книги из ГПНТБ / Ситковский, И. П. Полимерные материалы на зарубежных железных дорогах

На зарубежных железных дорогах широко используются в качестве прикрепителей рельсов закладные болты. Эксплуатационная провер­ ка показала, что скрепление с закладными болтами имеет ряд преиму­ ществ перед шурупными. В ФРГ и Франции закрепление закладных болтов в шпалах, в скреплениях такого типа, производят с помощью связующего состава, состоящего из смеси эпоксидной смолы и песка. Перед смешиванием со смолой песок должен быть хорошо высушен, так как наличие влаги снижает прочность отвердевшей массы. Для

приклеивания анкерного болта смолу с песком и отвердителей заливают в соответствующее от­ верстие шпалы. После этого вставляют очищенный, обычно с помощью пескоструйной обра­ ботки, обезжиренный анкерный болт. После отверждения смолы в течение 10 ч, которое проис-

Рис. 128. Французское промежуточное рельсовое скреп­ ление на безбалластном плиточном основании (тоннель в Монако):

190

ходит при 25° С, закрепленный таким образом болт выдерживает выдергивающее усилие не менее 10—11 т.

В ФРГ предложен способ закрепления металлических закладных деталей, удерживающих болты рельсовых скреплений в железобетон­ ных шпалах. Заключается он в приклеивании стальной закладной детали по всей поверхности ее контакта с бетоном или по части ее. Такой состав приготовляется на основе эпоксидной смолы. Перечис­ ленное не исчерпывает большого комплекса работ, проводимых в обла­ сти совершенствования верхнего строения пути использованием поли­ мерных материалов.

Ремонт деревянных шпал и дюбелей. Одним из недостатков рельсо­ вых скреплений на деревянных шпалах является быстрая разработка прикрепителями отверстий в древесине шпал. Волокна древесины, соприкасающиеся с шурупом, испытывают при прохождении подвиж­ ного состава циклические напряжения сжатия, изгиба и среза. Из-за недостаточной прочности древесины эти напряжения приводят к изло­ му, смятию и истиранию ее волокон, соприкасающихся с шурупом. Такому разрушению способствует и атмосферная влага, попадающая

вотверстия шпал. Это ослабляет рельсовые скрепления, особенно на кривых участках пути, и приводит к нарушению ширины рельсовой колеи, вызывая необходимость замены или ремонта шпал. При ремонте прочность скрепления обычно восстанавливают, забивая в разрабо­ танное отверстие деревянную пробку, в которую затем ввертывается шуруп.

На железных дорогах ГДР в шпалах типа BS65 деревянные дю­ бели изготовляют из специально отбираемой буковой древесины, влаж­ ность которой перед пропиткой каменноугольным маслом не должна превышать 18%. Однако, как было установлено наблюдениями, и та­ кие дюбели впитывают влагу, что приводит к снижению их прочности и,

впервую очередь, к ухудшению их электроизоляционных свойств.

Поэтому в добавление к пропитке каменноугольным маслом дю­ бели стали покрывать искусственными смолами. Защитная смоляная пленка предотвращает увлажнение дюбелей, пока шпала находится в заводских условиях, но при завертывании шурупов непосредственно при ремонте пути монолитность покрытия дюбелей несколько нару­ шается. Однако это оказалось лишь кратковременной мерой, так как разрушение древесины дюбеля, соприкасающейся с прикрепителями, идет почти с той же интенсивностью, что и в древесине шпал.

Появление новых полимерных материалов и возможность их ис­ пользования для ремонта шпал позволили продлить срок службы отдельных шпал до момента их массовой смены.

Наибольшее распространение для ремонта шпал и дюбелей полу­ чили жидкие термореактивные эпоксидные и полиэфирные смолы, полимеризация которых происходит в результате экзотермической реакции после смешивания смолы с отвердителем того или иного хими­ ческого состава. Основными преимуществами эпоксидных и поли­ эфирных смол при их использовании в этих целях является высокая химическая стойкость, сопротивляемость различным видам выветри­ вания, атмосферным воздействиям, быстрое отверждение с достижением

191

высокой прочности и хорошая адгезия к различным материалам, в том числе к металлу, древесине и бетону.

