СЦБИСТ - железнодорожный форум, блоги, фотогалерея, социальная сеть СЦБИСТ - железнодорожный форум, блоги, фотогалерея, социальная сеть
Вернуться   СЦБИСТ - железнодорожный форум, блоги, фотогалерея, социальная сеть > Уголок СЦБИСТа > Книги и журналы > xx1

Ответ    
 
В мои закладки Подписка на тему по электронной почте Отправить другу по электронной почте Опции темы Поиск в этой теме
Старый 20.04.2013, 21:26   #1 (ссылка)
Crow indian
 
Аватар для Admin


Регистрация: 21.02.2009
Возраст: 42
Сообщений: 28,794
Поблагодарил: 397 раз(а)
Поблагодарили 5851 раз(а)
Фотоальбомы: 2566
Записей в дневнике: 647
Загрузки: 672
Закачек: 274
Репутация: 126089

Тема: [05-1998] Управлять надежностью бесстыкового пути


Управлять надежностью бесстыкового пути


В.С.ЛЫСЮК,

Управление надежностью — сравнительно новая наука и пока еще Не нашла практического воплощения в путевом хозяйстве. По заданию

Департамента пути и сооружений МПС ведущий научный сотрудник ВНИИЖТа В.С.Лысюк разрабатывает методическое пособие по управлению надежностью бесстыкового пути. Часть работы уже выполнена. Публикуем выдержки из нее, в которых даются ответы на следующие вопросы. Что такое надежность бесстыкового пути? Какими показателями ее оценивать и какими единицами измерять? Как управлять надежностью? Это не праздные вопросы. Ответы на них должны знать все руководители путевого хозяйства, начиная от бригадира пути.


Что такое надежность бесстыкового пути


Надежность бесстыкового пути — это его свойство сохранять в установленных пределах значения всех параметров, необходимых для бесперебойного пропуска поездов с установленной скоростью. Почти во всех элементах пути со временем накапливаются местные пластические деформации и другие повреждения. Кроме того, истираются (изнашиваются) контактные зоны элементов, ослабляются соединения рельсов со шпалами, снижается несущая способность деревянных шпал вследствие старения (загнивания) древесины, образуются «выплески» в балластном слое из-за его засорения, становится все больше расстройств пути в плане, профиле и по ширине колеи, а в рельсах (особенно в верхней части их головки и в шейке в зонах накладок) появляются усталостные трещины. Скорость развития всех указанных процессов нелинейно возрастает с увеличением наработки.

бесстыковой путь может находиться в одном из следующих пяти состояний.

I. Исправное — без отступлений от норм и допусков его устройства и содержания.

II. Неисправное, но полностью работоспособное — с отступлениями от норм и (или) допусков его устройства и (или) содержания, не требующих ограничения скорости.

III. Неисправное, но частично работоспособное — с отступлениями от норм и (или) допусков его устройства и (или) содержания, требующих местного ограничения скорости движения поездов.

IV. Неработоспособное, непредельное состояние — местный полный отказ, требующий ограждения сигналами остановки до восстановления работоспособности.

V. Предельное состояние — дальнейшая эксплуатация небезопасна или экономически неэффективна без сплошного капитального, среднего или подъемочного ремонта.

Каждое из состояний пути характеризуется совокупностью количественных значений его параметров и качественных признаков. Номенклатура этих параметров и признаков, а также предел их допустимых значений установлены нормативно-технической документацией МПС.

Если путь из состояния I переходит в состояние II, то это событие называется повреждением, а из состояния I или II в состояние III — частичным отказом и т.д. В состоянии I вагон-путеизмеритель оценивает путь по положению в плане и по уровню нулевой балльностью. Состояние II соответствует отступлениям первой, второй и третей степеней, состояние III — четвертой или пятой степеней, а состояние IV — отступлениям по шаблону, уровню и в плане, по которым пропуск поездов не допускается.

В предельное состояние V бесстыковой путь переходит, оставаясь частично или полностью работоспособным, т.е. из состояний III и II. Согласно ГОСТ 27.002— 89 и Методическим указаниям «Надежность техники. Состав и общие правила задания требований к надежности» (1988 г.), характерны три предельных состояния надежности пути. При наступлении первого делают подъемочный ремонт, при наступлении второго — средний ремонт и при наступлении третьего — капитальный ремонт. На незасоряемых высокогрузонапряженных участках в ряде случаев подъемочный и даже средний ремонты не выполняют благодаря достаточно надежной работе балласта, шпал и скреплений.

Оценка надежности бесстыкового пути только на каком-либо одном километре или перегоне, пусть даже с наибольшим числом отказов, недостаточна для общей оценки влияния отказов на перевозочный процесс. Необходимо рассматривать, как обеспечивается бесперебойный пропуск поездов с установленной скоростью на протяжении не меньшем, чем длина поездо-участка (между грузовыми станциями). Поскольку последняя может быть равна от 50 до 200 км и более, показатели удобно выражать в удельных значениях, т.е. в среднем на единицу протяженности (на 1; 10 или 100 км).

