Влияние сужения рельсовой колеи

В настоящее время на железных дорогах России продолжаются поиски более совершенных методов борьбы за снижение интенсивности износа рельсов и колесных пар подвижного состава. Проблема, как известно, давно вышла за рамки локальных производственных бед и превратилась в одну из основных общесетевых, в значительной мере влияющих на рост расходов предприятий и дорог в целом.

Некоторые научные работники пытаются убедить, в том, что причинами резкого повышения износа более полутора десятка лет назад стали многочисленные факторы изменения конструкции локомотивов, вагонов и пути. Теперь совершенно ясно, что основной причиной этого явилось непродуманное и неправильное решение МГТС о сужении колеи с 1524 до 1520 мм без изменения допусков, размеров и профиля рабочей части колесных пар (расстояние между внутренними гранями бандажей, естественно, осталось тем же). Это решение, было принято " в целях уменьшения виляния колесной пары, а, следовательно, и уменьшения боковых сил воздействия колес на рельсы, особенно при высоких скоростях, и связанного с этим износа рельсов, ходовых частей подвижного состава, создания устойчивого пути в плане и спокойного хода подвижного состава".

Но на практике оказалось все совершенно не так! Новое взаимодействие колеса и рельса (или рельса и колеса), обнаружилось, тогда когда серьезно стали заниматься наблюдениями за колесными парами, делать контрольные замеры, проверки выполнения технологий осмотра и ремонта, брать на себя ответственность за выпуск электропоездов на линию, когда у ремонтников возникали спорные вопросы по замерам или браковочным параметрам.

В периоде с (1982—1987 гг.) стали замечать, что не только возросла интенсивность износа колесных пар (и рельсов тоже), но и изменился сам характер износа, особенно гребней бандажей моторных и цельнокатаных ко лесных пар прицепных вагонов, по сравнению с тем, что был ранее. Причину этих явлений поняли несколько позже именно по изменившемуся характеру износа. На рис. 14., изображено положение колесной пары локомотива или вагона и рельса, а также характер износа, который мы наблюдали при ширине колеи 1524 мм. Вначале прокат рос по кругу катания, затем более медленно начинал расти износ гребня. Обточку колесных пар, в основном, вели по предельным размерам проката или по обнаруженным случайным браковочным признакам. Характер износа КП совершенно изменился после постепенной перешивки колеи. Быстрее рос износ самого гребня — уже на первых технических обслуживаниях (ТО-3) после эксплуатации новых или обточенных КП было видно, что износ гребня растет в геометрической прогрессии. Но прокат стал расти медленнее. Причем, износ гребня наблюдался как бы по касательной плоскости к внутренней (рабочей) поверхности гребня. При достижении предельного размера толщины гребня (25 мм) теперь приходилось на станках для обточки снимать больший по толщине слой металла. Ресурс КП резко сократился.

Рис. 14. Положение колесной пары и характер износа при разной ширине колеи

Причина этому — сужение рельсовой колеи!

Гребень КП как бы " завис" на головке рельса, особенно там, где колея сузилась еще больше по старым допускам, и особенно при движении в кривых. Мало того, появилась и другая проблема. В положении " зависшего" гребня на головке рельса и взаимного давления металла гребень с внутренней стороны стал вытягиваться тоже по касательной плоскости к вершине гребня, образуя " пленочный наклеп" и остроту в сторону вершины (рис. 15.).

Рис. 15. Стадийность появления пленообразного наклёпа (в зависимости от износа гребня)

Это явление теперь называют остроконечным накатом, хотя определение остроконечного наката в действовавшей тогда Инструкции № ЦТ/2306 было только визуальным, но совершенно иным. Машинисты и ремонтники, работавшие с паровозами, называли его " вторым гребнем" (рис. 16.).

Рис. 16. Форма подрезанного гребня с остроконечным накатом по инструкциям до сужения рельсовой колеи

Так называемый " остроконечный накат" узаконили в своём новом обличии как браковочный признак.

Серьезная борьба в сетевом значении с интенсивным ростом износа колесных пар и рельсов началась в 1994 г. с известного указания министра путей сообщения (тогда Г.М. Фадеева) №151/Ц от 25.11.1994 г. Указанием предусматривалось: считать главным направлением работы по снижению интенсивности износа гребней колесных пар и бокового износа рельсов широкомасштабное внедрение технических средств и технологии лубрикации боковой поверхности головки с использованием передвижных рельсосмазывателей, а также прикрытием горловин станций стационарными путевыми лубрикаторами, при одновременном приведении пути и подвижного состава в состояние, отвечающее действующим нормативным документам.

