Железобетонные железнодорожные шпалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Шпалы -- традиционный и наиболее распространенный тип подрельсового основания. Основные материалы для них -- дерево, железобетон и металл. Первоначально они все были деревянными.

Первые железобетонные железнодорожные шпалы в России были изготовлены в 1903 г. и испытаны в лаборатории Петербургского института инженеров путей сообщения, а затем уложены на одной из станций Финляндской железной дороги. С 1903 по 1927 гг. попытки применения железобетонных шпал в России неоднократно повторялись -- к числу наиболее крупных опытов относится укладка 4-х тыс. шпал в 1922 г. на Южной дороге. И только в конце 70-х началась массовая укладка железобетонных шпал.

Железобетонные шпалы (шпалы ЖБИ) имеют следующие достоинства: сравнительно большой срок службы (40--50 лет), однородная упругость пути по длине, хорошая устойчивость в балласте против сдвига, возможность придания им целесообразной формы.[1]



1. Обоснование необходимости и места строительства

Шпалы - одна из наиболее ответственных частей железнодорожного пути. От их прочности и устойчивости зависит надежность железнодорожного полотна. Однако разнообразие климатических условий на территории нашей страны определяет необходимость изучения и выявления технологий увеличивающих морозостойкость, водонепроницаемость железобетонных шпал.

Увеличение протяженности железных дорог требует все большего объема производства шпал. Поэтому возникает необходимость развития производства шпал по всей территирии России.

Целесообразно поместить цех производства железобетонных шпал в городе Сибай, возле комбината. Так как здесь будут учитываться все технологические требования и более низкая цена по сравнению с конкурирующими предприятиями других городов. Так же положительная сторона выбранного места строительства состоит в том, что оно расположено рядом с железнодорожными путями и автомобильными дорогами.

Основным потребителем шпал будет сам город, так как в нем очень много железнодорожных путей, которые требуют замены шпал. Так же в окрестностях города открывают новые залежи медных руд, которые требуют проложения новых железных дорог для уменьшения расходов при транспортировки их в места переработки.

Снижение стоимости продукции без ухудшения ее качеств можно за счет уменьшения затрат на ее производство. Это возможно за счет снижения расхода цемента (использование химических добавок), энергетических и топливных ресурсов, а так же при уменьшении выхода бракованной продукции за счет соблюдения технологии производства.



2. Аналитический обзор

Основные направления по усовершенствованию железобетонных подрельсовых оснований состоят в поиске новых конструктивных решений и оптимизации технологии изготовления шпал и переводных брусьев.

По конструктивным особенностям подрельсовые основания подразделяются на: обычные традиционные шпалы, рамные шпалы (Австрия), лежневые конструкции (Япония), широкие шпалы (Германия), шпалы повышенной массы для увеличения стабильности пути. Кроме того, имеются различные конструкции безбалластного пути для высокоскоростного движения и особых условий эксплуатации.

Применительно к предварительно напряженным железобетонным шпалам можно составить более подробную классификацию технологий производства, применяемых в разных странах мира. Методы производства предварительно напряженных шпал можно условно разделить на три основные группы:

- система одиночной формы

- система «Короткая линия»

- система «Длинная линия»

В системах одиночных форм бетон должен иметь жесткую консистенцию. Для одиночных шпал, твердеющих в формах, технология производства выглядит следующим образом: подготавливают и натягивают арматуру к краю каждой отдельной формы; форма заполняется бетонной смесью, подвергается вибрации и направляется в пропарочную камеру; после термообработки крепления тросов ослабляются, шпалу вынимают из формы, проверяют и укладывают в штабели; форму готовят к следующей загрузке.

Эта система применяется в таких странах как: Германия, Италия, Польша.

Системы «Короткая линия» обычно основаны на том, что от 2 до 6 форм длину и от 1 до 4 в ширину встроены в жесткие рамы предварительного натяжения. В системах применяется стандартная стальная арматура (обычно одиночная проволока) и бетон жесткой консистенции. Шпалы производятся по стендовой и поточно-агрегатной технологической схеме.

Достоинством этой системы является её гибкость в отношении разных конструкций шпал. Предварительное напряжение передаётся «полным сцеплением».

В системах «Длинная линия» обычно применяется длинный ряд форм: более 30 в длину и до 8 в ширину. На большинстве заводов количество рядов определяется необходимой дневной выработкой, поскольку формы используют только 1-1,5 раза за 24-часовую смену. В системах применяется стандартная арматура и бетон пластической консистенции.

Самыми известными заводами, работающими по этой технологии являются заводы английской компании «Dowmac».

Технология производства на заводах компании различна и зависит от объёма выпуска.

Почти во всех странах применяется для ускорения твердения бетона тепловлажностная обработка шпал, причём, как видно из таблицы 1, длительность предварительного выдерживания шпал в формах и прочность бетона к моменту отпуска арматуры различны. Режимы тепловой обработки бетона не регламентированы почти ни одним существующим зарубежным техническим условием на изготовление шпал. Это в какой-то степени может характеризовать различный подход к решению данного вопроса, а в некоторых случая и недооценку влияния режима тепловой обработки на качество и, в первую очередь, на морозостойкость бетона.



Таблица 1. Основные технологические характеристики производства железобетонных шпал в различных странах [2]

Страны	Технологическая схема	Длительность ТВО, час	Режим ТВО/tmax, 0С	Продолжительность оборачиваемости форм, час.	Сила предварительного натяжения арматуры, кН
Россия	поточно-агрегатная	11	2+3+4+2/80	12	364
Венгрия	поточно-конвейерная	11	/80	7.5-12	115
Польша	стендовая, поточно-конвейерная	14	3+2+4+5/85	12-16,5	360
Германия	поточно-агрегатная	8	/70	8-12	270
Англия	стендовая	без ТВО	без ТВО -	24	320
США	стендовая, конвейерная, поточно-агрегатная	12	/66	24	355
Франция	поточно-агрегатная	без ТВО	без ТВО	24	-
Швеция	стендовая	без ТВО	без ТВО	16-24	150

В мировой практике существуют три основные технологические схемы производства железобетонных конструкций: стендовая, поточно-агрегатная и поточно-конвейерная. Выбор той или иной схемы обусловливается наличием площадей, требуемой производительностью и некоторыми другими факторами.