Основные оценочные показатели его надежности — это параметр потока отказов (количество отказов за период пропуска 1,10 или 100 млн. т груза) или средняя наработка на отказ (показатели безотказности), ресурс в миллионах тонн пропущенного груза или срок службы в годах между капитальными ремонтами (показатели долговечности), время или трудоемкость восстановления работоспособного состояния после отказов (показатели ремонтопригодности). Управлять надежностью бесстыкового пути можно только посредством управления упомянутыми показателями.

Необходимо отметить, что надежность пути в целом и надежность какого-либо его элемента — это разные понятия, оцениваемые разными показателями. Обусловлено это тем, что после отказа путь в целом ремонтируют и восстанавливают, а его элементы лишь заменяют. Из общего числа полных отказов бесстыкового пути (когда до восстановления работоспособного состояния требуется ограждение сигналами остановки) более 95% составляют одиночные отказы рельсов.

В связи с этим их среднее число на 1 км и используют в качестве основного показателя надежности пути на сети дорог, дороге или дистанции.

Управлять надежностью бесстыкового пути надо для достижения одной из следующих целей. Во-первых, повышение его надежности применением более прочных (более дорогих) конструкций. Во-вторых, повышение надежности благодаря увеличению эксплуатационных затрат на более качественное техническое обслуживание. В-третьих, повышение надежности совершенствованием конструкции без увеличения единовременных и эксплуатационных затрат на укладку и содержание. В-четвертых, разумное уменьшение надежности для существенного снижения единовременных и эксплуатационных затрат на укладку и содержание. Управлять надежностью можно только изменением (управлением) основных оценочных показателей.

Чтобы управлять отказами, необходимо знать истинную их причину. Поэтому анализ причин и механизма отказов бесстыкового пути — основа управления его надежностью. Разновидностей частичных и полных отказов множество. Проанализируем лишь основные виды, от которых зависит безопасность движения поездов и их задержки. К ним относятся: температурный выброс рельсошпальной решетки; сдвиг колеи колесами при жестком торможении поездов; контактно-усталостные повреждения рельсов (дефекты 21, 11 и ЗОВ); коррозионно-усталостные повреждения подошвы рельса (дефекты 69); боковой износ рельсов и уширение колеи в кривых; разрыв шейки рельсов в стыках уравнительных пролетов (дефекты 52.1 и 53.1); ослабление связи плетей с железобетонными шпалами (излом подкладок, ослабление затяжки клеммных и закладных болтов); загрязнение балласта и образование выплесков.

Температурный выброс


В журнале «Путь и Путевое хозяйство» № 5 за 1996 г. (с. 17) подробно изложены причины температурного выброса и сдвига пути. Напомним следующее. При изменении температуры стержня изменяется его длина. Если L0 — первоначальная длина стержня, a AL — его удлинение при нагревании на At“С, то среднее значение коэффициента линейного удлинения а определяют по формуле а = AL/L0At. Коэффициент а характеризует относительное удлинение стержня L/L0 при его нагревании на ГС. Длину нагретого стержня подсчитывают по формуле Lt = L0 (1 + at). Для рельсовой стали a = =0,00118/ГС.

Если 800-метровую рельсовую плеть подвесить или уложить на ролики с нулевым сопротивлением, то ее удлинение (укорочение) будет равно: при нагреве (охлаждении) до 20°С (-20°С) — +9,4 см (-9,4 см), до 30° (-30°) — +28,3 см (-28,3 см), до 40° (-40°) — +37,8 см (-37,8 см), до 50° (-50°) — +47,2 см (-47,2 см), до 60° (-60°) — +56,6 см (-56,6 см). Рельсы, не имеющие возможности свободно изменять длину при нагревании, могут быстро (за доли секунды) искривляться, увлекая за собой шпалы и частично балласт. Суммарную температурную продольную силу в обеих плетях типа Р65 при изменении температуры определяют по формуле Nt = =±40t. Знак плюс — сжимающие силы при нагревании на t°C по сравнению с температурой закрепления, минус — растягивающая сила при охлаждении на t°.

Сила Nt при нагревании или охлаждении на 10eC равна 40 тс, на 20° — 80 тс, на 30е — 120 тс, на 50° — 200 тс и на 60° составляет 240 тс. Этим активным силам противодействуют реактивные, обусловленные боковой жесткостью самих рельсов, сопротивлением сдвигу шпал в балласте поперек и вдоль пути и сопротивлением повороту рельсов относительно шпал в горизонтальной плоскости в узлах промежуточных скреплений. Исследован весь процесс выброса, который длится всего

0,2 с, и оценена роль почти всех действующих в нем факторов. С учетом этого разработаны нормы устройства и содержания бесстыкового пути, обеспечивающие достаточные запасы его устойчивости.

Что же такое выброс?

Выброс бесстыкового пути — искривление всей путевой решетки (сразу обеих рельсовых нитей) в вертикальной или горизонтальной плоскостях. Чтобы произошел выброс исправного бесстыкового пути, величина продольных сил должна соответствовать повышению температуры рельсов по сравнению с температурой закрепления («нейтральной» температурой) по крайней мере в 1,8—2,0 раза большему, чем допускается Техническими указаниями, так как в ТУ уже заложены такие запасы устойчивости.

