[03-2000] Оценка качества и совершенствование элементов верхнего строения
 

Оценка качества и совершенствование элементов верхнего строения

В.М. Ермаков, В.М. Федин, А.И. Борц

При разработке новых и совершенствовании существующих элементов верхнего строения пути важно оценивать их качество, в том числе в лабораторных условиях. Оценка перспективности эксплуатации металлопродукции во время лабораторных исследований включает изучение химического состава стали, макро- и микроструктуры, распределения твердости, механических свойств и ударной вязкости, износостойкости, статической прочности и циклической долговечности, в частности под воздействием различных коррозионных сред. Указанные исследования, выполняемые ВНИИЖТом, дают возможность сделать объективный вывод о качестве изделия с наименьшими затратами времени и материальных ресурсов и принять решение о полигонных и эксплуатационных испытаниях.

Упругие клеммы скрепления

От конструкции и эксплуатационных характеристик промежуточных скреплений, в первую очередь для бесстыкового пути с железобетонными шпалами, в немалой степени зависят расходы на техническое обслуживание пути, его долговечность, такие показатели, как сила прижатия подошвы рельса, вертикальная и поперечная жесткость и т.д. Применяющееся почти повсеместно скрепление типа КБ имеет ряд недостатков, главный из которых — низкая упругость двухвитковьтх пружинных шайб. Проблема решается по двум основным направлениям — совершенствованием скрепления КБ и созданием новых конструкций.

Первое направление заключается в замене жесткой клеммы с двухвитковой шайбой на упругую клемму. Следует отметить, что это решение промежуточное (остается закладной болт с такой же двухвитковой шайбой), но актуальное. Его рациональная сфера использования — стрелочные переводы, кривые малых радиусов, участки с высокими средними осевыми нагрузками. Кроме того, еще долгое время будет широко повторно укладываться старогодная рельсошпальная решетка с железобетонными шпалами, рассчитанными под скрепление КБ.

Взамен жесткой клеммы подготовлены два варианта упругой — прутковая клемма ОП-Ю5 и пластинчатая типа КДП (по ней исследования пока не завершены).

Для определения физико-механических свойств прутковой пружинной клеммы ОП-Ю5 отобрали ее образцы, изготовленные ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» (МКЗ), ОАО «Брянский машиностроительный завод» (БМЗ), Государственного подшипникового завода № 11 (г. Минск) и клеммы Ski-12-32 фирмы Vossloh. Проанализировали химический состав стали, микроструктуру, в том числе поверхностного слоя, распределение твердости по сечению, статическую прочность и циклическую долговечность. Установили, что отечественные клеммы по своим параметрам приблизились к клеммам Vossloh. Однако несовершенная геометрия наших изделий (рис. 1) приводит к тому, что они недостаточно полно отвечают условиям эксплуатационной нагружен-ности. Это вызывает большие пластические деформации (просадки) клемм ОП-Ю5 при меньших статических нагрузках по сравнению с клеммами Ski-12-32. На рис. 2 показаны силовые характеристики клемм.


В новом отраслевом стандарте коренным образом изменены размеры изделий. Их изготавливают из калиброванного или шлифованного прутка (сталь 40С2). В ОСТ заложены требования периодических (ежеквартальных) усталостных испытаний на циклическую нагрузку на базе 2 млн. циклов, что позволит более объективно оценить основные служебные характеристики клемм ОП-Ю5 в процессе их производства.

Второе направление — создание новых конструкций скреплений для железобетонных шпал — в свою очередь имеет несколько технических решений. Это — скрепления ЖБР-65 (разработка ВНИИЖТа и ПТКБ ЦП), ВНИИЖТ-1, БПУ (ВНИИЖТ совместно с Горьковской дорогой), АРС (МИИТ) и несколько вариантов скреплений, предложенных СГАПС (НИИЖТ).

Вот некоторые результаты исследований скреплений ВНИИЖТ-1 и ЖБР-65.

Скрепление ВНИИЖТ-1 — бесподкладочное, шурупо-дюбельное. Основной элемент — упругая клемма, близкая по конфигурации к клемме Ski-14 фирмы Vossloh (рис. 3). При лабораторной оценке клемм ОАО «Ижсталь» выявили значительный обезуглероженный слой (0,22 мм) с окислением по границе ферритных зерен, что недопустимо в целях предотвращения развития поверхностных трещин с последующим разрушением при циклическом нагружении. Подтверждение тому — массовый выход клемм при стендовых усталостных и полигонных испытаниях.

