Пружинные шайбы применяются там, где требуется скрепление деталей болтами. Однако при болтовых соединениях, которые должны также обладать достаточной упругостью, чтобы противостоять ударам, деформации, сотрясению и износу в результате воздействия большого грузового движения, пружинные шайбы могут выполнять пять функций: 1) они обеспечивают сопротивление развинчиванию гайки, так как опыты, выполненные AREA, показа ли, что гайки не отвинчиваются до тех пор, пока имеется какое-нибудь натяжение болтов; 2) гарантируют равномерное натяжение при необходимой степени затяжки; 3) обеспечивают достаточный запас натяжения на период службы болтового соединения между повторными затяжками болтов; 4) служат в качестве упругой прокладки между болтом и стыковой накладкой для смягчения сотрясений и ударов от подвижных нагрузок и 5) компенсируют частично некоторые недостатки в составных частях стыкового узла.
Ослабленные стыки.
Тот факт, что болты могут быть слабо затянуты, часто приписывается развинчиванию гайки. В некоторых других случаях в качестве причин ослабления болтов приводится продольная деформация болта или коррозия. Однако опыты показали окончательно, что это ослабление может иметь место без развинчивания гаек; в действительности ослабление происходит и в стыках, в которых сквозь гайки и болты были просверлены отверстия и после затяжки болтов были поставлены шплинты.
Ослабление также имело место в стыках, в которых все детали хорошо подходили одна к другой и общий предел упругости болтов значительно превышал усилия, которые в последующем развивались в них. Однако при небольшом ослаблении стыка внезапное приложение силы и удары не встречают сопротивления со стороны стыка как единого целого, поэтому на каждый болт в отдельности приходятся неодинаковые усилия, в результате чего один болт (или более) может подвергаться воздействию сил, превышающих допускаемую нагрузку. Коррозия стыковых накладок и рельсовых концов является существенным фактором в сокращении срока службы рельсового стыка в целом; оно вызывает повышенный износ в местах контакта стыковых накладок и рельсовых концов или образование так называемых «замороженных» стыков.
В целом рельсовый стык должен быть одинаковым с рельсом по прочности, жесткости, прогибу и упругости. Опирание стыка должно быть подобным опиранию всего рельса, иначе развивается неравномерный износ от ударных воздействий повторяющихся нагрузок подвижного состава. Между тем прогиб стыка приводит к износу от трения всех контактирующих поверхностей, который усиливается с увеличением движения и ускоряет ослабление стыка.
В добавление к износу от трения составных частей стыка имеются другие причины, которые вызывают движение внутри стыка; такими являются расширение и сжатие рельса и деталей стыка, связанных с температурными изменениями. Под влиянием вышеупомянутых факторов, способствующих ослаблению стыка в целом, наблюдается ослабление натяжения болтов и вытекающее отсюда ослабление гаек. Очевидно, что если стык должен содержаться прочно затянутым, необходимо периодически подтягивать болты.
Натяжение болтов.
Когда натяжение болтов соответствует требуемому, однообразно и постоянно, оно содействует полному включению в работу элементов стыка и помогает лучшему содержанию его. Элементы стыка не должны быть плотно стянуты, потому что будет ограничено продольное перемещение рельсов из-за температурных изменений. С другой стороны, при слабом натяжении увеличивается износ рельсов, стыковых накладок, болтов и гаек, и, если это не выправить, будут понижения и удары в стыках, расплющивание рельсовых концов, изгиб рельсов, изломы головки рельсов и даже изломы уголковых накладок и путевых болтов.
В исследовании рельсовых стыков AREA нашла, что для удовлетворительной работы в пути симметричного типа стыка и недопущения увеличения стыкового износа вследствие ослабления болтов, натяжение не должно быть ниже 2 270 кг. Для правильной работы рельсового стыка действующие рекомендации AREA предусматривают первоначальное натяжение болтов у вновь уложенных стыков от 9080 до 13 620 кг, а при включении в работу от 6 810 до 11350 кг.
Ослабление болтов происходит не от отвинчивания гайки, пока имеется какое-либо натяжение болтов, а из-за износа поверхностей соприкасания рельсов и накладок, которые перемещаются относительно друг друга и таким образом снижают первоначальное натяжение. Измерения износа поверхностей соприкасания показали, что в то время, как среднее натяжение болтов имеет место при износе поверхностей контакта около 0,38 мм, максимальный износ на любом стыке в течение года будет 0,76 мм. Следовательно, чтобы выдержать рекомендованное минимальное натяжение болта 2 270 кг, Технические условия AREA для пружинных шайб ставят условием, что при износе поверхностей контакта накладок и рельсов в 0,76 мм шайбы должны оказывать реактивное давление по крайней мере 2 270 кг.
Пружинные элементы обычно применяются двух типов: а) витковые или пружинные шайбы и б) рельсовые стыковые пружины. Каждая из этих деталей должна оказывать постоянное реактивное давление в направлении, параллельном оси болта, для предупреждения его ослабления. Пружинные шайбы спроектированы так, чтобы они обеспечивали постоянно высокое реактивное давление, смягчали ударные воздействия и гарантировали, чтобы все болты в стыке загружались одинаково. Компенсируя износ, который происходит неизбежно, пружинные шайбы уменьшают тем самым число дефектов стыковых накладок и увеличивают срок службы рельсов, не допуская расплющивания рельсов в стыках.