При ясной тихой погоде в середине дня летом температура рельсов может быть больше температуры воздуха на 10—15°С (в средней полосе России), а утром и вечером — на 3—5°С. Допускаемые повышения температуры рельсов по сравнению с нейтральной для разных конструкций верхнего строения и радиусов кривых приведены в ТУ-91.

Форма искривления пути при выбросе в вертикальной плоскости близка к «смешанной» синусоиде: одна волна длиной 8—12 м со стрелой изгиба 20—30 см в середине возможна преимущественно при легких типах пути — рельсы легче Р50, шпалы — деревянные, балласт — песчаный, скрепления — костыльные, а также при тяжелом балласте, но незаполненных шпальных ящиках. Обе рельсовые нити поднимаются (иногда на разную высоту) вверх одновременно с обязательным выдергиванием шпал из балласта. Шпалы сдвигаются вдоль пути, к месту искривления, в балласте у их боковых граней образуются «щели». Подъем путевой решетки может быть и началом выброса вбок.

Формы искривления путевой решетки при горизонтальном выбросе на прямых и в кривых участках несколько различаются. На прямых по мере нагрева рельсов искривления растут быстро, преимущественно в одном месте — наиболее слабом. В результате на основном протяжении плети боковые неровности очень малы (практически не видны на глаз), тогда как в зоне собственно выброса (на 20—40 м) могут достигать десятков сантиметров.

В кривых же боковые подвижки происходят постепенно, начинаются достаточно рано (при нагреве рельсов уже на 15—20°С по сравнению с температурой закрепления) и происходят почти на всей длине кривой, причем образуется несколько местных очагов искривления (обеих нитей в одну сторону). При дальнейшем нагреве сдвиг в одном из очагов «обгоняет» другие сдвиги и в этом месте начинается выброс.

Общее для всех вариантов то, что искривление при выбросе состоит из нескольких волн: одна или две центральные с максимальными (до 30—40 см) стрелами изгиба и несколько мелких, затухающих по обе стороны от них. На прямых участках центральные волны могут быть односторонними или двухсторонними. В кривых наибольший изгиб обычно односторонний, наружу.

При выбросе путевой решетки вбок шпалы смешаются поперек пути поступательно (параллельно одна другой), не отрываясь от рельсов. Положение их концов повторяет форму изгиба («синусоиду»).

Смещения шпал на разных участках зоны выброса не одинаковые: наибольшие — в вершинах волн изгиба (прямых и обратных), наименьшие — в местах изменения знака волны (в сторону поля или междупутья).

При искривлении путевой решетки из-за выброса рельсы в горизонтальной плоскости поворачиваются относительно шпал, причем на разные углы в разных зонах выброса: близкие к 0° — в вершинах волн изгиба, максимальные — в точках перегиба изогнутой оси пути («синусоиды»), где могут достигать 45°. В этих местах прикрепители (закладные болты, шурупы) нередко откалывают куски железобетонных или деревянных шпал при повороте подкладки.

При выбросе, который происходит мгновенно (длится только 0,2 с) из-за резкого поперечного смещения путевой решетки щебень от торцов шпал разлетается на значительное расстояние и располагается на обочине и междупутье так, что края рассыпанной массы почти параллельны изогнутой оси пути. Наибольший «разлет» — в вершине волн изгиба, наименьший — в местах смены знака искривления.

Если при деформации пути нарушено хотя бы одно из этих восьми условий, то причина — пе температурные силы, а результат воздействия внешних боковых сил, вызванных проходящим поездом.

Управлять отказами бесстыкового пути из-за температурного выброса можно изменением или температурных сил, или сил сопротивления. Для этого существуют технические и организационные меры, изложенные в «Технических указаниях по устройству, укладке и содержанию бесстыкового пути». Строгое соблюдение ТУ-91 гарантирует предотвращение выброса путевой решетки в жару и разрыва плетей в морозы. Однако необходимо иметь в виду, что температурный выброс возможен только без поезда, перед движущимся поездом или после прохода поезда. Под поездом выброс невозможен даже если были нарушения ТУ-91.

Сдвиг пути


За последние годы причина многих крушений, аварий и браков, происшедших при положительных температурах на участках бесстыкового пути, квалифицирована как выброс колеи из-за возникновения в рельсах недопустимых температурных сил. Однако такие выводы часто не подтверждаются при судебных расследованиях. Искривление пути в плане может произойти из-за поперечной подвижки колесами поезда рельсошпальной решетки, причем не только бесстыкового, но и звеньевого пути даже зимой, если продольная сжимающая кваз и статическая (действующая более 2 с) сила в поезде превышает установленные МПС допускаемые значения. Поскольку сдвиг вызывают смежные тележки в разные стороны, внешне конечный результат похож на «змейку», образующуюся при температурном выбросе.