Скрепление ЖБР-65 в настоящее время наиболее отработано, и в текущем году намечено его массовое внедрение — 120—150 км пути на ряде дорог европейской части России. Оно было создано в несколько этапов, свидетельствующих о тех же технических проблемах, связанных с конфигурацией и технологией изготовления клеммы. Так, во время полигонных испытаний скрепления ЖБР-3 (предшественника ЖБР-65) с начала 90-х годов установили, что в процессе эксплуатации клемма релаксирует (теряет упругость), снижается усилие прижатия подошвы рельса.

Первый опыт изготовления клемм ЖБР-65 в 1998—1999 гг. также оказался отрицательным. К первым усталостным испытаниям клемм ЗАО «Инструмент» не выполнило требование к их твердости. То есть фактически изготовили образцы-модели, по форме напоминающие клеммы, но без «внутреннего содержания» (соответствующих прочностных свойств и твердости). Упущение быстро исправили, и следующая партия имела нормальную твердость. Однако микроструктура поверхностного слоя клемм характеризовалась обезуглероженностью на значительную глубину и окислением по границам фер-ритных зерен, что неприемлемо, так как именно от структуры этого слоя зависит циклическая долговечность.

ВНИИЖТ предложил новую технологию, предусматривающую производство упругих клемм ЖБР-65 из стали 58 (55/1/7) пониженной прокали-ваемости с последующей объемно-поверхностной закалкой, в результате которой у клемм получается твердая поверхность и вязкая сердцевина. Высокий уровень (до 500 МПа) сжимающих напряжений в поверхностном слое, обусловленный таким распределением твердости, увеличивает циклическую долговечность на 40—50 % по сравнению с клеммой со сквозной закалкой. Большая циклическая долговечность обеспечивается без специальной обработки поверхности прутка (горячекатаное состояние). Увеличивается сопротивление пластической деформации.


Кроме того, изучили возможность применения на отечественных железных дорогах польского скрепления SB-3. Лабораторные исследования таких клемм, изготовленных в Белоруссии, выявили неплохие их механические свойства. Однако специалисты пришли к выводу, что из-за невозможности выправки пути укладкой прокладок под подошву рельса применять эту конструкцию на отечественных дорогах нецелесообразно.

Накопленные данные свидетельствуют о необходимости коренного изменения подходов к конструкции и технологии изготовления упругих клемм промежуточных скреплений. Поскольку на работе упругих элементов верхнего строения пути сказывается в основном циклическое нагружение, в техническую документацию следует внести характерные для пружин требования:

силовую характеристику (зависимость деформации от нагрузки);

микроструктуру поверхностного слоя и сердцевины;

лабораторную оценку изделий при решении задач, связанных с последующими полигонными и эксплуатационными испытаниями, включающую проверку на циклическую долговечность.

Приемка упругих клемм в эксплуатацию должна осуществляться после соответствующих испытании и при наличии заключения о качестве металлопродукции.

Надежность элементов стыка

В рамках совершенствования работы рельсового стыка, касающегося улучшения его электропроводящих свойств и снижения интенсивности ослабления затяжки болтов, выполнили усталостные испытания тарельчатых пружин производства ОАО «Сфера» (г. Воронеж) и ОАО «Станконормаль» (г. Нелидово). Они показали, что циклическая долговечность пружин обоих заводов соответствует требованиям нормативной документации (ТУ 32 ЦП 749—86 — изменение № 1 от 1990 г.) при условии отнесения этих изделий к классу прочности II по ГОСТ 3057—90 (испытание на базе 10000 циклов нагружения в режиме Ртах = 4,0 тс; Pmin = 2,8 тс, частота нагружения 4,0 Гц). Однако ни одна из тарельчатых пружин не выдержала циклических испытаний, соответствующих классу прочности I по ГОСТ 3057—90 (2 млн. циклов нагружения в режиме Ртах = 2,7 тс; Pmin = 1,8 тс, частота нагружения 4,0 Гц). Но самое главное — ни одна из них не выдержала 2 млн. циклов нагружения при приложении эксплуатационной нагрузки (Рmах = 6,0 тс;


Pmin = 4,0 тс, частота нагружения 4,0 Гц).