Продолжительность периода «жизнеспособности» смолы в процессе подготовки и использования для ремонта шпал и дюбелей зависит от таких факторов, как температура смолы и отвердителя во время пе­ ремешивания, а также от количества смешиваемых составляющих и их химического состава. При этом обычно для получения нужных физико-механических характеристик отвердевшей смолы используют различные наполнители. В качестве наполнителя применяют порошко­ образные неорганические тонкоизмельченные горные породы, асбесто­ вое волокно, металлический порошок и органические—измельченную древесину, измельченный затвердевший стеклопластик и другие порошкообразные вещества.

В ФРГ стенки разработанного шурупного отверстия покрывают эпоксидной смолой с отвердителей и вводят полую деревянную проб­ ку, в которую после отверждения смолы и прочного схватывания пробки со стенками разработанного отверстия ввертывают шуруп. В качестве отвердителей используют полиамиды, содержащие сво­ бодные аминогруппы. Такие составы клеев имеют большее время от­ верждения.

Проведенные в ЧССР статические и динамические испытания деревянных дюбелей, покрытых перед установкой в шпалу эпоксидной смолой и находившихся в эксплуатации в течение трех лет, показали, что они выдерживают предельную вырывающую нагрузку до 6000 кГ [24]. Одновременно были проведены испытания дюбелей, выполнен­ ных из бука, прессованной древесины и полиамида. При этом деревян­ ные дюбели пропитывали креозотом и покрывали составом на основе эпоксидной смолы АС 300. При статических и динамических испыта­ ниях разрушалась эпоксидная пленка и выделялся креозот. Испытания показали недостаточную пригодность полиамида для дюбелей [25]. К недостаткам эпоксидных и полиэфирных смол относится необходи­ мость тщательной очистки поверхностей перед нанесением на них связующих составов на основе этих смол и относительно высокая их стоимость, что препятствует их широкому применению. На железных дорогах ПНР в качестве заменителя эпоксидной смолы проводились исследования по использованию электроизолирующего полиурета­ нового лака 311 BT/02-DD. Высушенные, предварительно пропитан­ ные креозотом дюбели дважды покрывали этим лаком. В результате испытаний на водопоглощение, устойчивость к проникновению крео­ зота и цементной эмульсии, морозоустойчивость и электрическое сопротивление было установлено, что дюбели, покрытые полиурета­ новым лаком, обладают такими же свойствами, как и дюбели, покры­ тые эпоксидной смолой [26].

Железными дорогами ПНР наряду с этим был разработан способ влагоизоляции дюбелей с помощью применения специальной мастики мастикор, которая представляет собой материал типа твердой мази, хорошо сохраняющей при обычных температурах приданную ей форму. Основу мастики составляют полиолефины или их производные с добавкой воска, парафина, каучука и хлорпарафина. Такая мастика

192

имеет хорошее сцепление с древесиной и бетоном, сохраняет пласти­ ческие свойства в широком диапазоне температуры, не вызывает корро­ зии металла и обладает хорошими электроизоляционными свойствами. Отмечается, что мастика сохраняет упругость и пластичность в течение неограниченно долгого времени при температуре о т —40° д о +70° С

[27].

Наряду с указанными видами ремонта дюбелей и древесины шпал во многих странах ведутся работы по созданию дюбельных втулок из искусственных материалов, которые при необходимости могли бы без повреждения шпал заменяться в эксплуатации на новые.

В ФРГ и Австрии в этих целях в качестве дюбелей для анкеровки шурупов в железобетонных шпалах [22] используют дюбельные втулки с волнообразной поверхностью, которые изготовляют из полиэтилена низкого давления. Такие втулки, соответствующей формы можно легко устанавливать в шпалы вместо деревянных дюбелей. Проверты­ вание втулки в шпале во время завинчивания в нее шурупа устраняет­ ся с помощью пяти ребер, проходящих вдоль втулки и расположенных по окружности на одинаковом расстоянии друг от друга. Поперечные ребра позволяют легко ввести втулку в отверстие, но препятствуют ее удалению из шпалы. При ввертывании шурупа во втулку она раз­ дается в стороны и ее ребра впрессовываются в материал шпалы [22].

Разновидностью указанных втулок являются втулки с внутренней резьбой, которые используют при изготовлении железобетонных шпал. На испытаниях после 3 млн. циклических нагружений они выдержи­ вали выдергивающие усилия более 10/п и при этом лишь слегка дефор­ мировались.