Наилучшим вариантом является использование мощной конвейерной линии с максимальным уровнем автоматизации производства. Но использование данного варианта возможно только при условии массового спроса, более 500000 шт/год. При меньших объёмах производства по существующим типовым схемам во всём мире используется поточно-агрегатный способ производства. Существующие типовые схемы поточно-агрегатного способа производства с одной формовочной линией позволяют производить 250000шт/год (до 500000шт/год) шпал железобетонных, в свою очередь глубокая автоматизация производственных операций позволяет сократить производственную себестоимость и довести её до уровня конвейерных линий.

Поточно-агрегатный способ производства применяется для мелкосерийного производства большой номенклатуры изделий длиной до 12 м, шириной до 3 м и высотой до 1 м, размеры не являются предельными.

Экономичность и быстромонтируемость способа обуславливают его начальный выбор при постоянном развитии производства, при отсутствии достаточного количества металла и оборудования для строительства конвейерной линии. Способ может превосходить другие, в Японии, например, конвейеры уступают гибким поточно-агрегатным схемам. К данному способу относятся также схемы, включающие формование на центрифугах, с вибровкладышами, в термоформах и т.п.

Недостатками способа являются наличие большого объёма крановых операций, не высокая мощность линии. Первый может быть устранён установкой стационарных крановых-укосин, манипуляторов, подъёмников, формоукладчиков, кран-балок, лебёдок на раздаточном и укладывающем оборудовании, а мощность линии не является самоцелью при большой номенклатуре изделий, что особенно важно при рыночных поставках малых партий продукции. Поточно-агрегатная линия с операционным рольгангом является переходным к конвейерной линии типом и сочетает элементы конвейера: рольганг с элементами агрегатной технологии, формовочной установкой, ямной камерой. [3]



3. Технологическая часть

3.1 Номенклатура продукции

Железобетонные, предварительно напряженные шпалы для железнодорожных путей с рельсовой колеей шириной 1520 мм и рельсами типов Р75, Р65 и Р50, по которым обращается типовой подвижной состав общей сети железных дорог изготавливаются в соответствии с требованиями ГОСТ 10629-88[4]. По технологической документации, утвержденной в установленном порядке.

Шпалы в зависимости от типа рельсового скрепления подразделяют на:

Ш1 - для раздельного клеммно-болтового рельсового скрепления (типа КБ) с болтовым креплением подкладки к шпале;

Ш2 - для нераздельного клеммно-болтового рельсового скрепления (типа БПУ) с болтовым прикреплением подкладки или рельса к шпале.

Форма и размеры шпал должны соответствовать указанным в таблице 2 и на рисунках 1-4.

Таблица 2. Номенклатура продукции (железобетонная шпала)

Марка шпалы	Расстояние между упорными кромками разных концов шпалы а, мм	Расстояние между упорными кромками одного конца шпалы а1, мм	Расстояние между осями отверстий для болтов а2, ММ	Расстояние между осью отверстия и упорной кромкой а3, мм	Угол наклона упорных кромок	Направление большей стороны отверстия для болта относительно продольной оси шпалы
Ш1-1	2012	404	310	47	55°	Поперечное
Ш1-2	2000	392	310	41	72	Поперечное
Ш2-1	2012	404	236	84	55	Продольное



Примечания:

1. На кромках, примыкающих к подошве и торцам шпалы, допускаются фаски шириной не более 15 мм.

2. По согласованию изготовителя с потребителем допускается изготовлять шпалы, у которых размеры и расположение углублений на подошве отличаются от указанных на рис.1, а форма и размеры вертикальных каналов для закладных болтов отличаются от указанных на рис. 2-4.

Таблица 3. Расчетная номенклатура проектируемого цеха

Наименование	Размеры базовых изделий, мм	Объем бетона, м3	Класс бетона	Отпускная прочность,%	Плотность бетона, кг/м3	Арма-тура, кг	Закладные детали, кг	Масса, т
Ш1-1	2700*300*230	0,108	В 40	90	2494,1	67,2	11,8	0,25

1 - закладная шайба; 2 - проволочная арматура

Рисунок 1. Шпалы железобетонные

Сечение 3-3 приведено на рис. 3



Рисунок 2. Подрельсовая часть шпалы Ш1-1

Рисунок 3. Подрельсовая часть шпалы Ш1-2

Сечения 4-4, 5-5 и 6-6 приведены на черт. 2

Рисунок 4. Подрельсовая часть шпалы Ш2-1



Рисунок 5. Размещение арматуры

а - на торце шпалы; б - в среднем сечении шпалы

3.2 Параметры проектирования

железобетонный подрельсовый шпала

Шпалы следует изготовлять из тяжелого бетона по ГОСТ 26633 [5] класса по прочности на сжатие В40. Фактическая прочность бетона (в проектном возрасте, передаточная и отпускная) должна соответствовать требованиям ГОСТ 13015.0 [6]. Нормируемую передаточную прочность бетона следует принимать равной 32 МПа (326 кгс/см2), отпускную прочность бетона принимают равной передаточной прочности бетона. Жесткость бетонной смеси Ж1 (-10 сек.). Марка бетона по морозостойкости должна быть не ниже F200, для эксплуатации в климатической зоне Сибирь и Дальнего Востока не ниже F300. Марка по водонепроницаемости не ниже W8. В качестве арматуры шпал следует применять стальную проволоку периодического профиля класса Вр диаметром 3 мм, по ГОСТ 7348 [7] и ТУ 14-4-1471-87 [8], номинальное число арматурных проволок в шпале 44, общая сила начального натяжения всех арматурных проволок в пакете должна быть не менее 358 кН (36,4 тс). Расположение проволок, контролируемое на торцах шпалы, в соответствии с рисунком 5.

