующие с подошвой рельса свободные концы, обращенные к средней части клеммы и соединенные с опорными участками через промежуточные участки, отличающаяся тем, что свободные концы и опорные участки клеммы расположены друг относительно друга на расстоянии, увеличивающемся по мере удаления от средней части клеммы, при этом угол между проекциями продольных осей свободных концов и опорных участков клеммы на плоскость, перпендикулярную плоскостям размещения продольных осей опорных участков, составляет 1 18^o.

2. Клемма по п. 1, отличающаяся тем, что верхняя поверхность средней части клеммы, взаимодействующая с гайкой клеммного болта, наклонена к указанной плоскости, перпендикулярной плоскостям размещения продольных осей опорных участков клеммы, в сторону последних на угол 2 15^o.

3. Клемма по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что на свободных концах клеммы выполнены площадки для контакта с подошвой рельса в положении окончательного монтажа клеммы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 27.06.2006        БИ: 18/2006

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 03.04.2009

Дата публикации: 27.12.2011

---