Дюбель, разработанный в Швейцарии, состоит из двух конических втулок, вставляемых друг в друга. Внешняя втулка изготовлена из жесткой пластмассы и имеет для лучшего сцепления со шпалой заершенную наружную поверхность, а внутренняя — изготовлена из более мягкой пластмассы для большей связи с шурупом и усиления изоляции. На основании проведенных исследований Польскими железными до­ рогами сделан вывод о возможности изготовления дюбелей из полиэти­ лена низкого и высокого давления. Одновременно для изготовления дюбелей рекомендуется также использование армированных стекло­ волокном полиамидов [28]. В Нидерландах проведены лабораторные испытания суперполиамидных дюбелей. Установлено, что надежность и прочность скрепления рельса в случае применения суперполиамид­ ного дюбеля после длительного времени эксплуатации значительно больше, чем при использовании деревянного дюбеля.

6. Применение клеев в рельсовых скреплениях

На зарубежных железных дорогах полимерные материалы нахо­ дят все большее применение в качестве клеев для соединения элементов верхнего строения пути. Например, хорошие результаты по приклеи­ ванию металлических подкладок рельсовых скреплений к деревянным шпалам были получены в Германии еще в 1938 г. В США в 1964 гѵ

193

подкладки на клеевом соединении были уложены на путях Иыо-Йорк- ского метрополитена. Испытывался такой метод укладки пути и

вКанаде.

Вмае 1965 г. Научно-исследовательским институтом пиломате­ риалов были опубликованы результаты испытаний металлических подкладок, приклеенных к деревянным и железобетонным шпалам. Целью исследования было выяснение возможности использования со­ временных синтетических клеев на основе различных смол для рель­ совых скреплений вместо крепежных болтов, с одновременным опреде­ лением экономической эффективности.

ВДерби проводились испытания четырех типов клеев, поставляе­ мых различными фирмами для приклеивания деталей в скреплениях на железобетонных шпалах. Испытания проводились с сопоставлением полученных данных соответствию требованиям, выработанным Бри­ танскими железными дорогами для скреплений на железобетонных шпалах. Однако в результате разработки и стандартизации рельсовых

скреплений на железобетонных шпалах с анкеровкой закрепителей в процессе производства шпал необходимость исследований по при­ клеиванию подкладок к железобетонным шпалам для Британских же­ лезных дорог отпала. Поэтому исследования проводились по приклейке стальных подкладок только к деревянным шпалам. Исследовались 6 клеевых составов с использованием видоизмененных фенолоформальдегидных смол, отверждаемых при высокой температуре, и клеевых систем с использованием различных составов на основе эпоксидной смолы. Стальные опорные подкладки скрепления применялись обыч­ ной, используемой для болтового скрепления конструкции, но во всех случаях подвергавшиеся предварительной очистке путем пескоструй­ ной обработки крупным песком. Изготовляемые скрепления подвер­ гались продолжительным механическим испытаниям под статической

непосредственно на отрыв подкладки по клеевому шву. Испытания на долговечность включили проверку стойкости клеевого соединения

вусловиях изменения температуры от очень низкой до +100° С с вы­ держкой в кипящей воде, а также в условиях выдержки на открытом воздухе под влиянием атмосферных воздействий от одного до двух лет. Испытания всех образцов дали положительные результаты, за исключением того, что ни один клеевой состав не выдержал испытаний

вкипящей воде. Последнее не расценивается как недостаток клеевого соединения, так как такие условия не встречаются в эксплуатации. Механические же испытания рассматриваются как достаточно жесткие.

Кобщему недостатку всех клеевых систем относят то, что склеенные детали нельзя разъединить для повторного их использования.

Железные дороги ГДР проводили испытания клеевых соединений в сочетании с болтовыми, точечной сваркой или с заклепочными соединениями. Это, повышая прочность и надежность сопряжения, практически исключает износ и коррозию по поверхности контакта со­ единяемых элементов [29]. Такие испытания проводились в рельсовых

194

скреплениях на путях Берлинского метрополитена. В качестве клея

рельсовое скрепление, в котором металлическая подкладка приклеи­ валась к бетону, выдержало при испытаниях 2500 боковых ударов с энергией каждого удара 11 кГм и после годичной выдержки доба­ вочно еще 50 ударов с энергией 50 кГм. В то же время обычное соеди­ нение рифленой прокладки с бетоном разрушается от одного удара. После 4,5 лет выдержки склеенных образцов на открытом воздухе под влиянием атмосферных воздействий на контактирующей поверх­ ности не было обнаружено коррозии металла. Закрепление крепежных шурупов рельсового скрепления в бетоне осуществлялось заливкой их эпоксидной смолой.