В качестве базового изделия принимается шпала Ш1-1. производительность завода по данному виду изделия составляет 40 тыс. м³ в год. Показатели материалоемкости шпал:

- объем бетона на одну шпалу 0,108м³

- расход стали на 1 м³ бетона:

- напрягаемой проволоки диаметром 3 мм 67,2 кг

- закладных шайб 11,8 кг

Показатели материалоемкости шпал, изготовленных по типовой поточно-агрегатной технологии в десятигнездных формах (без учета технологических и производственных потерь за пределами формы)

Таблица 4. Состав бетонной смеси

Вид смеси	Класс бетона по прочности	Марка по удобоукла-дываемос-ти	Расход материалов на 1м3, кг	Добавка, л	Плотность бетонной смеси, кг/м3
			цемент	вода	щебень	песок
БСГТ	В40	Ж1	405	164	1374	545,2	3,24	2491,4

3.3 Характеристика исходных материалов

3.3.1 Вяжущее вещество

1) Для производства железобетонных шпал используют цемент ПЦ 500 ДО, в соответствии с учетом требований по ГОСТ 30515-97. [9]

2) Тонкость помола цемента должна быть такой, чтобы при просеивании пробы цемента сквозь сито с сеткой № 008 по ГОСТ 6613[10] проходило не менее 85 % массы просеиваемой пробы.

3) Минимальный расход цемента для изделия принимается по СНиП 82-02-95 [11] для соответствующих условий производства.

4) Каждая партия цемента, применяемая для приготовления бетонной смеси, должна иметь документ о качестве (паспорт).

5) Начало схватывания должно наступать не ранее 2 ч от начала затворения цемента.

6) Не допускается применение смешанных цементов.

При производстве железобетонных шпал необходимо использовать ПЦ со следующим минералогическим составом: содержание трёхкальциевого алюмината (C₃А) должно быть не более 6-8%; содержание трёхкальциевого силиката (C₃S) - не менее 55%.

На основании вышеперечисленных факторов принимаю ПЦ 500 ДО

Таблица 5. Химический состав портландцементного клинкера

Оксид	SiO2	Al2О3	Fe2О3	CaO	CaO cвоб.	Оксиды щелочных материалов, магния и серный ангидрид
Мас.%	22,83	4,00	3,29	66,71	2,83	0,34

Таблица 6. Расчетный минералогический состав портландцементного клинкера

Фаза	3CaO SiO2	2CaO SiO2	3CaO Al2O3	(4CaO Al2O3) Fe2O3	Примеси
Мас.%	59	25	7	10	1

Таблица 7. Характеристики цемента

Наименование показателей	Результаты
Нормальная густота цементного теста, см	27,5
Гарантированная марка	500
Активность при пропаривании, МПа	31,1
Группа цемента по эффективности пропаривания	1
Насыпная плотность, кг/м3[9]	1,0
Истинная плотность кг/м3	3,12
Предел прочности в возрасте 28 суток, МПа	при сжатии	40
	при изгибе	5,4

3.3.2 Вода

Вода для приготовления бетонных смесей должна удовлетворять требованиям ГОСТ 23732-79 [12]. Содержание в воде органических поверхностно-активных веществ, сахаров или фенолов, каждого, не должно быть более 10 мг/л. Вода не должна содержать пленки нефтепродуктов, жиров, масел. В воде, применяемой для затворения бетонных смесей и поливки бетона не должно быть окрашивающих примесей, если к бетону предъявляют требования технической эстетики. Окисляемость воды не должна быть более 15 мг/л. Водородный показатель воды рН не должен быть менее 4 и более 12,5.

Вода не должна содержать также примесей в количествах, нарушающих сроки схватывания и твердения цементного теста и бетона, снижающих прочность и морозостойкость бетона. Допускается применение технических и природных вод, загрязненных стоками, содержащими примеси в количествах, превышающих установленные в таблице, кроме примесей ионов хлора, при условии обязательного соответствия качества бетона показателям, заданным проектом.

3.3.3 Мелкий заполнитель

В качестве мелкого заполнителя для приготовления тяжелого бетона применяют пески, которые должны отвечать требованиям соответствующих стандартов ГОСТ 10629-88.[4] В зависимости от условий образования и получения пески подразделяют: на природные (в естественном состоянии), природные фракционированные и природные обогащенные; дробленые и дробленые фракционированные.

Мкр от 2,5 до 3,5, рекомендуются для бетонов марки М350 и выше.

В качестве мелкого заполнителя применяем природные пески, качественные характеристики которых приведены в таблице 7.

Таблица 8. Характеристики песка

Наименование показателей	Результаты испытаний	Требования ГОСТ 8736-93 [13]
Модуль крупности	3,1	-
Полный остаток на сите 063	64,9	-
Содержание пылевидных и глинистых частиц, %	1,83	До 3
Радиационно-гигиеническая оценка Аэфф ЕРН, Бк/кг	61,0	До 370
Насыпная плотность, кг/м3 (в стандартном неуплотненном сухом состоянии)	1550	-
Содержание вредных компонентов и примесей	Соответствует ГОСТ 8736-93 [13]



Таблица 9. Зерновой состав песка фракции до 5 мм.