Пружинные шайбы.
Пружинные шайбы, известные как витковые пружинные шайбы, разделяются на одновитковые и двухвитковые. Упругость витковой шайбы была использована ранее, но ее величина упругости, которая возмещала бы износ рельсового стыка, не была известна вначале.
По ряду опытов, начатых в 1890 г., стало очевидным, что сопротивление сжатию шайбы должно быть значительно увеличено, если хотят избежать ослабления стыка за счет компенсации влияния износа. Сечение гайки увеличивалось до тех пор, пока в начале этого столетия не достигло 9,5 X 9,5 мм, и она была известна в то время как запирающая гайка, допускающая высокое натяжение болта d — 25,4 мм в размере около 1 362,0 кг. Опытные нагрузки при этом размере болтов в технических условиях для пружин, допускающих высокое сжатие, равны 9 080 кг.
Дальнейшие улучшения в методах изготовления, термическая обработка и закалка вместе с использованием легированных или углеродистых сталей специального состава, изготовленных мартеновским способом, в электропечах или тигельных печах, позволили получить необходимое реактивное давление пружин, требуемое современными условиями движения, с достаточным запасом мощности как условия безопасности. Это усовершенствование происходило по линиям увеличения реактивного давления витковой пружинной шайбы, увеличения сечения для соразмерности с болтом и введением спиральных пружинных шайб.
Конструкции шайб.
Витковая пружинная шайба простого одновиткового или спирального типа в настоящее время изготовляется с параллельными гранями для применения на железных дорогах, поскольку они не приводят к неровному опиранию на поверхность уголковых накладок или гаек, т. е. к условию, которое не только вызывает неравномерный износ, но также нарушает передачу давления в направлении, параллельном оси болта. Это осуществляется созданием в конечном итоге полос для изготовления шайб специального сечения, при котором сжатие внутреннего края и удлинение наружного, когда они наматываются на сердечник, обеспечивали бы параллельность сторон. Разница в 1,60 мм по ширине верха и низа сечения существенно влияет на результат.
Следующей деталью в конструкции витковой пружинной шайбы является отделка наружной поверхности в виде закругления краев с тем, чтобы незначительное снижение от износа в уголковых накладках не превратилось в углубления, которые стали бы мешать при дальнейшей работе. Это свойство также выявляется в конструкции стыковой пружины, поскольку основная точка опоры приложения реактивных сил приходится на единственный виток на середину элемента. Цель этого — избежать какие-либо повреждения, причиняемые другим деталям стыка во время их работы по сохранению стыков плотно затянутыми.
Некоторые условия движения или ограниченное время на производство работ по текущему содержанию иногда требуют применения пружинных шайб менее жестких, чем шайбы с высоким реактивным давлением, но которые обладают более высокой силой нажатия и имеют широкие пределы реактивной силы там, где это особенно ценно. Этого достигли усовершенствованием двухвитковой с высоким нажатием пружинной шайбы, которая никогда не выпрямляется при нормальных условиях службы. Подобное приспособление, но меньшего сечения, предназначено для замедления и прекращения движения вывинчивания вверх шурупов, особенно когда они применяются при раздельном прикреплении.
Рельсовые стыковые пружины.
Рельсовые стыковые пружины коренным образом отличаются от более старых конструкций пружинных шайб, еще применяемых в некоторых местах. Более новые пружины предназначены для одного болта и представляют короткую стальную пластинку изогнутого профиля; этот профиль предусматривается для того, чтобы избежать излишнего натяжения и уменьшать опорные площадки на концах. Эти свойства были воплощены в конструкции, которая обеспечивала упругость и натяжение болтов, находящихся в контакте с пружинами, через головки и гайки. Более старые типы пружин состоят из стальных полос, изогнутых в виде сдвоенных кривых, соединенных кривой обратного направления и такой длины, что две кривые перекрывают последующую пару отверстий в стыке с четырьмя или шестью отверстиями. Стыковые пружины спроектированы не только, чтобы предотвращать ослабление болта подобно витковым пружинным шайбам, но также обеспечивать высокое реактивное давление, необходимое для натяжения болтов, затянутых вручную.
Кроме описания индивидуальных черт конструкции, следует отметить, что изготовление имеющих отношение к ним деталей должно быть сделано современными способами, чтобы обеспечить постоянное сжатие пружины, которое является основным требованием. Важно также качество стали, из которой изготовляются пружины, и качество изготовления. Практически все приспособления, поддерживающие натяжение гайки,изготовляются в автоматах, гарантирующих точность формы. Однородность в термической обработке получается с помощью современной записывающей и показывающей аппаратуры; закалка делается в масле при надлежащей температуре; отпуск металла, чтобы обеспечить правильную степень упругости, выполняется с применением современных инструментальных приспособлений. Определение химического состава и физических свойств необходимо в процессе изготовления, а испытание на удар в конце производства не только дает характеристику качества материала, но и позволяет устранить дефектные детали.
Гайки со шплинтами.
Гайки со шплинтами являются приспособлениями, которые служат для того, чтобы ограничить ослабление стыка, но значительно более необходимы для болтов на стрелках, крестовинах и пересечениях, где условия в отношении ударов и вибрации исключительно трудны.