В настоящее время глубина обезуглероженного слоя тарельчатых пружин ОАО «Станконормаль» составляет в среднем 0,14 мм. Микроструктура этого слоя характеризуется окислением по границам ферритных зерен. Такого дефекта не отмечено на пружинах ОАО «Сфера». Структура сердцевины пружин, представленная зернистым сорбитом, удовлетворительная. Основной способ снижения глубины обезуглероженного слоя и улучшения его структуры — индукционный нагрев под закалку.

По нашему мнению, существуют следующие меры улучшения эксплуатационной стойкости тарельчатых пружин: пересмотр применяемой марки стали, изменение геометрических параметров, галтовка (обработка) нагруженной кромки пружины, снижение глубины обезуглероженного слоя и, возможно, введение операции интенсивного наклепа дробью (если не будут изготавливать пружины из проката с механически обработанной поверхностью).


В научной направленности разработок новых технологических процессов упрочнения деталей массового производства ведущую роль, на наш взгляд, играет отечественный метод объемно-поверхностной закалки (ОПЗ). В деталях получаются высокопрочные износостойкие поверхностные слои в сочетании с упрочненной, но вязкой сердцевиной. Такие свойства достигаются за один цикл нагрева и охлаждения, в рабочих поверхностных слоях появляются сжимающие напряжения, повышающие циклическую долговечность и износостойкость.

Метод ОПЗ успешно применяется как для специальных сталей с контролируемой прокаливаемостью на требуемую глубину (10—25 % толщины детали), так и для сталей массового назначения, используемых на транспорте. В первом случае глубина упрочненного слоя зависит от химического состава стали, во втором — от способа охлаждения — водой или воздухом при избыточном давлении и определенной ориентации. Объемно-поверхностной закалкой можно упрочнять широкую номенклатуру изделий, в том числе и элементы рельсового стыка.

В соответствии с требованиями ГОСТ 11530—93 «Болты для рельсовых стыков железнодорожного пути» болты М27 из стали 30 должны соответствовать классу прочности 8.8 по ГОСТ 1759.4 (минимальная разрушающая нагрузка Р = 38,8 тс). Болты класса прочности 10.9 по ГОСТ 1759.4 (минимальная разрушающая нагрузка Р = 48,6 тс) серийно изготавливают из низколегированной стали 40Х. По методу ОПЗ можно достичь класса прочности 10.9 стали 30 за счет закалки быстродвижущимся потоком воды с последующим отпуском. Нагрев под закалку возможен как печной, так и индукционный при индивидуальной выдаче изделия на закалочную позицию. Результаты распределения твердости по сечению стыковых болтов представлены на рис. 4. Можно видеть, что обеспечивается градиент (перепад) свойств по сечению болтов из стали 30, что и обуславливает высокую прочность изделия.


В лабораторных условиях института отработана новая технология закалки рельсовых накладок быстродвижущимся потоком воды. Их циклическая долговечность повышается за счет сжимающих напряжений в поверхностном слое и более жестких допусков на деформацию (закалка в штампе), что особенно важно для хорошей работы электрической цепи. Совместно с ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат» составлены соответствующие технические условия.

Жесткие клеммы, противоугоны, подкладки

Один из недостатков геометрии жесткой клеммы ПК — утяжка при рубке. Устранить его можно либо отказавшись от этой операции (применив механическую резку), либо изменив размеры изделия. Уменьшение толщины сечения клеммы значительно сокращает утяжку и экономит сталь — в среднем 150 г на каждой клемме (рис. 5). Как показали статические и усталостные испытания, эти изделия выдерживают эксплуатационную нагрузку. Железным дорогам следует приобретать такие клеммы, изготовленные по ОСТ 32.119—90.