Сита, мм	5	2,5	1.25	0,63	0,315	0,16	< 0,16
Частный остаток, %	-	14	31,2	19,7	19,4	13,7	2
Полный остаток, %	-	14	45,2	64,9	84,3	98	100
Прошло, %	100	86	54,8	35,1	15,7	2	-

3.3.4 Крупный заполнитель

В соответствие с ГОСТ 10629-88 [4] для производства бетона шпал следует применять щебень из природного камня или щебень из гравия фракции 5--20 мм по [4]. Допускается по согласованию изготовителя с потребителем применять:

- щебень фракции 20--40 мм в количестве не более 10% от массы щебня фракции 5--20 мм по [4].

- щебень из природного камня фракции 5--25 мм по ГОСТ 7392 [14] при соответствии его всем другим требованиям [4].

В качестве крупного заполнителя принимаем щебень фракции 10-20 мм. Характеристики которого приведены в таблице 11.

Таблица 10. Зерновой состав щебня фр.10-20 мм

Сита, мм	25	20	15	10	<10
Частный остаток, %	-	2,5	38,2	52,3	7,0
Полный остаток, %	-	2,5	40,7	93,0	100
Прошло, %	100	97,5	59,3	7	-

Таблица 11. Характеристики щебня фр.10-20 мм

Наименование показателей	Результаты
Насыпная плотность, т/м3	1,5
Истинная плотность, г/см3	2,8
Влажность, %	0,2
Содержание пылевидных и глинистых частиц, %	0,4
Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы, %	5,0
Марка по дробимости Потери массы при испытании, %	1200 4,3
Марка по истираемости Потери массы при испытании, %	И1 11,0
Марка по морозостойкости	F400
Содержание зерен слабых пород, %	0,2
Содержание глины в комках	-

Заключение: зерновой состав и физико-механические свойства щебня соответствуют требованиям ГОСТ 8736-93 [13]. Щебень пригоден для приготовления тяжелых бетонов согласно требованиям ГОСТ 26633-91 [5].

3.3.5 Добавка

Бетоны марки по морозостойкости F200 и выше, а также бетоны марки по морозостойкости F100 и выше для дорожных и аэродромных покрытий, гидротехнических сооружений следует изготовлять с обязательным применением воздухововлекающих или газообразующих добавок в соответствии с требованиями ГОСТ 26633-91 [5]. В качестве добавки принимаем добавку Micro Air 125.

Micro Air 125 - синтетическая воздухововлекающая добавка для бетонных смесей с высокой морозоустойчивостью и водонепроницаемостью. Представляет собой жидкую добавку на основе водного раствора поверхностно-активных веществ.

Рекомендуемая дозировка 0,8 % от массы цемента.

Таблица 12. Характеристики добавки [17]

Внешний вид	Прозрачная жидкость голубого цвета
Плотность	1,01 кг/м3
рН	8,8
Максимальное содержание хлоридов	?0,1%
Максимальное содержание щелочей	?1,0% (Na2О - эквивалент)
Содержание сухого вещества	40 %



3.4 Расчет производственной программы цеха в потребности в сырье и полуфабрикатах

Необходимо рассчитать агрегатно-поточную линию по производству предварительно напряженных шпал производительностью 40 тыс. м³ в год (по бетону). Тепловлажностная обработка осуществляется в пропарочных камерах ямного типа.

Режим работы линии принимаем по ОНТП-07-85[15]:

- расчетное количество рабочих суток в году - 253;

- количество рабочих смен в сутки - 2;

- продолжительность рабочей смены в часах - 8

Таблица 13. Количество произведенных шпал

Наименование	измерения	Производится в
		год	сутки	смену	час
Шпалы железобетонные	шт	370370	1464	732	91
	м3	40000	151,8	79,1	9,9

В соответствии с установленной производственной программой в таблице 14 приведены значения с учетом потерь:

- арматурной проволоки 0,7%;

- сммазочной смеси 1,5%;

- бетонной смечи 2,2%.

Таблица 14. Потребность в сырье и полуфабрикатах

Характеристика материалов и полуфабрикатов	Единица измерения	Потребность
		год	сутки	час
Стальная проволока Вр, 3 мм	т
Закладные части	т
Смазочная смесь	т
Бетонная смесь, В40	м3

Примечание: в числителе указаны значения без потерь, в знаменателе - с потерями.

3.5 Обоснование технологической схемы и режимов производства

Как правило, узкоспециализированные предприятия строятся на конвейерной линии, но в данном случае предприятие имеет производительность 370 тыс. шт. в год - это очень мало для конвейерной линии, поэтому производство шпал будет осуществляться по агрегатно-поточной технологии.

Рисунок 6. Схема изготовления шпал железобетонных предварительно напряжённых для железных дорог



Производство шпал осуществляют в такой последовательности: перемотанную на катушку арматурную проволоку подают в пролеты производства шпал электрокарами для изготовления струнопакетов. С помощью мостового крана катушки устанавливают на осях бухтодержателя, от которого концы проволок заводят через блоки тормозных роликов в распределительные устройства стола для сборки пакетов-клиньев. Гидравлическим прессом концы проволок зажимают между волнистыми клиньями и закрепляют с помощью винтов, которые ввинчивают в обойму гайковертами. Конвейер с помощью захватов вытягивает пучок проволок на длину 5 шпал. Затем на специальном столике устанавливают два пакета клиньев. Они обжимаются прессом и закрепляются болтами с помощью гайковертов. Вытянутый струнопакет после захвата его траверсой отрезают дисковой пилой и в натянутом состоянии кран-балкой укладывают в форму. Аналогично изготовляют второй пакет. Форму с двумя уложенными пакетами передают рольгангом на стенд для установки закладных частей. Последние служат для образования отверстий и площадок, обеспечивающих крепление рельса к шпалам, и состоят из пустотообразователей, болтов, гаек и пластин. Для отделения шпал друг от друга в форме устанавливают разделительные диафрагмы. Закладные части к посту их укладки подают на ручных тележках. Установку закладных частей производят вручную. Далее осуществляют натяжение струнопакетов, оборудованных гидродомкратами и предохранительным устройством.