При достижении в движущемся поезде продольной квазистатической сжимающей силы 50 тс (при жестком торможении возникают силы более 50 тс) групповое боковое воздействие на путь колес исправной тележки грузового вагона, ЦМВ и Локомотива 4ТЭ10С достигает в кривой с R = 300 м соответственно 4,0; 8,4 и 14,8 тс, а на прямой — 2,8; 6,4 и 13,3 тс. При сжимающей силе 100 тс это воздействие возрастатет в кривой с R = 300 м соответственно до 8,0; 16,9 и 29,6 тс, а на прямой — до 5,7; 12,9 и 26,7 тс. На участках бесстыкового пути к групповому боковому воздействию колес тележки добавляется боковое воздействие рельсовых плетей на шпалы, связанное с ростом продольных сжимающих температурных сил в плетях из-за повышения их температуры по сравнению с температурой укладки (закрепления). Естественно, что дополнительное воздействие рельсовых плетей на шпалу тем больше, чем меньше радиус кривой. На прямых оно бывает только в местах боковых неровностей колеи.

Как уже говорилось, сопротивление пути поперечному перемещению под тележкой экипажа больше, чем перед движущимся поездом. Если температурная сила в рельсах превышает критическое значение, то выброс должен произойти перед поездом. При этом сходит с рельсов его головная часть. Температурные боковые нагрузки плетей на шпалу составляют малую долю (менее 4%) от нагрузки, необходимой для сдвига шпалы под тележкой порожнего вагона. Под тележкой груженого вагона указанная доля еще меньше.

А возможен ли выброс под тележкой движущегося поезда или же другими словами, возможно ли постепенное поперечное перемещение под вагоном рельсошпальной решетки под действием постоянных температурных сил из-за ослабления связи шпал с балластом между тележками вагона, в зоне отрицательного (вверх) прогиба рельсов?

Оказывается, что при всех температурах сдвиг путевой решетки происходит только под тележками и на расстоянии 1 м в каждую сторону от нее. (Подробно об этом рассказано в журнале «Путь и Путевое хозяйство» № 5 за 1996 г., с. 17). Никаких подвижек в межтележеч-ном пространстве не бывает. Незначительные остаточные сдвиги, накапливающиеся под колесами днем, полностью или почти полностью исчезают после ночного понижения температуры. Средний остаточный сдвиг, отнесенный к 1 млн. т пропущенного груза, составил 0,07 мм на вполне исправном пути и 0,18 мм на пути с неисправностями. Таким образом, отрицательный изгиб рельсов в межтележечном пространстве не является причиной выбросов бесстыкового пути, а общее накопление остаточных сдвигов рельсошпальной решетки при высоких температурах происходит достаточно медленно (опасный для устойчивости пути сдвиг накапливается после прохода 8—20 тыс. поездов при высоких температурах) и также не может быть причиной выбросов, поскольку в течение такого пери-

«

ода неизбежны и похолодания.

Если поезд резко затормозит, то из-за зигзагообразного расположения вагонов при набегании их на заторможенную переднюю часть состава могут передаваться на путь более значительные поперечные силы, которые в состоянии преодолеть сопротивление рельсошпальной решетки сдвигу, и колеса могут сойти с рельсов. Однако в этом случае причину схода следует квалифицировать как сдвиг пути из-за превышения допускаемых поперечных сил, передаваемых от колес. Смежные тележки сдвигают путевую решетку в разные стороны и она становится похожа на «змейку», образующуюся при горизонтальном температурном выбросе.

При нарушении ТУ в рельсовых плетях в жаркую безоблачную погоду могут возникать сверхнормативные (закритические) температурные сжимающие продольные силы, которые в местах пониженного сопротивления искривлению (температурному выбросу) колеи вызывают горизонтальную поперечную ее сдвижку. Такое пониженное сопротивление бывает при неуплотненном (разрыхленном) балласте, когда примерно на участке 50 м перед движущимся локомотивом рельсы начинают вибрировать, и может случиться выброс при появлении в плетях сверхнормативных температурных сил. Наиболее слабое сопротивление выбросу — примерно на расстоянии 3—5 м перед первой колесной парой локомотива в зоне отрицательной полуволны прогиба рельсов.


Типовые конструкции пути обеспечивают безопасный пропуск поездов любого веса и любой длины при соблюдении норм допускаемых продольных квазистатических сил сжатия в поезде. Как предотвратить такие силы, если многосекционный Локомотив расположен в голове поезда? Расчеты показали, что количество осей с действующими тормозами в таком локомотиве не должно быть более приведенного в табл. 1. Это надежная «непутейская» мера предупреждения распора и сдвига колеи. К сожалению, в настоящее время во многих случаях она не выполняется.

Надежная мера предотвращения выжимания порожних вагонов, распора и сдвига колеи — это рассредоточение локомотивов по длине поезда так, чтобы в одном месте число секций не превышало количества, когда суммарная сила сцепления их колес с рельсами достигает [F] и в режиме тяги, и в режиме торможения.

У типовых конструкций бесстыкового пути с железобетонными шпалами и скреплением КБ даже после пропуска сверхнормативного тоннажа сопротивление распору в 2—2,5 раза больше, чем у пути с деревянными шпалами и костыльным скреплением, и распор колеи под поездом из-за увеличения продольных сжимающих сил в поезде невозможен. При значительном увеличении горизонтальной поперечной нагрузки от колес раньше, чем разопрет колею до критического размера, произойдет сдвиг колеи или накатывание гребня на головку рельса (выжимание порожних вагонов).

