[1]Полезная модель относится к конструкции рельсов для железнодорожных путей. Известен железнодорожный рельс, содержащий подошву, головку и шейку рельса, в средней части которого по всей длине рельса выполнено утолщение. Толщина среднего утолщенного участка шейки, в котором расположены болтовые отверстия, составляет 1,3÷1,8 толщины шейки (е). В средней части утолщения симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей через оси болтовых отверстий, выполнена плавная выемка высотой 0,50÷0,65 диаметра болтового отверстия (Патент 2073075 РФ, МПК Е01В 5/02. Железнодорожный рельс / Кацнельсон Г.М., Кацнельсон Е.Г. №92 5055800; заявл. 22.07.1992).
[2]Известен способ производства железнодорожных рельсов позволяющий уменьшить опасность зарождения поперечных усталостных трещин в головке рельса путем разделения участков повышенных остаточных напряжений возникающих при холодной правке рельсов на горизонтальной роликоправильной машине и участков с возникающими максимальными растягивающими напряжениями при эксплуатации за счет установления геометрических характеристик рельса при выполнении соотношения между величинами произведений размеров высоты рельса (H) и высоты головки (hг) к произведению размеров ширины подошвы (В) и минимальной толщины шейки (е) в диапазоне 3,1÷3,5, при этом верхнюю и нижнюю части шейки формируют до толщин, для которых отношение толщины нижней части шейки к толщине верхней части шейки должно составлять 1,0÷1,5 (Патент 2097154 РФ, МПК В21В 1/08. Способ производства железнодорожных рельсов / Галицын Г.А., Рейхарт В.А., Лебедев В.И. [и др.] №96114792/02; заявл. 23.07.1996; опубл. 27.11.1997).
[3]Недостатками известных решений производства железнодорожных рельсов, принятых за аналоги, является то, что они применимы для известных типоразмеров рельсов (например, рельс типа Р65 и др.), которые из-за особенностей конструкции имеют недостаточный запас металла в головке рельса на их шлифование и фрезерование при техническом обслуживании для предотвращения развития дефектов контактной усталости.
[4]Известен типовой рельс типа Р65 для укладки в бесстыковой железнодорожный путь. Бесстыковой путь - это температурно-напряженная конструкция. Помимо напряжений от действия колес подвижного состава в сварных плетях бесстыкового пути возникают и действуют достаточно большие температурные силы, а поэтому необходимо иметь запас прочности для восприятия постоянно действующих температурных сил растяжения или сжатия. Бесстыковой путь в настоящее время является наиболее прогрессивной конструкцией железнодорожного пути. Использование рельса типа Р65 для укладки в бесстыковой железнодорожный путь приводит к развитию дефектов контактной усталости, что снижает прочностные и эксплуатационные характеристики верхнего строения пути. Также недостатками данного рельса являются невысокие прочностные характеристики, относительно низкая долговечность рельсов и недостаточный запас металла в головке рельса на их шлифование и фрезерование (Альбрехт В.Г., Виноградов Н.П., Зверев Н.Б. и др. Бесстыковой путь. - М: Транспорт, 2000. 408 С.).
[5]Известен железнодорожный рельс с улучшенным сопротивлением износу и стойкостью к внутреннему усталостному разрушению, которые требуются для рельса, используемого на грузовых железных дорогах, в частности в тяжелых эксплуатационных условиях. Сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению рельсов улучшены путем управления составом сплава, структурами, количеством карбонитридов V в рельсовой стали (стали, служащей материалом для рельса), управления твердостью поверхности части головки или внутренней части головки, управления разностью твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки, а также управления составом карбонитридов V (Патент 2666811 РФ, МПК С22С 38/24, С22С 38/46. Рельс / Уеда М., Танахаси Т., Миядзаки Т. №2017128816; заявл. 22.01.2016; опубл. 12.09.2018; Бюл. №26).
[6]Данное решение производства железнодорожных рельсов применимо для известных типов рельсов без изменения геометрических характеристик рельсов и совершенствования профиля рельсов для возможности их периодического шлифования.