Бетон из бетоносмесительного цеха раздаточными бункерами по эстакаде подают в бетоноукладчик, который осуществляет укладку бетонной смеси. Уплотняют на виброплощпдке. Затем форму приводным рольгангом передают на вторую виброплощадку, которая оборудована пригрузочным щитом и поднимается и опускается с помощью электротельфера. Окончательное уплотнение производится в два приема без пригруза и с пригрузом, который одновременно осуществляет формовку подошвы шпал.

Тепловую обработку производят по режиму: выдержка -- 2 ч, подъем температуры до 80°С -- 3 ч; изотермический прогрев при 80°С -- 2 ч; снижение температуры -- 4 ч; всего -- 11ч. 1[16]

Затем гидродомкратами снимают натяжение арматуры, а снятые обоймы и клинья укладывают в контейнер и мостовым краном передают к столу сборки пакетов. Форму с двумя плетями шпал по 5 штук мостовым краном подают на кантователь и переворачивают. Шпалы поступают на пластинчатый конвейер, а форма возвращается к кантователям на рольганг. С помощью приводных роликов форма подается на стенд для очистки и смазки, после чего рольгангом перемещается на пост укладки струнопакетов и цикл повторяется. Петли шпал на пластинчатом конвейере осматривают, маркируют и подают на конвейер разрезки. Эту операцию производят дисковой пилой. Разрезанные шпалы поступают на штабелировщики, где собираются в пакеты по 32шт., при высоте 4 ряда. Мостовым краном с автоматическим захватом, пакеты снимают и устанавливают на площадку для выдержки шпал, после чего они поступают на самоходную тележку для вывоза на склад готовой продукции.

Для испытания шпал предусмотрен участок, оснащенный прессом.

Рисунок 7. План цеха по производству железобетонных шпал



1 - склад готовой продукции; 2 - рольганг; 3 - пресс для испытания шпал; 4 - камеры; 5 - рольганг неприводной; 6 - контейнер для пустотообразователей; 7 - стол для сборки пустотообразователей; 8 - бункер с шайбами; 9 - контейнер для мойки пустотообразователей; 10 - таль электрическая; 11 - машина моечная; 12 - стенд для установки пригруза; 13 - пригруз с вибратором; 14 - ролик приводной; 15 - балка подъемная; 16 - виброплощадка; 17 - раздатчик бетона; 18 - штабелировщик; 19 - конвейер пластинчатый для штабелирования; 20 - стенд для контрольного обмера шпал; 21 - пила дисковая, для резки струн; 22 - конвейер для сборки пакета зажимных головок; 23 - рольганг приводной; 24 - конвейер пластинчатый; 25 - кантователь; 26 - кантователь пластинчатый; 27 - тележка ручная; 28 - стол для чистки пластин; 29 - конвейер для вытяжки струнопакетов; 30 - установка для укладки струнопакетов; 31 - станок для резки струнопакетов; 32 - пресс двухцилиндровый; 33 - стол для сборки пакетов клиньев; 34 - бухтодержатель; 35 - устройство предохранительное; 36 - устройство для очистки проволок; 37 - устройство натяжное; 38 - кран мостовой; 39 - бухтодержатель.[16]

Технологические расчеты

3.6.1 Расчет количества постов формования и подбор основного оборудования

Число формовочных постов определяется [18] по формуле:

где - максимальная продолжительность ритма технологической линии на изготовление изделия, мин (по [15] мин).

- ритм работы технологической линии, исходя из производительности цеха, мин.

определяют по формуле:

где - годовой фонд рабочего времени(по [15] );

- количество рабочих смен в сутки(по [15] );

- продолжительность рабочей смены, ч(по [15] );

- заданная годовая производительность линии, м³;

- коэффициент учитывающий возможный выпуск некондиционных изделий (по [15] );

- средневзвешанный объем одной формовки, м³ (10·0,108=1,08 м³).

Количество постов формования равно:

Принимаем два поста формования.

Ритм потока составляет

Темп потока составит



Производительность (Q_г) технологической линии, определяется по формуле 5

Уплотнение бетонной смеси (Ж1) при формовании шпал СНиП 3.09.01-85[19] рекомендует производить на виброплощадках с частотой колебаний 50 Гц, примем две виброплощадки СМЖ-181.

Укладка бетонной смеси рекомендуется производить бетоноукладчиком СМЖ-69А.

Готовые формы на виброплощадку подаются с помощью приводных рольгангов.

Расчет площадки для предварительного выдерживания свежесформованных изделий

Согласно [15] для предварительно напряженных железобетонных шпал изготавливаемых в силовых формах предварительное выдерживание должно быть не менее 1 часа, принимаем 2 часа.

Для уменьшения площади предварительной выдержки формы с изделиями целесообразно группировать в штабеля объемом на одну пропарочную камеру (в нашем примере шт.,

Продолжительность формования одного штабеля с двух постов формования можно посчитать по формуле:



При принятой продолжительности выдержки изделий (часа) и расчетной продолжительности формования одного штабеля (мин) количество штабелей можно вычислить по формуле:

Принимаем 5 штабелей. В четырех штабелях выдерживается изделие, а пятый формуется.

Для обеспечения условия ч необходимо, чтобы на посту выдержки находилось число форм не менее расчетного

Учитывая то, что загрузку камеры производят в 2-4 раза быстрее, чем формование штабеля (36 мин), можно допустить загрузку в камеру 2-4 формы с выдержкой 1,5-1,75 ч.

Поэтому принимаем количество форм, постоянно находящихся на посту выдержки 20-2=18 форм.

Общее площадь поста предварительной выдержки можно посчитать по формуле:



где - площадь одного штабеля, м² ( м²);

- коэффициент использования площади складов, учитывающий проходы между штабелями (по [15] ).

м².