Путейские меры предотвращения сдвига общеизвестны. Во-первых, это уплотнение балластной призмы и уширение ее плеча, особенно по наружной рельсовой нити крутых кривых с присыпкой балласта на 5 см выше поверхности концов шпал. Во-вторых, постановка в середине шпал металлического фартука, прикрепленного болтами и заглубленного на 10—15 см в балласт. На участках с деревянными шпалами эффективно прикрепление к шпалам костылями внутри колеи раскосов — металлических полос.

Контактно-усталостные повреждения


Причины и механизм контактно-усталостных повреждений рельсов до сих пор до конца не изучены. Не известно, почему дефекты 21 и 11 зарождаются только в узкой зоне рабочего закругления головки рельса, где возникают в основном сжимающие напряжения под поездом и при укладке плетей в наружную нить кривых (рис. 1). Частично ответ на этот вопрос дан в журнале «Путь и Путевое хозяйство» № 6 за 1997 г. (с. 4).

Доля таких повреждений велика (табл. 2). Ее рост объясняется, во-первых, снижением количества отказов по основным — изгибным напряжениям вследствие увеличения изгибной жесткости рельсов и жесткость рельсового основания, во-вторых, повышением контактных напряжений вследствие увеличения осевых нагрузок, скоростей движения и жесткости пути.

Указанные в табл. 2 два вида контактно-усталостных трещин (ВПНТ и ВПТ) — основные причины одиночных отказов рельсов и ограничения срока их службы между сплошными сменами. Интенсивность накопления ВПНТ и ВПТ определяется прочностью рельсового металла и условиями эксплуатации. Последние оцениваются величиной и количеством контактных давлений (напряжений) колеса на рельс. Эти давления прежде всего зависят от колесной нагрузки, но при прочих равных условиях в значительной мере обусловлены продольной (зависящей от диаметра колеса) и, особенно, поперечной (зависящей от износа) кривизной поверхности катания колес, а также формой контактирования колес с рельсами. Эта форма со временем изменяется вследствие накопления износа поверхности катания колес и рельсов и из-за многих других факторов.

Рельсы под колесами движущегося экипажа отклоняются от номинального (проектного) положения наружу колеи, т.е. происходит их динамическая разук-лонка по двум причинам. Во-первых, под воздействием колес подрельсовые зоны шпал не только упруго оседают, но и разуклоняются. Из-за этого под тележками экипажей даже при отсутствии горизонтальных поперечных сил рельсы поворачиваются наружу колеи относительно внутренних кромок подошвы. На ненаг-руженных же шпалах (между тележками) они удерживаются в первоначальном положении, т.е. рельсы скручиваются.

Во-вторых, на рельсы действуют горизонтальные распирающие колею поперечные силы при жестком торможении поезда. На прямых участках (при отсутствии торможения) рельсы разуклоняются меньше, чем шпалы под ними, а в кривых — больше. При железобетонных шпалах из-за их большой изгибной жесткости и более жесткой связи с ними рельсов динамическая разуклонка меньше, чем при деревянных шпалах.


Из-за динамической разуклонки рельсов место их контаткта с колесами из середины поверхности головки смещается к зоне рабочей выкружки, т.е. туда, где зарождаются ВПНТ и ВПТ. Сама площадь контакта уменьшается, что увеличивает контактные напряжения, а значит, и контактно-усталостные повреждения. Главная причина этого — накопление пластических деформаций вверху головки в зоне контакта, что общепризнано.

На железных дорогах США провели следующий эксперимент. В головках рельсов высверлили отверстия диаметром 1,96 мм и глубиной 19,05 мм перпендикулярно поверхности катания. В отверстия вставили латунные пробки. После пропуска по таким рельсам, уложенным в наружной нити кривой, 68,3 млн. т груза их изъяли из пути и распилили в местах расположения латунных пробок. Оказалось, что пластическая деформация металла распространилась на глубину от 6,35 до 15,87 мм. Сделали вывод, что эта деформация свидетельствует о превышении контактными напряжениями предела текучести. Измерили твердость металла верха головки рельсов после пропуска 515—728 млн. т груза и установили, что пластические деформации «проникли» на глубину 6—8 мм от поверхности катания. На глубине до 6 мм наблюдались остаточная деформация и разрушения цементитных включений.

Подобные эксперименты выполнили и на кольце ВНИИЖТа. После пропуска 100—150 млн. т груза по незакаленным рельсам Р65 при Рст = 23 тс/ось твердость металла на глубине 3 мм от поверхности катания в зоне рабочего закругления головки увеличилась в 2 раза и постепенно снижалась до первоначальной только на глубине примерно 15 мм.

Доля напряжений, превышающих предел текучести рельсового металла, тем больше, чем больше средние осевые нагрузки и прокат колес. Но даже на участках, где обращаются только составы с порожними вагонами, не исключено возникновение таких контактных напряжений. Это объясняется действием Локомотивных нагрузок, а также тем, что при наибольших неровностях на колесах и прокате динамические контактные напряжения в рельсе под колесами порожних вагонов могут быть существенно больше, чем под малоизношенными колесами полногрузных вагонов.