[7]Известен железнодорожный рельс, содержащий подошву, шейку и головку, который в поперечном сечении имеет переменную высоту и для него выполняются следующие соотношения 0,26<hгол./Hp<0,28 и 0,64<hгол./bгол.<0,66, где hгол. - высота головки рельса в поперечном сечении, мм; Нр - высота рельса в поперечном сечении, мм; bгол. - ширина головки рельса, мм. Основной характеристикой рельса, дающей представление об его мощности, является масса одного погонного метра рельса. Более тяжелый рельс, в данном случае с увеличенными по высоте размерами головки, распределяет давление колес подвижного состава на большее число шпал, в результате чего замедляется их механический износ, уменьшается истирание и измельчение частиц балласта. При увеличении массы рельсов уменьшается расход металла на единицу пропускаемого тоннажа, сокращаются расходы по замене рельсов из-за увеличения срока их службы (Патент 122095 РФ, МПК В01В 5/02. Рельс / Абдурашитов А.Ю., Борц А.И., Шур Е.А. и др. №2012126588/11; заявл. 26.06.2012; опубл. 20.11.2012; Бюл. №32).
[8]Этот рельс, за счет применения усовершенствованной формы за счет увеличения высоты головки на 4 мм до hг=49 мм, высоты рельса Н=184 мм, с сохранением толщины шейки е=18 мм по сравнению с рельсами типа Р65 и увеличения массы одного погонного метра до 67,78 кг, что на 2,9 кг больше по сравнению с рельсами типа Р65 масса одного метра которого составляет 64,88 кг, позволяет увеличить нормативный срок его службы до величины 1,5 млрд. т брутто (Абдурашитов А.Ю. Рельс с улучшенным профилем // Путь и путевое хозяйство. 2011. №2. С. 5-10).
[9]Однако модернизированный рельс, сконструированный по предлагаемым соотношениям высоты головки в поперечном сечении к высоте профиля рельса (hгол./Hp) и высоты головки рельса в поперечном сечении к ширине головки (hгол./bгол.), уступают по своим потребительским свойствам рельсам передовых стран Европы, США и Японии, а именно по срокам службы у которых он составляет до 2,5 млрд. т брутто (прототип).
[10]Известно техническое решение по созданию в головке рельса дополнительного «запаса металла» с целью интенсификации шлифования рельсов в пути для предотвращения развития дефектов контактной усталости, которым является железнодорожный рельс типа Р75 с высотой головки hг=55,3 мм, высотой рельса Н=192 мм и толщиной шейки е=20 мм (ГОСТ Р 51685-2013).
[11]Однако в поперечном сечении рельса типа Р75 произошло значительное увеличение не только головки, но ширины (В) и высоты пера подошвы (m), а также и толщины шейки профиля (е), что значительно увеличило вес погонного метра рельса, что существенно влияет на характеристику рельса и верхнего строения пути и может ухудшить долговечность рельса при воздействии грузонапряженности, осевой нагрузки и скорости движения.
[12]Задача предлагаемой полезной модели - увеличение эксплуатационных свойств рельсов за счет изменения поперечного профиля посредством создания в головке дополнительного «запаса металла» для реализации возможности интенсификации работ по шлифованию рельсов в пути, что является эффективным инструментом для снижения количества дефектных рельсов в процессе увеличения пропущенного тоннажа ввиду пресечения процесса зарождения и дальнейшего развития трещин, приводящих к развитию дефектов контактной усталости, без значительных изменений в технологии содержания и ремонта путей. Увеличение жесткости рельсов, в свою очередь, позволяет снизить уровень механических напряжений, возникающих при воздействии подвижного состава. В целом результатом внедрения предлагаемой полезной модели является увеличение жизненного цикла рельсов, а также сокращение затрат на изъятие и замену рельсов в пути до пропуска гарантийного тоннажа.
[13]Изменение конфигурации поперечного сечения рельса приводит к изменению геометрических параметров сечения, таких как: положение центра тяжести, моменты инерции, моменты сопротивления. Данные параметры оказывают влияние на процессы деформирования рельса при нагружении, и, как следствие, приводит к изменению напряженного состояния, а также на изменение величины температурных усилий, возникающих из-за изменения температуры рельсов бесстыкового пути относительно температуры закрепления. Таким образом, изменение параметров поперечного сечения оказывает непосредственное влияние на напряженно-деформированное состояние рельсов, возникающее в процессе эксплуатации.
[14]Указанная задача достигается тем, что конструирование профиля железнодорожного рельса (фиг. 1), включающего головку, шейку и подошву осуществляется с высотой головки рельса, выполненного как 53,3-55,1 мм, а высоту рельса выполняют со следующими соотношениями размеров:
[15]
[16]где H - высота рельса, мм;
[17]hг - высота головки рельса, мм.
[18]Указанные отличительные признаки обеспечивают повышение жесткости и эксплуатационной стойкости рельсов, увеличение их нормативной службы.