На железной дороге борьба с последствиями сужения рельсовой колеи обошлась миллиардными затратами.

Изучению механизма износа, анализу видов повреждения колес и рельсов, а также разработке способов повышения их долговечности посвящено много исследований отечественных и зарубежных ученых и специалистов. Так, еще до революции 1917 г. было обращено внимание на износ таких деталей, как бандажи колесных пар локомотивов. С этой целью в 1881 г. комиссия Русского технического общества под руководством инженера В.М. Верховского исследовала износ бандажей и рельсов. В результате она высказалась за внедрение материалов средней твердости, приближающейся, однако, к твердости стали.

В то же время опыты с бандажами проводились Дэдлеем (США), Грюнером (Франция) и Вильямсом (Англия), которые высказались за применение более мягкой стали, в противовес выводам комиссии В.М. Верховского. Однако последующая практика эксплуатации железных дорог подтвердила правильность выводов комиссии российских инженеров.

Комиссия В.М. Верховского пришла к заключению, что " нет основания опасаться твердых рельсов и бандажей" и что, напротив, " необходимо придать им большую степень твердости, но, не делая их хрупкими, так как между жесткостью и хрупкостью есть разница и, если мы опасаемся хрупких бандажей и рельсов, то это не обязывает нас опасаться их твердости: они могут быть тверды и в то же время могут служить, не причиняя опасности, продолжительное время".

Общепризнанным считается мнение, высказанное участниками международного симпозиума в 1936 г.: с увеличением твердости износостойкость повышается. При этом допускаемая наибольшая твердость колес ограничивается главным образом их стойкостью против поломок. Следовательно, при достаточной поверхностной твердости бандажей сердцевины их должны обладать необходимой вязкостью.

Из сказанного следует вывод — восстановленные профили бандажей колесных пар должны упрочняться по поверхности катания. Однако здесь необходимо отметить мнение некоторых специалистов, которые опасаются, что закаленные бандажи могут вызвать повышенный износ рельсов и снизить величину коэффициента сцепления. Опасения вызывает возможность появления трещин на закаленных колесах в процессе эксплуатации.

Анализ ряда работ, проведенных в Российской Федерации и за рубежом, показывает, что такие опасения необоснованны. При работе твердого бандажа по твердому рельсу их взаимное истирание уменьшается; пара " мягкое колесо — твердый рельс" работает хуже.

Исследованию твердости всегда уделялось большое внимание, так как эта характеристика позволяет косвенно судить о некоторых физико-механических свойствах материала. Характер изменения твердости тесно связан с износостойкостью. Длительное время считалось, что изнашивание поверхностей трения является результатом микрорезания твердыми частицами. Поэтому, естественно, повышение износостойкости связывали с повышением твердости деталей.

Однако эксплуатация машин и механизмов свидетельствует, что максимальная твердость деталей не всегда соответствует высокой износостойкости, поскольку та является интегральной характеристикой сложного взаимодействия различных факторов, влияющих на внутреннее напряжение материала, и в значительной мере обусловлена внешними условиями трения. На основных направлениях дорог Российской Федерации в пути лежат рельсы Р75, Р65 и Р50, а на малодеятельных линиях продолжают лежать рельсы Р43, 1-а, Р38 протяженности сети.

Какой же тип рельсов лучше? Решению этого вопроса посвящено большое число статей. Прежде всего, необходимо отметить, что рельсы должны быть достаточно прочными, долговечными (сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью и вязкостью). Качество рельсовой стали определяется химическим составом, микро и макро структурой.

С увеличением содержания в стали углерода повышается ее твердость. Марганец повышает твердость, износостойкость и вязкость рельсовой стали, а кремний — твердость и износостойкость. Доля углерода в рельсовой стали у рельсов Р50 и Р65 (Р75) увеличена с 0, 69—0, 8 до 0, 71—0, 82% при марке стали М74 и М76 соответственно.

Кроме того, сейчас применяют объемную закалку рельсов. Закаленная сталь рельсов имеет тетрагональную решетку, т.е. структуру мартенсита, для которой характерны локальные перенапряжения в металле. Атомы кристаллической решетки отодвинуты друг от друга более чем на обычное расстояние. Внешняя сила затрудняет их восстановление и способствует накоплению разорванных связей.