Наиболее распространенное контактно-усталостное повреждение — внутренняя продольно-наклонная трещина (ВПНТ). Эта трещина возникает внутри головки в зоне рабочего закругления и развивается вдоль рельса. С повышением осевых нагрузок глубина ее зарождения увеличивается. Так, в рельсах Р65, по данным испытаний на кольце ВНИИЖТа при Рст, равной 21, 23 и 25 тс/ось, средняя глубина расположения трещины соответственно 5,2; 6,2 и 7,5 мм, а по данным дорог при Рст, равной 14,5; 16,5; 19 и 20 тс/ось, — 4,5; 5,9; 7,2 и 7,7 мм.

Трещина, постепенно расширяясь, выходит на боковую рабочую грань головки. После этого облегчается пластическое деформирование металла над трещиной, появляется наплыв на боковую грань головки с образованием темного пятна на поверхности катания. Впоследствии металл над трещиной выкрашивается (рис. 2), причем длина ВПНТ может достигать 200 мм и более. Затем возникает неровность на рабочей выкружке рельса. На соединении трещины с боковой гранью головки образуется угол (без закругления), что повышает вероятность накатывания гребня колеса на боковую грань головки рельса, особенно наружной нити кривых. Такая трещина сама по себе не может быть причиной излома под поездом, так как из-за нее запас изгибной прочности рельсов снижается мало. Тем не менее рельсы с выкрашиванием металла, превышающем определенные размеры, или с темным пятном, заменяют. Скорость развития ВПНТ невелика (0,3—0,7 мм/1 млн. т груза брутто). Поэтому по рельсам после появления трещин пропускают 150—300 млн. т груза, а потом изымают.

В испытаниях на кольце ВНИИЖТа при Рст = 23 и 25 тс/ось практически во всех отказавших по контактно-усталостным дефектам рельсах трещины были зафиксированы в начальный период эксплуатации. Более половины срока службы эксплуатировали рельсы с ВПНТ в ожидании выкрашивания металла (дефект 11) или ответвления от ВПНТ внутренней поперечной трещины (ВПТ) — дефект 21. Очагом (концентратором) зарождения ВПТ, как правило, является ВПНТ с изборожденной поверхностью развития, а очагом зарождения служат обычно неметаллические включения.

Согласно современной усталостной теории износа общая картина контактного деформирования и контактно-усталостного повреждения головки рельса выглядит так. Вследствие шероховатости поверхности катания вначале (новые рельсы) микронеровности колес и рельсов взаимно внедряются или расплющиваются с небольшим распространением пластических деформаций сжатия вглубь головки. В результате многократного воздействия колес образуется наклеп. При этом предел текучести металла возрастает, иногда в несколько раз. Иными словами, в процессе эксплуатации новых рельсов сначала происходит приработка системы «колесо-рельс». В результате этого пластических деформаций в зоне контакта может вообще не быть, если контактные напряжения не превышают первоначальный предел текучести рельсового металла на 70%. Если же он несколько больше, то на поверхности пластических деформаций нет, и внешне контакт выглядит вполне упругим, однако под поверхностью контакта на некоторой глубине развиваются ощутимые деформации пластического сдвига.

В результате пластических деформаций сжатия в верхней части головки накапливаются остаточные напряжения. Поэтому при многократных проходах колес по одной и той же поверхности катания головки ее напряженное состояние в зоне контакта зависит не только от приложенной в данный момент нагрузки, но и от остаточных напряжений.


ВПТ образуются значительно реже, чем ВПНТ, и до достижения определенных размеров тоже не представляют опасности для движения поездов, так как находятся в сжатой зоне, когда колесо над трещиной практически не снижает основного — изгибного сопротивления рельса сверх допустимого предела. За период развития трещины до размера, при котором ее выявляют и рельс заменяют, проходит 15—50 млн. т груза. В разных странах критической считают разную площадь ВПТ: в ФРГ, Франции, Венгрии, США соответственно 50, 55, 45 и 100% площади сечения головки, в России — 30%.

Появление и развитие ВПТ во многом зависит, во-первых, от фактической подуклонки рельса. В процессе эксплуатации статическая подуклонка постепенно изменяется, особенно на участках с деревянными шпалами. Во-вторых, от формы (профиля) контактирующих поверхностей катания колес и рельсов. Из сотен фактических профилей изношенных колес нельзя обнаружить полностью совпадающие профили даже при одинаковом износе (прокате) по среднему кругу катания. Точно также из сотен фактических профилей изношенной головки рельсов в разных кривых и даже в одной кривой в сечениях, отстоящих друг от друга на 10 м и более, невозможно обнаружить полностью совпадающие профили даже при одинаковом боковом износе на уровне измерения ширины колеи.

Если до середины 80-х годов максимум проката (износа) колес находился в средней части поверхности катания обода, то потом он сместился к основанию гребня с интенсивным его подрезом (износом) у основания. Особенность износа колес в последнее десятилетие заключается в том, что при интенсивном подрезе гребня у одного колеса колесной пары износ гребня другого колеса незначительный.