С применением рельсовых скреплений аналогичной конструкции был построен опытный двухпутный участок длиной ПО м, успешно эксплуатируемый в течение трех лет. В 1967 г. такие скрепления были установлены на мосту у Кратусберга, по которому движение поездов осуществляется со скоростью до 120 кміч. С 1962 г. исследуется воз­ можность применения клееболтовых изолирующих стыков рельсов. Прочность таких изолирующих стыков рельсов типа 49 на растяжение составляет ПО—160 Т. Проводятся работы по применению пластмасс и смол для восстановительного ремонта изношенных элементов кресто­ вин стрелочных переводов.

Полимерные материалы используют и для защиты от коррозии деталей рельсовых скреплений. В Японии, например, в течение ряда лет проводятся экспериментальные исследования по изысканию эф­ фективных методов борьбы с коррозией рельсов, подкладок и других деталей скреплений [30]. Первая серия экспериментов по защите сталь­ ных подкладок от коррозии была начата в 1952 г. Для этого использо-

Рмс. 129. Приклеивание подрельсовых подкладок эпоксидным составом

195

вались различные покрытия, в том числе окрашивание, покрытие полимерными материалами, металлизация. Экспериментальные под­ кладки разных типов устанавливались в тоннелях на электрифици­ рованных и на неэлектрифицироваиных участках пути. Периодический осмотр подкладок с извлечением их из пути позволил сделать следую­ щие выводы:

окрашивание является дешевым и достаточно эффективным спо­ собом борьбы с коррозией; наиболее благоприятными оказались краски на цинковой основе;

защитная полимерная пленка имеет большую толщину, чем слой краски, она более стойка к механическим повреждениям, но местами отслаивается от поверхности металла; лучшим из испытывавшихся полимерных покрытий оказалось найлоновое;

металлизация показала удовлетворительные результаты, но сла­ бым местом оказались зоны отверстий для прикрепителей;

лучшие результаты были получены на подкладках, изготовленных из нержавеющей стали.

Вторая серия опытов проводилась с более длительным периодом испытаний образцов, окрашенных краской на цинковой основе, а также образцов, покрытых найлоновой пленкой и изготовленных из не­ ржавеющей стали. Испытания показали, что для снижения коррозии необходимо уменьшить электрический потенциал между рельсом и зем­ ляным полотном и улучшить изоляцию рельсов от земляного полотна. Для этой цели было рекомендовано применять найлоновые прокладки под подошвой рельсов и изолировать стальные шпальные подкладки нанесением на них найлоновой пленки.

На железных дорогах Австралии предложена конструкция проти­ воугона, выполненного из стеклопластика на основе эпоксидной смолы горячего отверждения. Изготовление противоугона осуществляется намоткой стеклянного волокна в виде восьмерки в специальной форме (кондукторе) с последующими пропиткой эпоксидной смолой в коли­ честве 30% веса изделия и отверждением при температуре -|-150°-н Л-2000 С. Стекловолокно должно обладать пределом прочности при рас­ тяжении до 31 600 кГ/см2. К преимуществам противоугона такой конст­ рукции из стеклопластика относят экономичность, простоту изго­ товления и незначительный вес.

В США запатентована конструкция составного рельса, увеличи­ вающего межремонтный срок службы и надежность пути при высоко­ скоростном движении. При следовании поездов с большой скоростью в рельсах возникают сложные колебания и вибрации, которые ведут к быстрому расстройству промежуточных рельсовых скреплений. Длинномерные рельсы, укладываемые на упругих резиновых проклад­ ках, не решают проблему, так как не поглощают этих колебаний и виб­ раций. Составной рельс предлагаемой конструкции оборудован двумя продольными стальными полосами, плотно прилегающими с обеих сторон к шейке рельса. Между полосами и шейкой рельса проложены резиновые прокладки. Рельс с продольными полосами и резиновыми прокладками стягивается болтами над каждым рельсовым скрепле­ нием на шпалах.