Объемнозакаленные рельсы повышенной погонной массы были введены в эксплуатацию для снижения контактно-усталостных повреждений. Однако это не привело к должным результатам, скорее наоборот.

Так для рельсов Р50 доля контактно-усталостных повреждений составляет 40%, а для Р65 - уже 50% Р-70%. Кроме того, площадка контакта бандажа с рельсом сместилась в зону рабочей выкружки рельсов, при этом образуется накопленный слой толщиной 5-10 мм.

Этому способствует введенный в ГОСТ 8161-85 новый профиль головки рельсов с увеличенным до 15 мм радиусом выкружки, что вызывает принудительный двухточечный контакт колеса и рельса в стадии его приработки. В результате практически все колеса подвижного состава стали взаимодействовать с рельсами по схеме двухточечного контакта, что является обязательным условием износа гребней и бокового износа рельсов.

Что, объемнозакаленные рельсы Р65 и Р75 хуже? Однозначно на этот вопрос ответить нельзя. Дело в том, что твердость поверхностей трения бандажа и рельса к концу приработки стабилизируется независимо от их начального состояния. За это время происходит передеформирование поверхности и изменение ее физико-механических свойств.

Процесс установившегося изнашивания заключается в непрерывном деформировании, разрушении и воссоздании на отдельных участках поверхностного слоя со стабильными свойствами. Износ бандажа и рельса существенно изменяет свойства сопряжения.

В процессе эксплуатации рабочий слой металла поверхности катания колес претерпевает существенные изменения. У всех колес он в значительной степени наклепан. Если твердость поверхности катания нового бандажа составляет 248—285 единиц по Бринеллю (НВ), то наклепанного достигает 600 единиц НВ. При этом происходит изменение твердости вдоль профиля поверхности катания и вглубь колеса от максимального значения до твердости исходного материала.

Важным фактором упрочнения (наклепа) является раздробление зерна на фрагменты, значительно раз ориентированные друг от друга. Вместе с тем, существует предел пластической деформации, когда исчерпывается возможность упрочнения (наклепа) и наступает разупрочнение (пере наклеп), связанное с разрушением металла колеса.

С увеличением степени пластической деформации изменяются его физические и механические свойства. Все механические характеристики, определяющие пластичность, с увеличением степени деформации понижаются, а характеристики, определяющие сопротивление деформированию (предел упругости, прочности, текучести и твердость), повышаются. Наклеп приводит к упрочнению металла, если степень деформации не превзошла так называемый порог упрочнения, при котором наступает разупрочнение металла, появление трещин, отслаивание металла. Перенаклеп — явление необратимое, никакая термическая обработка не позволяет ликвидировать образовавшиеся в наклепанном металле дефекты.

Для того чтобы бандажи колесных пар локомотивов не подвергались разрушению под воздействием ударно-переменной нагрузки, их материал должен быть достаточно вязким. Но так как передача давления от колес на рельсы происходит по небольшим площадкам, необходимо чтобы металл (особенно верхних слоев поверхности катания рельсов и гребня) обладал достаточным сопротивлением смятию, износу, контактно-усталостным повреждениям, т.е. был бы достаточно твердым, но не хрупким. Твердость бандажа не должна вызывать затруднений при периодических обточках для восстановления заданного профиля.

Какое же должно быть соотношение твердостей бандажа колесной пары локомотива и рельса? Ежегодно из пути преждевременно изымается около 100 тыс. рельсов из-за дефектов контактно-усталостного происхождения. Годовые потери на их замену составляют десятки миллионов рублей, а преждевременный износ колесных пар приводит к нерентабельному расходованию государственных средств.

Сейчас отечественной промышленностью выпускаются бандажи колесных пар семи марок. Твердость бандажа марки 1 оставляет 248 НВ; марки 2—269 НВ; бандажа с повышенной твердостью из стали с ванадием (марки 3) по поверхности катания — 275 НВ, а твердость гребня — 285 НВ; марки 4 с использованием стали с ванадием 0, 02 — 0, 15%, марки 5 — с содержанием бора 0, 001—0, 005%, марки 6 — с содержанием ниобия 0, 01 — 0, 07%, марки 7 — с обработкой стали синтетическими шлаками, составляет 277 НВ. Для укладки на магистральных путях выпускаются рельсы Р65 и Р75 с твердостью 360—380 НВ.