Все многочисленные формы контактирования новых и изношенных (с разной степенью) колес с новыми и изношенными рельсами при различной динамической подуклонке можно разделить на три группы. Первая группа (5—10%) — контактирование новых колес с новыми рельсами при нормальной (1:20) подуклонке. Вторая группа (20—30%) — контактирование изношенных колес с новыми рельсами при нормальной (1:20) подуклонке. Третья группа (60—75%) — контактирование изношенного колеса с подрезом гребня с изношенным рельсом. Это грубое деление, потому что и в первой группе при отжатии гребнем головки рельса с его наклоном (динамической разук-лонке) может возникать одноточечное контактирование (вторая группа), а при третьей группе контактирования во время качения колеса обод может оторваться от верха головки.

Основная причина зарождения (ответвления от ВПНТ) и развития ВПТ — остаточные напряжения растяжения, которые существенно превышают напряжения от изгиба рельса и циклически изменяются при проследовании колес. На практике происходит так. В рельсовой плети Р65 после ее укладки в наружную нить кривой в зоне рабочего закругления головки (4— 14 мм от боковой рабочей грани) действуют постоянные монтажные напряжения сжатия. В процессе эксплуатации постепенно в этой зоне из-за пластической деформации металла накапливаются в верхней части головки на глубине до 8—10 мм остаточные продольные напряжения сжатия, которые после пропуска 100—150 млн. т груза могут достигать 50 кге/мм2. На глубине более 8—10 мм одновременно накапливаются уравновешивающие их остаточные продольные напряжения растяжения.


Твердость металла в зоне действия сжимающих остаточных напряжений из-за наклепа постепенно увеличивается и после пропуска 100—150 млн. т груза может превысить твердость металла в зоне действия остаточных напряжений растяжения в 1,5—2 раза. На наружной рельсовой нити форма контактирования относится в основном ко второй группе. Именно из-за этого накапливаются показанные остаточные напряжения в зоне рабочего закругления головки. На прямых участках такие напряжения во много раз меньше, поэтому ВПНТ и ВПТ там возникают гораздо реже. На внутренней рельсовой нити кривых они почти не образуются.

При проходе более 100—150 млн. т груза верхняя часть головки рельсов наружной нити работает как двухслойная балка. Твердость верхнего наклепанного слоя металла в 1,5—2 раза выше, чем нижнего. Поэтому с некоторым приближением модель расчета верхней части рабочего закругления головки может быть уподоблена расчетной схеме рельса на сплошном упругом основании. Поскольку рельс и его основание имеют разные физические характеристики, между ними возникают продольные сдвигающие силы (напряжения), и вертикальные напряжения связи имеют разный знак под контактной силой и впереди нее (в зоне отрицательного прогиба рельса).

Аналогичное происходит и в верхней зоне рабочего закругления головки. Перед местом контакта на глубине 4—10 мм появляются вертикальные напряжения растяжения, а под ним — сжатия. На 1/4 полуволны прогиба верхнего (наклепанного) слоя между этим слоем и его основанием действуют максимальные продольные касательные напряжения сдвига. Поэтому на развитие ВПНТ влияют оба указанных вида динамических (точнее кинематических) напряжений во взаимодействии с остаточными и температурными напряжениями. Температурные растягивающие напряжения в зоне, где действуют максимальные остаточные продольные напряжения от наклепа, зимой способствуют ускоренному возникновению и развитию ВПТ. На зарождение ВПТ влияют также вибрационные волны от удара колес с ползунами.

ВПТ зарождается тогда, когда ВПНТ еще не вышла на боковую грань головки, т.е. когда остаточные сжимающие напряжения в верхней части рабочего закругления головки максимальные. После выхода трещины на боковую грань головки из-за пластической дефор-мации металла остаточные продольные напряжения над ВПНТ резко снижаются, соответственно уменьшаются и уравновешивающие их остаточные растягивающие напряжения под ВПНТ. В этом случае дефект 21 уже не возникает.

Длительное время спорили, где зарождается ВПТ

— от края ВПНТ или от бороздок середины уже образовавшейся ВПНТ. Мы согласны с большинством специалистов, считающих, что ВПТ зарождается на острие края ВПНТ. В журнале «Путь и Путевое хозяйство» № 6 за 1997 г. (с. 6) опубликованы результаты опытов, подтверждающие описанное объяснение причин появления контактно-усталостных повреждений рельсов, а также преимущества двухточечного контактирования колес с рельсами.

Управлять отказами бесстыкового пути из-за контактно-усталостных повреждений плетей можно без существенных материальных затрат, а лишь перераспределением местных (контактных) напряжений по ширине головки рельса. Прежняя концепция одноточечного контактирования колес с рельсами никогда и никем не проверялась экспериментально в части влияния его на контактно-усталостные повреждения рельсов. Такую проверку и сделать-то нельзя, так как на сети дорог по любому сечению пути за период нормативного ресурса рельсов проходят колеса с различным износом. Двухточечное (точнее двухместное) контактирование колес с рельсами — наилучшее, а одноточечное для путейцев — наихудшее. Это доказано экспериментами на кольце ВНИИЖТа.

Еще один вид контактно-усталостных повреждений

— вертикальная трещина в головке рельсов внутренней нити кривых (дефект ЗО.В). Причины и механизм ее образования и развития подробно описан в журнале «Путь и путевое хозяйство» № 4 за 1996 г. (с. 29). Коротко напомним следующее. В крутых кривых большинство колес движется с прижатыми гребнями к головке наружной рельсовой нити. На внутренней нити изношенные колеса вызывают повышенный наклеп металла в средней части головки. Под наклепанным слоем после пропуска значительного тоннажа возникает внутренняя усталостная трещина, причем быстрее на незакаленпых рельсах. У линейных работников обычно внутренний рельс с расплющенной головкой не вызывает опасения. И напрасно, потому что после откола внутренней части головки, как правило, поезд сходит с рельсов.