196

На Австрийских железных дорогах на протяжении последних двадцати лет проводятся работы по совершенствованию, соединений элементов верхнего строения пути [45]. Было разработано несколько способов костыльного скрепления рельсов со шпалами без подкладок и с ребордчатыми подкладками на болтах. При этом применяются ско­ шенные пружинные и просто пружинные костыли различных типов. В скреплениях раздельного типа с болтовым прикреплением подкладок к шпалам, в прикреплении рельса к подкладке применяют различные типы пружинных клемм, а на болтах — пружинных шайб, чем рельс в определенной степени обрессоривается. В целях снижения затрат на содержание пути производятся поиски соединения шпалы и под­ кладки, которое бы длительное время сохраняло необходимую проч­ ность. В этом направлении проводятся исследования по приклеиванию подкладок. Испытывались подкладки двух типов: с зажимами «Пэндрол» (рис. 130), которые предполагается применять на железобетон­ ных шпалах, и применяемая до сих пор ребордчатая подкладка. По­ следняя взята потому, что при использовании ее на шпале устанавли­ вают только 4 легкозамыкаемые и размыкаемые скобы, и, хотя к де­ ревянным шпалам она крепится еще и четырьмя болтами, все эти операции легко механизируются.

Для обеспечения большей надежности клеевого соединения со шпа­ лой на каждой стороне подкладки типа «Пэндрол» надрезами шириной 16 мм, проходящими от торцов параллельно длинным сторонам под­ кладки до боковых граней подошвы рельса, делаются скобы. Для уста­ новки подкладки на шпале они соответствующим образом отгибаются. На ребордчатых подкладках для сохранения их опорной площадки

каждой такой подкладки просверливают по шаблону четыре отверстия

ифрезеруют на опорных поверхностях выемки. При использовании плоских подкладок выемки выполняют с подуклонкой. Перед при­ клеиванием шпальные отверстия очищают, обезжиривают и заполняют клеящим составом из смолы, отвердителя и наполнителя. Нижняя поверхность подкладки тоже покрывается тонким слоем клеящего состава. После этого установленные по шаблону подкладки наклеи­ ваются. Нанесение клеящего слоя между подкладкой и шпалой обеспе­ чивает более надежное прикрепление подкладки к шпале и препятст­ вует попаданию между ними влаги и пыли. Благодаря тому, что скобы

иподкладки представляют практически одно целое, нагрузка пере­

при повышении скорости и осевых нагрузок. Отмечается, что описан­ ный метод может применяться для всех типов подкладок на деревян­ ных и железобетонных шпалах, а также на пути со сплошным желе­ зобетонным основанием [45].

197

Рис. 130. Рельсовое скрепление на же­ лезобетонных шпалах типа Delta с пружинной прижимной клеммой ти­ па «Пэндрол», с резиновой подрельсовон прокладкой и изолятором под

клеммой из полиамида 6,6:

а — общ ий вид: 6 — схема конструкции

Рис. 131. Подкладки с развернутыми скобами:

а — типа » П э н д р о л » ; б — ребордчатая

'198

7. Изолирующие стыки

Большое внимание на зарубежных железных дорогах уделяется исследованиям и разработкам изолирующих стыков (рис. 132, 133) более совершенных конструкций, отвечающих современным требованиям эксплуатации. В большинстве стран работы в этой области осуществляются в направлении использования в конструкции изолирую­ щих стыков деталей из конструкционных и электроизоляционных полимерных материалов. Проведение этих работ мотивируется боль­ шими расходами на содержание изолирующих стыков существующих конструкций в исправном состоянии. Это необходимо, так как в боль­ шинстве случаев ими осуществляется изоляция электрических рельсо­ вых цепей постоянного тока участковой автоматики, обеспечивающей нормальную работу сигнализации и блокировки. Сложность вопроса состоит в том, что наряду с электрической изоляцией изолирующие стыки должны выполнять задачу прочного соединения концов рельсов друг с другом.

В ГДР до 1966 г. в конструкции изолирующих стыков применя­ лись обычные соединяющие элементы из стальных накладок и крепеж­ ных стыковых болтов, имеющих изолирующие покрытия. Применялись также деревянные элементы и рельсовые накладки из древеснослои­ стых пластиков и других искусственных материалов. Удовлетворитель­ ные результаты дало применение рельсовых накладок и стыковых прокладок между торцами рельсов, изготовленных из слоистых пласт­ масс на основе эпоксидной смолы с наполнителями из шелковой тка­ ни Или стекловолокна. Однако изолирующие стыки такой конструк­ ции оказались мало надежными и вызывали значительные расходы на содержание их в исправном состоянии, особенно в случаях располо­ жения стыков на весу, между шпалами. Они не создавали однородно­ го монолитного соединения концов рельсов, что из-за ударов и боль­ ших динамических нагрузок от колес подвижного состава приводило к повышенному износу и быстрому выходу из строя крепежных и изо­ лирующих элементов стыка.

199