Необходимо отметить, что на дорогах Англии, Германии, Франции и многих других стран применяют рельсы более легких типов, с меньшим содержанием углерода, а значит, и меньшей твердостью. Кроме того, Нижнетагильский металлургический комбинат (НТМК) выпускает на экспорт бандажи твердостью 380—426 НВ.

Считается, что чем тверже бандаж, тем меньше истирание его и рельса, но во всех случаях истирание рельса больше, чем истирание бандажа. Лучшие результаты получаются при твердых бандажах и рельсах. Комбинация мягкого бандажа с твердым рельсом значительно хуже, о чем свидетельствуют исследования инженера К.И. Домбровского в 1926 г. Он утверждал, что минимальный износ бандажей и рельсов достигается при соотношении твердости бандажа и рельса в пределах 1—1, 05.

При одинаковой твердости бандажа и рельса трущиеся металлы имеют практически одинаковые кристаллические решетки, оторванные от структуры изнашиваемого металла, атомы будут чаще взаимодействовать с атомами изнашиваемого металла.

Однако при трении между одинаковыми металлами образующиеся вследствие пластических деформаций их соединения значительно упрочняются, и срез происходит в толщине металлов. Как правило, он сопровождается большим повреждением контактирующих поверхностей.

Исследования специалистов позволили сделать вывод о том, что в связи с переходом на новый тип рельсов (с Р50 на Р65) износ рельсов и бандажей колесных пар электровозов увеличился более чем в 2 раза. При этом лимитирует боковой износ рельсов. Если раньше (рельсы Р50) у бандажей колесных пар электровозов лимитировал прокат (ресурс 23 мес.), то теперь (рельсы Р65) срок службы ограничен износом гребней (ресурс 8, 7 мес.). Это привело к уменьшению ресурса бандажей колесных пар и рельсов более чем в 2 раза.

Справедливость данных результатов подтверждается теоретически, практически и экспериментально. Об этом же свидетельствует и практика железных дорог многих стран, где твердость колес значительно выше, чем у нас, а также опыт Октябрьской дороги, на которой проведены испытания бандажей марки 3 в депо Мурманск на тепловозе серии 2М62.

Исследования показали, что бандаж марки 3 в условиях интенсивного износа гребней работает на 30% дольше, чем бандаж марки 2. Опыт депо Суоярви свидетельствует, что бандажи марки 3 без гребнесмазывателей по интенсивности износа работают наравне с бандажами марки 2, оборудованными АГС.

Повышение прочности бандажей приводит к весьма существенному увеличению их долговечности. Установлено, что повышение временного сопротивления металла колеса только на 1 кгс/мм увеличивает срок его службы на 3%.

Таким образом, серьезным заблуждением была попытка уменьшить износ рельсов за счет укладки в путь более мощных рельсов с повышенной твердостью. Проблему износа колеса и рельса необходимо решать комплексно применительно к конкретным условиям эксплуатации и ремонта, как подвижного состава, так и пути.

Следует пересмотреть технические условия №381—81 на бандажную сталь и увеличить твердость бандажа. Сейчас в депо надо использовать воздушно-плазменное упрочнение поверхности колесных пар локомотивов без их выкатки для упрочнения до твердости объемно-закаленных рельсов. Это, несомненно, существенно уменьшит боковой износ рельсов и износ гребней колесных пар локомотивов.

Выводы

Для своевременного изъятия из эксплуатации колес с дефектами, оказывающими отрицательное воздействие не только на колесо, но и на ось, подшипники, литые детали тележки и на путь, ВНИИЖТом был разработан и предложен к внедрению ряд диагностирующих устройств, регистрирующих ударные нагрузки, вызываемые дефектами колес.

Внедрив к 2013 г. детекторы дефектных колес (35 ед.), железные дороги России смогут своевременно изымать из эксплуатации дефектные колеса, что существенно повысит безопасность движения и снизит эксплуатационные расходы на содержание вагонов и пути.

Для повышения эксплуатационной надежности цельнокатаных колес в 80-е годы ВНИИЖТ совместно с предприятиями Министерства черной металлургии разработали и ввели в практику систему контроля остаточных внутренних напряжений в диске, а также контроля поднутрения развала ободьев, т.е. тех отклонений от плоскости ободьев, которые характеризуют наличие остаточных внутренних напряжений, и ультразвуковой контроль ободьев. введен контроль остаточных внутренних напряжений, и ультразвуковой контроль ободьев. Была также увеличена толщина диска с 17+3 мм по ГОСТ 9036-76 до 19+3 мм по ГОСТ 9036-88.