Расчет числа пропарочных камер

Принимаем отдельную пропарочную камеру на 6 формовок.

Габаритные размеры десятигнездной формы:

l=14,298 м;

b=0,98 м;

h=0,305 м.

Необходимые расстояния:

- между стеной и формой - 0,1м;

- от дна камеры до нижней формы - 0,15 м;

- между верхним изделием и крышкой камеры - 0,1 м;

- по вертикали между отдельными формами за счет кронштейнов - 0,03 м.

Внутренние размеры камеры:

Длина - L=14,498 м;

Ширина - B= 1,18 м;

Высота - H= 2,23 м.

Число пропарочных камер можно определить из [20] по формуле:

где - длительность одного цикла работы ямной камеры, ч.



где - цикл ТВО, ч;

- средние потери времени, ч (=4-6 ч).

Цикл тепловлажностной обработки принимается [15, 21, 11], исходя из обеспечения следующих требований:

- температура изотермического выдерживания - 80 °С [11];

- скорость подъема температуры и охлаждения [15] - 20 °С/ч;

- скорость охлаждения [11] - 15 °С/ч

- продолжительность изотермической выдержки [11] - 2 ч.

Длительность цикла работы камеры составит

Число ямных камер

Принимаем 16 камер, по восемь камер в каждом пролете, а эти восемь камер группируем в два блока по 4 камеры.

Толщина наружных стен камеры - 0,4 м, внутренних - 0,2 м.

Длина блока составит 14,498+0,4·2+=15,3 м. Ширина 1,18·4+0,2·3+0,4·2=6,12 м.

Таким образом, площадь под камеры тепловой обработки составит для одного пролета составит

м².

А общая площадь для всех камер составит:

Расчет количества форм и площадок для их хранения, ремонта и переоснастки.

Количество рабочих форм подсчитывается из [18] по формуле:



где - длительность цикла работы формы, ч;

Длительность цикла работы формы определяется из [18] по формуле:

где - количество постов, на которых находятся формы (2 формы на постах формования, 4 формы на постах распалубки, чистки, смазки, 2 формы на постах армирования и 18 форм постоянно на посту предварительной выдержки) Всего 26 форм-постов.

Нормы проектирования предусматривают резервное количество форм на ремонт - для индивидуальных форм 5 % [15].

Площадь для складирования форм определяется по [15]. На каждые 100 т форм, находящейся в эксплуатации нормируется .

Масса одной формы для железобетонных шпал

Масса всех форм , находящихся в эксплуатации, включая и резервные составит.



.

Таким образом площадь скаладирования форм составит:

Высота складирования форм по [15] не должно превышать 2,5 м. Высота формы 0,305+0,03=0,335 м. Следовательно, в одном штабеле можно хранить 2,5:0,335?7 форм. Площадь для одной формы =14,01 м². Количество штабелей составит:

Принимаем 5 штабелей.

Площадь для ремонта рабочих форм определяется по формуле:

где - нормативная площадь для текущего ремонта форм, находящихся в эксплуатации [20]. В нашем примере м² на 100 т

Расчет площади для распалубки, чистки и смазки форм.

На посту распалубки, чистки и смазки выполняются следующие технологические операции:

- установка формы с пропаренными изделиями на пост - 0,5 мин;

- раскрытие бортов - 0,5 мин

- обрезка предварительно напряженных проволок - 4 мин;

- съем изделий с формы - 2 мин;

- чистка и смазка формы - 4 мин;

- закрытие продольных бортов формы - 0,5 мин;

- передача формы на пост армирования - 0,5 мин.

Время нахождения одной формы на посту составляет 12 минут. А ритм потока технологической линии 6 мин. Следовательно, перечисленные работы необходимо выполнять на 2 постах, так как число формовочных постов 2.

Все изделия из одной пропарочной камеры выгружаются поочередно на единую площадку распалубки. Ее площадь можно определить по формуле:

где - площадь одной раскрытой формы, м².

В нашем примере она составит:

Расчет постов армирования

Пост армирования будет располагаться на прямоугольном участке длиной 20 м и шириной 1,5 м. Площадь армирования будет равен 30м², так постов армирования 2, то общая площадь будет 60 м².

Каждый пост армирования должен быть оборудован площадкой для складирования арматурных изделий (на 4 часа работы поста).

Площадь для складирования арматурных изделий для каждого поста армирования находится по формуле:

где - часовая потребность проволоки, т;

- часовая потребность закладных деталей, т;

- число запаса арматурных изделий, ч (по [15] ч);

- норма укладки проволоки в мотках (бухтах) т/м² (по [15] т/м²);

- норма укладки закладных деталей, т/м² (по [15] т/м²).

где - часовая потребность проволоки, т;

- часовая потребность закладных деталей, т.

Расчет поста доводки и ремонта изделий

После распалубки изделия осматривают и по результатам осмотра работниками отдела технического контроля штабелируются на посту выдержки изделий, где происходит их приемка и маркировка.

Изделия, которые имеют незначительные дефекты, штабелируются на посту доводки и ремонта. После ремонта принимают поштучно.

Количество изделий, подвергаемых устранению дефектов , можно определить по формуле:

где - нормативное количество изделий, подвергаемых устранению дефектов, % (по [15] ).

Принимаем 4 изделия в смену

Площадка для поста доводки и ремонта должна включать: накопительный штабель изделий, стенд для доводки и ремонта и площадь под оборудование (растворосмеситель) и контейнеры для материалов(цемент, песок, добавки и т.п.), необходимые для приготовления шпаклевок и растворных смесей. Приготовление рабочих смесей производится в зоне, не обслуживаемой краном (по осям колонн). Поэтому в площадь ее не включают.

Таким образом, площадь поста доводки и ремонта будет складываться из площади накопительного штабеля (14,01 м²) и площади стенда для ремонта (3,24 м²) с учетом коэффициента проходов .