ВНИИЖТом и МКЗ улучшено качество пружинных противоугонов П65 (ТУ 32 ЦП-811). Основанием для проведения соответствующих работ стал излом 30 % серийных противоугонов производства МКЗ при постановке на рельс и их низкая удерживающая способность (усилие сдвига 0,8 тс). Новые противоугоны созданы из стали 58(55ПП), они подвергаются объемно-поверхностной закалке. Их характеристики более высокие. Однако из-за технологических трудностей в организации упрочнения быстродвижущимся потоком воды МКЗ не освоил серийный выпуск противоугонов из стали 58(55ПП), но организовал производство этих изделий из стали 40С2. Усилие их сдвига 1,8 тс, и в отличие от противоугонов из стали 60С2 они закаливаются не в масле, а в экологически чистой водной эмульсии. Нагрев под закалку — индукционный. Такие высококачественные противоугоны МКЗ изготавливает уже второй год.

Применение объемно-поверхностной закалки к подкладкам дает возможность уменьшить их толщину при одновременном увеличении в 3—4 раза эксплуатационной стойкости. Кроме того, экономится 4 т стали на 1 км пути. Салдинский металлургический завод в состоянии выпускать по два вагона в месяц закаленных подкладок КБ65 пониженной металлоемкости. Это особенно важно, если учесть, что подкладки занимают второе место по объему потребления стали после рельсов.

Закалка рельсов и остряков

В институте создана технология упрочнения рельсов двусторонней закалкой быстродвижущимся потоком воды, отработаны режимы двустороннего охлаждения. Подготовлен комплект технических документов для Нижнетагильского металлургического комбината (НТМК).

Известна низкая эксплуатационная стойкость остряков стрелочных переводов, изготовленных из стали М73В и подвергнутых закалке сжатым воздухом с нагрева ТВ4 с предварительным упруго-пластическим выгибом. Разработаны две новые технологии изготовления остряков: первая — из низколегированной износостойкой стали марки 76ХСФ без термического упрочнения и вторая — из многих рельсовых сталей, включая сталь 76ХСФ, но с двусторонней поверхностной закалкой. На Новосибирском стрелочном заводе (НСЗ) приступили к монтажу и наладке линии по двустороннему закалочному охлаждению остряков. При такой технологии по сравнению с односторонней закалкой с выгибом остряк получается более прямолинейным, что облегчает режим холодной правки, из-за которого в нем внутренние остаточные напряжения распределяются по неблагоприятной эпюре. Это является причиной выгиба остряков во время эксплуатации.

При закалке остряка с выгибом в процессе нагрева в поверхностном слое головки образуются растягивающие напряжения около 770 МПа (420 МПа — от механического изгиба и 350 МПа — от действия температурного поля индуктора). Они превышают предел текучести как стали М73В, так и стали 76ХСФ, что приводит к развитию трещин от поверхностных дефектов типа волосовин. При двусторонней закалке без выгиба уровень растягивающих напряжений в поверхностном слое головки остряка значительно ниже (около 320 МПа), что не создает условий для развития поверхностных трещин. Эксплуатационная стойкость остряков за счет упрочненного слоя в головке и подошве увеличивается.

Прочностные свойства и твердость остряков из стали 76ХСФ без термической обработки сопоставимы с аналогичными характеристиками остряков из стали М73В после закалки. Это дает основания для проведения их эксплуатационных испытаний.

Существенный недостаток технологического процесса термической обработки остряков на Новосибирском и Муромском стрелочных заводах — отсутствие контроля температуры нагрева изделия под закалку. Анализ аналогичных технологических процессов, применяемых на многих отечественных и зарубежных предприятиях, показал, что наши стрелочные заводы по существу единственные производители, пренебрегающие контролем температуры, что снижает качество продукции. При модернизации опытной установки для двусторонней закалки остряков планируется ввести контроль температуры и внедрить устройство программного регулирования нагрева.

На НСЗ изготовлена опытно-промышленная партия остряковых рельсов из стали 76ХСФ без термообработки. Оформлены ТУ на сталь, выбраны режимы механической обработки. Основной результат — надежность рельсов стала не ниже термообработанных. Получить лучший результат сложно, так как на КМК при производстве стали 76ХСФ в электропечах ее загрязненность неметаллическими включениями пока значительно выше, чем при выплавке мартеновским способом. Поэтому ожидать высокой контактно-усталостной прочности изделий из такой стали не приходится.

Тема перенесена
 

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Путь и путевое хозяйство".

Перенес: Admin