Как предупреждать контактно-усталостные повреждения рельсов? Поскольку причина таких повреждений — остаточные напряжения в верхней части головки из-за пластической деформации металла в зоне контакта с колесами, надо «переместить» местные контактные напряжения из зон, где они вызывают повреждения, в зоны, где повреждения не возникают. Существуют три группы соответствующих технических мер. Первая группа — это меры, регламентирующие состояние колес подвижного состава.

1. Создание припуска на износ при обточке в депо эксплуатируемых колесных пар. По предварительным соображениям указанный припуск должен выполняться по перевернутой форме фактического износа колес на дорогах сети с прокатом 1 мм по оси круга катания.

2. Создание при обточке эксплуатируемых колес в депо канавки глубиной 1 мм и шириной 8—10 мм у основания гребня с тем, чтобы не было контактирования колеса с рельсом в зоне 4—14 мм от боковой рабочей грани головки в течение возможно большего времени между смежными обточками колес.

3. Уменьшение допускаемого проката (износа) колес между смежными их обточками.


Вторая группа — путейские меры.

1. Увеличение подуклонки наружных рельсовых нитей кривых до 1/12 при помощи клинчатых подрельсо-вых прокладок.

2. Шлифовка РШП рабочего закругления головки новых рельсовых плетей наружных нитей кривых с целью понизить и вывести зону контакта с колесами в среднюю часть поверхности катания головки. В последующем фаска возобновляется по мере ее «закатывания» или износа.

3. Увеличение на 20% возвышения наружного рельса в пологих (R>800 м) кривых для частичного повышения интенсивности бокового износа наружной рельсовой нити и снижения за счет этого контактноусталостных повреждений.

Третья группа мер касается изменения профиля головки рельсов при их прокатке на заводе — понижение на 1—2 мм поверхности головки в зоне 4—14 мм от боковых граней — и выпуск рельсов специального профиля для наружных нитей кривых.

Одним из технических решений может быть разработанный ВНИИЖТом способ остановки роста ВПТ, позволяющий эксплуатировать рельсовую плеть с такой трещиной без ограничения скорости до очередного капитального ремонта (обновления верхнего строения) пути. Суть способа — разрядка продольных сжимающих остаточных напряжений наклепа над трещиной в зоне рабочего закругления головки шлифовкой с постановкой (для страховки) шестидырных накладок на четыре крайних болта (рис. 3).

(Продолжение следует)
__________________
Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com
Admin вне форума   Ответить с цитированием 12
Старый 30.08.2015, 08:34   #2 (ссылка)
Робот
 
Аватар для СЦБот


Регистрация: 05.05.2009
Сообщений: 2,402
Поблагодарил: 0 раз(а)
Поблагодарили 73 раз(а)
Фотоальбомы: 0
Загрузки: 0
Закачек: 0
Репутация: 0

Тема: Тема перенесена


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

Перенес: Admin
СЦБот вне форума   Ответить с цитированием 0
Похожие темы
Тема Автор Раздел Ответов Последнее сообщение
=Диплом= капитальный ремонт бесстыкового пути Дмитрий Бачинин Курсовое и дипломное проектирование 0 05.04.2013 09:31
=Курсовая работа= Расчет бесстыкового пути Admin Студенту-путeйцу 0 14.10.2012 09:35
[07-2012] Как управлять надежностью тягового подвижного состава Admin xx2 0 16.08.2012 15:29
Особенности содержания бесстыкового пути Admin Wiki 0 23.11.2011 10:52
Перспективы и проблемы укладки бесстыкового пути. Применение бесстыковой конструкции пути на железных дорогах России и мира. Admin Путейцы 0 22.02.2011 12:13

Ответ


Здесь присутствуют: 1 (пользователей: 0 , гостей: 1)
 
Опции темы Поиск в этой теме
Поиск в этой теме:

Расширенный поиск

Ваши права в разделе
Вы не можете создавать новые темы
Вы не можете отвечать в темах
Вы не можете прикреплять вложения
Вы можете редактировать свои сообщения

BB коды Вкл.
Смайлы Вкл.
[IMG] код Вкл.
HTML код Выкл.
Trackbacks are Вкл.
Pingbacks are Вкл.
Refbacks are Выкл.



Часовой пояс GMT +3, время: 12:20.

СЦБ на железнодорожном транспорте Справочник 
сцбист.ру сцбист.рф

СЦБИСТ (ранее назывался: Форум СЦБистов - Railway Automation Forum) - крупнейший сайт работников локомотивного хозяйства, движенцев, эсцебистов, путейцев, контактников, вагонников, связистов, проводников, работников ЦФТО, ИВЦ железных дорог, дистанций погрузочно-разгрузочных работ и других железнодорожников.
Связь с администрацией сайта: admin@scbist.com
Advertisement System V2.4