.

3.6.8 Расчет площади для выдерживания изделий в цехе в холодный период года

При температуре наружного воздуха ниже 0 °С изделия после снятия с поста распалубки до вывоза их в склад готовой продукции необходимо выдержать в теплом помещении при температуре не ниже +10 °С. СНиП 3.09.01-85 [19] ограничивает минимальную продолжительность выдержки 6 ч. ОНТП-07-85 [15] рекомендует выдерживать изделия в течении 12 ч, но допускает сокращение выдерживания до 8 и 6 ч. Оптимальное выдерживание 8 ч (одна рабочая смена).

Площадь для выдерживания изделий в цехе можно определить по формуле:

где - продолжительность выдерживания изделий в цехе в холодный период года, ч.

;

- объем (в бетоне) изделий, приходящихся на 1 м² площади в период выдержки в цехе согласно [9] для железобетонных шпал ;

- объем бетона для пакета шпал (4?8 шт.) в нашем случае будет равен 3,46 м².

Расчет отделения приготовления смазки

На заводах ЖБИ смазывают: рабочие формы после каждого цикла, бетоносмесители, самоходные бункера и бетоноукладчики каждые 4-8 ч эксплуатации. Через 20-40 оборотов формы рабочие поверхности их подвергаются капитальной чистке [22].

Для изделий, формуемых в горизонтальном положении из умеренно жестких и малоподвижных смесей хорошо зарекомендовала себя восковая эмульсионная смазка ОПЛ-С на основе восковых компонентов. Эта смазка не требует подогрева при нанесении. При расходе смазок 25-50 г/м² обеспечивается получение высококачественных поверхностей изделий.

Рабочая поверхность одной формы составляет:

.

В течение одного часа работы технологической линии необходимо смазать 10 форм или 80 формы за смену, 16 формы за сутки.

При расходе смазки = 50 г/м² (0,05 кг/м²) потребность в ней определяется по формуле:

где - часовая потребность в формах, шт;

- рабочее время, ч.

Следовательно, накопительный бак для готовой смазки(0,3 м³) обеспечит потребность в ней в течении суток. Для его заполнения будет достаточно произвести 2-3 цикла смешивания в течение 1,5-2 ч. Учитывая габаритные размеры установки (275х1180х2000 мм) для ее размещения вполне будет достаточно огороженной закрытой площадки размером 3?6 м. На ней же будет размещен промежуточный склад восковых компонентов.

Расчет склада готовой продукции

Склад как правило выполняется в виде крановых эстакад пролетом 18 или 24 м, примыкающих к торцу главного корпуса.

Расчет склада готовой продукции производят по формуле:

где - количество изделий поступающих в суки, м³;

- запас готовых изделий на складе, сут (по [15] =10);

- коэффициент, учитывающий проезды тележек, авто- и железнодорожного транспорта (по [15] =1,3);

- нормативный объем изделий, хранящихся на 1 м² склада, м³ (по [15] =1).

где - количество выпускаемых изделий в сутки, шт;

- объем одного изделия, м³.

Обычно со складом готовой продукции совмещают склад арматуры. Расчет площади склада арматуры производят по формуле:

где - суточное потребление стальной проволоки, т;

- суточное потребление закладных деталей, т;

- запас арматурной стали на складе, сут (по [15] =10);

- масса бунтовой арматуры, размещаемая на 1 м² склада (по [15] =1,2);

- масса закладных деталей, размещаемая на 1 м² склада (по [15] =2,1);

- коэффициент использования площади арматурного склада, равный 3.

Таким образом, суммарная площадь склада составит:

.

Принимаем 2 пролета по 18 м длиной 96 м

3.6.11 Расчет склада цемента

Вместимость склада цемента В_ц определяют по формуле:

где Q_г - годовая производительность предприятия, м³;

Ц - усредненный расход цемента, т/ м³;

Т_ц - запас цемента на складе при поступлении, расчетные рабочие сутки [15];

1,02 - коэффициент, учитывающий потери при разгрузке и транспортных операциях [19];

0,9 - коэффициент заполнения силоса [19];

Т_ф - номинальное количество рабочих суток в году по выгрузке цемента с железнодорожного транспорта. По [15] Т_ф = 365.

По результатам расчета необходимой вместимости склада принимаем типовой проект 409-29-64, вместимость 480 т: 4 силоса по 120 т.

Площадь склада цемента будет равна 168 м².

Расчет склада заполнителей

Вместимость склада заполнителей В_з определяют по формуле:

где Q_г - годовая производительность предприятия, м³;

К_р и П - усредненный расход крупного и мелкого заполнителя на 1 м³ бетона, м³ [15];

Т_з - запас заполнителей на складе при поступлении, расчетные рабочие сутки [15];

1,02 - коэффициент, учитывающий потери при разгрузке и транспортных операциях [19];

1,2 - коэффициент разрыхления;

Т_ф - номинальное количество рабочих суток в году по выгрузке заполнителей с железнодорожного транспорта. По [15] Т_ф = 365.

По результатам расчета необходимой вместимости склада принимаем типовой проект 708-13-84, вместимостью 3000 м³: 14 силосов, объемом 215 м³.

Площадь склада заполнителей будет равна 420 м².

Расчет склада добавок

Жидкая добавка поступают на склад в железнодорожных цистернах в виде раствора 40 %-ной концентрации, разгружается самотеком в стационарный резервуар, установленный вплотную к ветке железной дороги. В зимнее время предусмотрен подогрев железнодорожной цистерны глухим паром при помощи переносного пароперегревателя, опускаемого внутрь цистерны.

Из сливного резервуара жидкая добавка подается насосом в резервуар для хранения. Возможно использование двух или четырех подобных резервуаров. Добавка по мере необходимости подается насосом в приготовительный бак, где достигается требуемая рабочая концентрация раствора. Приготовительный бак оборудован лопастной мешалкой, указателями уровня и концентратором, который автоматически контролирует концентрацию раствора. Приготовленная добавка закачивается насосом в бак находящийся в БСУ, оборудованного указателями верхнего и нижнего уровня.