Кроме того, из эксплуатации были изъяты колеса цельнокатаные облегченные с толщиной диска 15±2 мм, выпускаемые по ГОСТ 10830-64, а также колеса с водильными отверстиями.

Одновременно, с целью повышения усталостной выносливости колес институтом были разработаны методы упрочнения дисков механической накаткой роликами и с помощью дробеструйного наклепа.

Испытания показали, что применение дробеструйного наклепа в несколько раз повышает усталостную выносливость диска, практически полностью исключающую случаи возникновения усталостных трещин в приободной зоне. Однако широко внедрить этот метод на металлургических заводах до настоящего времени не удалось.

Институтом была разработана и испытана конструкция колеса с прямым диском, без технологических перегибов вблизи обода и ступицы. Конструкция на испытаниях показала положительные результаты, тем не менее внедрить ее не удалось, так как для этого необходима перестройка производства.

На российских железных дорогах уложены рельсы, твердость которых на поверхности головки 360 НВ, в то время как твердость колес на поверхности катания, примерно 270 НВ, многие десятилетия остается неизмененной.

В то же время стендовые контактно-усталостные, износовые и пробеговые эксплуатационные испытания показали, что оптимальное соотношение твердостей рельс и колес (по поверхностям катания) должно составлять 1: 1.

Проведенное повышение твердости обода положительно сказалось на износе гребней колес, который уменьшился в 2 раза, и головок рельсов.

При этом контактно-усталостная повреждаемость колес по выщербинам на поверхности катания также уменьшается в 2 раза.

Министерством путей сообщения Российской Федерации разработана и с 2010 г. реализуется Программа по повышению надежности и увеличению ресурса цельнокатаных колес (табл. 3). Она включает в себя новую технологию литья металла для колес, их термообработку и организацию производства новой конструкции колеса.

Кроме того, были разработаны и внедрены ресурсосберегающие технологии, продлевающие срок службы колес на 20-30 %. К ним относятся: наплавка изношенных гребней колес износостойкими материалами - по 120 тыс. шт. колесных пар в год; обточка колес по ремонтному профилю на толщину гребня 27 и 30 мм - до 760 тыс. колесных пар в год.

В основу конструкции ремонтного профиля колеса по кругу катания положены полученные автором статьи результаты многолетних обмеров изношенных колес вагонов эксплуатационного парка, в результате чего был разработан профиль так называемого одноточечного контакта, нашедший широкое внедрение во всех странах мира.

Действующая в России система ремонта и технического содержания колесных пар позволяет своевременно с помощью магнитно-порошкового и ультразвукового контроля изымать из эксплуатации оси колесных пар, имеющие начальные усталостные трещины в подступичной части, в шейке и в средней части оси, не допуская их излома. Таким образом, оси колесных пар отбраковываются не по назначенному сроку службы, а по техническому состоянию.

Тем не менее ежегодно в эксплуатации имеют место редкие случаи внезапного усталостного излома осей колесных пар, которые, хотя и не носят массовый характер, представляют реальную угрозу безопасности движения (см. табл. 1).Регулярно проводимые исследования показали, что внезапные усталостные изломы осей происходят по следующим причинам:

- наличие в оси дефектов металлургического происхождения, которые не были обнаружены в процессе изготовления и текущего ремонта оси;

- перегруз оси нагрузками, превышающими нормируемые значения при загрузке вагона;

- недостаточное упрочнение накаткой роликами места перехода шейки оси от разгружающей канавки к предподступичной части. Дефект может быть устранен повторной накаткой с помощью поворачивающегося ролика.

Для улучшения сложившейся ситуации большое значение имеет внедрение ресурсосберегающих технологий. Так, наплавка гребней колес (к настоящему времени наплавлено около 700 тыс. колесных пар), обточка по ремонтному профилю позволили с 1988 г. переломить негативную тенденцию.

Однако кардинально изменить положение дел в лучшую сторону позволит только получение от промышленности цельнокатаных колес, удовлетворяющих существующим и перспективным условиям эксплуатации и необходимых, в первую очередь для вагонов нового поколения с нагрузкой на ось 25 т. Не менее важно осуществлять постоянный и пристальный контроль за содержанием колесных пар в эксплуатации, от надежной работы которых во многом зависит безопасность движения.