[19]За счет того, что ширина подошвы (В) и головки (b), высота шейки профиля (h), высота пера подошвы (m), толщина шейки (е) принимаются равными существующим размерам этих параметров для Р65, Р75, не возникает необходимости в перестройке технологического оборудования содержания и ремонта путей.
[20]Как показали научные исследования заявителя, высота головки рельса (hг), при значении меньше 53,3 мм будет иметь малый запас металла для шлифования рельсов в пути, что снижает нормативный срок службы рельсов, а также уменьшается изгибная жесткость рельсов, что приводит к увеличению деформаций (прогибов) в зоне воздействия колес подвижного состава. В случае, если значение высота головки рельса (hг) будет более 55,1 мм, то уменьшается устойчивость пути против выбросов вследствие увеличения площади поперечного сечения, а следовательно чрезмерной погонной массы рельсов, что негативно влияет на устойчивость колеи при действии продольных температурных сжимающих сил.
[21]Высота рельса (H) определяется по зависимости (1). При значении высоты рельса (H) менее 3,453 минимальной высоты головки рельса (hг) не обеспечивается нормативный срок службы рельсов. В случае, если значение высоты рельса (H) будет более 3,456 максимальной высоты головки рельса (hг), то увеличивается крутящий момент, возникающий вследствие воздействия боковых сил от прохождения подвижного состава за счет увеличения плеча.
[22]Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что предлагаемая полезная модель железнодорожного рельса обладает повышенной жесткостью и эксплуатационным ресурсом за счет совершенствования профиля рельса и создания в головке дополнительного «запаса металла» с целью интенсификации шлифования рельсов в пути.
[23]Заявляемое решение конструирования усовершенствованной формы железнодорожного рельса позволяет увеличить нормативный срок его службы.
[24]Пример конструирования профиля железнодорожного рельса.
[25]Высоту головки рельса принимаем равной hг=55 мм.
[26]Высоту рельса определяем по зависимости (1): H=55⋅3,455=190 мм.
[27]Остальные размеры рельса принимаются равными существующим размерам этих параметров для Р65, Р75 (ГОСТ Р 51685-2013):
[28]ширина подошвы рельса В=150 мм;
[29]высота пера подошвы рельса m=11,25 мм;
[30]высота шейки рельса h=105 мм;
[31]ширина головки рельса b=74,59 мм;
[32]толщина шейки рельса е=19 мм.
[33]Линейная масса одного метра рельса по номинальным размерам при плотности стали 7850 кг/м3 составляет 71,29 кг, что при округлении до целого значения в килограммах данный рельс, при существующих в настоящее время обозначениях типов рельсов, отвечающих массе погонного метра, можно обозначить как рельс типа Р71.
[34]Проведенное математическое моделирование показало снижение уровня напряжений в подошве рельса при воздействии подвижного состава с осевой нагрузкой 23÷31 т и боковых силах 0÷12 т на путь с промежуточными рельсовыми скреплениями ЖБР-Ш в среднем на 7%, с промежуточными рельсовыми скреплениями ЖБР-ПШР в среднем на 8%. Максимальный эффект применения рельсов типа Р71 за счет снижения величины механических напряжений для конфигурации пути с промежуточными рельсовыми скреплениями ЖБР-ПШР наблюдается для эпюры шпал 2000 шп./км при воздействии значительных боковых сил в 12 т и составляет до 15% в зависимости от параметров вертикального нагружения.
[35]Основной обобщающей характеристикой, оценивающей срок службы рельсов в различных эксплуатационных условиях, является тоннаж брутто (наработка-сумма перевозимого груза, тары вагонов и массы локомотива), перемещаемый по пути от момента укладки рельсов в путь до их смены. Срок службы рельсов ограничен величиной наработки, равной периоду между очередными капитальными ремонтами пути. В конкретных условиях эксплуатации фактическая величина наработки взаимосвязана с совокупным влиянием на работу рельсов осевых нагрузок, скорости движения, режима вождения поездов, плана и профиля, общего состояния пути, конструктивных особенностей верхнего строения, климатических условий и т.д.
[36]Увеличение высоты головки рельса типа Р71 по отношению к рельсам типа Р65 на 10 мм или 22% позволяет повысить эксплуатационный ресурс рельсов за счет интенсификации шлифования рельсов в пути на 71%, что позволит увеличить срок службы дифференцированно-термоупрочненных рельсов, в соответствии с заявляемым решением, при воздействии нагрузки 250 кН/ось на путь с уклонами продольного профиля от 10 до 20% на прямых и кривых радиусов свыше 650 м участках пути до 2,5 млрд. т брутто.