Вместимость склада для хранения жидкой добавки вычисляется по формуле:

где Q_г - годовая производительность завода, м³;

К_п - коэффициент, учитывающий возможный выпуск некондиционных изделий (К_п = 0,007);

Ц - расход цемента, т/м³ [15];

Д - расход добавки, % от массы цемента;

Т_д - Запас добавки, сут [15];

Т_ф - номинальное количество рабочих суток в году по выгрузке материала с автотранспорта Т_ф = 253 сут [15];

- концентрация добавки (40% сухого вещества в водном растворе);

- плотность добавки, т/м³;

Для хранения добавки будет необходима емкость объемом не менее 40 м³.

Площадь склада добавок будет равна 48 м².

Площадь склада БСУ

Для производительности 30 м³/час соответствует БСУ с индексом 409-28-41.86, оборудованную двумя бетоносмесителями принудительного действия СБ-146.

Площадь типового БСУ равен 54 м².

Необходимые площади для транспортирования

Для доставления бетонных смесей в формовочные цеха применяют самоходные бункера СМЖ -2В, емкостью 2,4 м³, перемещающиеся со скоростью 40 (60) м/мин, по бетоновозной эстакаде, шириной колеи 1,72 м. Учитывая то, что производство шпал осуществляется на двух формовочных постах, ширина эстакады должна быть не менее 5 м на всю ширину формовочного пролета.

Арматурная проволока и закладные детали доставляются из арматурного цеха самоходными тележками с шириной колеи 1524 мм до середины пролета.

Готовая восковая эмульсионная смазка доставляется из отделения ее приготовления подается к посту по изолированному трубопроводу, уложенному вдоль колонн и не требующему дополнительной производственной площади.

Таблица 14. Ведомость оборудования

Наименование, тип	Количество	Масса, кг	Мощность электродвигателя, кВт
		единицы	общая
Виброплощадка, СМЖ 181	4	10500	42000	88
Бетоноукладчик, СМЖ-69А	2	3700	7400	14,4
Кантователь СМЖ-3333А	2	9960	19920	90
Автоматический захват 1МВ21-5,5	1	930	930	15
Самоходный бункер СМЖ-2В	2	2000	4000	8
Тележка для вывоза готовой продукции СМЖ-216	1	4850	4850	3,2
Укладчик струнопакетов	1	5000	5000	6,5
Транспортер вытяжной	2	5650	11300	4,6
Пресс гидравлический испытательный	1	2700	2700	18
Захват автоматический для форм	2	2100	4200	6
Устройство натяжное	1	2400	2400	8,3
Пила для резки струнопакетов	1	630	630	1,3
105330	263,3

Таблица 15. Ведомость площадей технологических постов

Технологический передел	Наименование поста	Площадь поста, м2
Формовочный цех	Пост формования	256
	Пост предварительного выдерживания	105,08
	Пост для предварительного выдерживания в холодный период года	230,4
	Пост тепловой обработки	386,72
	Пост хранения и ремонта форм	145,1
	Пост распалубки, чистки и смазки	231,3
	Пост доводки и ремонта изделий	25,88
	Пост армирования + площадь для складирования арматурных изделий	73,98
Арматурный цех		279,4
Склад готовой продукции		3083
Отделение приготовления смазки		18
Склад цемента		168
Склад заполнителей		420
БСУ		54

Расчет потребности в электроэнергии, сжатом воздухе, паре и воде

Расчет расхода силовой электроэнергии производят по формуле:

где - годовой расход силовой электроэнергии, кВт ч;

- суммарная установочная мощность токоприемников, кВт;

- количество часов работы в сутки;

- расчетное количество рабочих суток в году;

0,3 - среднее значение коэффициента спроса.

Расчет годовой потребности пара определяется по формуле:

(31)

где - годовой расход пара;

- удельный расход пара кг/м³;

- годовая производительность с учетом брака.

Расчет годовой потребности сжатого воздуха

Где - удельный расход сжатого воздуха, м³/т;

- годовой расход цемента, т.



4. Контроль качества

4.1 Маркировка

Маркировка шпал должна соответствовать требованиям ГОСТ 13015[5] и ГОСТ 10629-88[4].

На верхней поверхности шпал штампованием при формовании наносят: товарный знак или краткое наименование предприятия изготовителя на каждой шпале; год изготовления (две последние цифры) -- не менее чем у 20% шпал каждой партии. В концевой части каждой шпалы краской наносят: штамп ОТК; номер партии. Маркировочные надписи следует выполнять шрифтом высотой не менее 50 мм. На обоих концах шпалы второго сорта наносят краской поперечную полосу шириной 15--20 мм. /8/

4.2 Методы контроля

Контроль за автоматизированным выполнением операций формования по приведённой программе осуществляет оператор поста формования, также осуществляет визуальный и технический контроль за работоспособностью оборудования. Осмотр и проверка технических узлов установки осуществляется в начале и конце смены при приёме и сдаче поста формования с участием инженера-техника по механическому оборудованию и КИП. Рабочие поста формования осуществляют дополнительный визуальный контроль за расположением пустотообразователей и разделительных пластин при поступлении термоформы на пост формования. После завершения формовки, производят выемку пустообразователей и разделительных пластин, осуществляют визуальный контроль за качеством формовки, после чего устанавливают крышку на термоформу. В случае возникновения дефектов на отформованной поверхности вызывается инженер ОТК для принятия решения о дальнейших действиях.

Прочность бетона на сжатие определяют на серии образцов, изготовленных из бетонной смеси рабочего состава, хранившихся в нормальных условиях. Общую силу натяжения арматуры конт...