Еще раз об износе колеса и рельса
Взгляд инженера-технолога
Стоимость рельсов и колес составляет существенную часть основных фондов железных дорог. К ней следует добавить затраты на укладку рельсов, монтаж колес, их техническое обслуживание и ремонт. Значительные экономические потери заставляют постоянно искать новые подходы для решения этой проблемы.
Основными мероприятиями, позволяющими существенно снизить износ колеса и рельса, были определены луб-рикация и упрочнение поверхности колеса до твердости, превышающей твердость рельса. Именно эти меры были заложены в разработанную в середине 90-х годов «Программу действий по проблеме «колесо — рельс».
На тот период в депо Иркутск-Сортировочный Восточно-Сибирской дороги столкнулись с повышенным износом гребней электровозов-толкачей ВЛ80Р, обслуживавших горно-перевальный участок Большой Луг — Слюдянка. За год удельный износ гребней колесных пар электровозов ВЛ80Р составил от 4 до 13 мм на 104 км пробега. Особенно большой износ был в летние месяцы, когда электровозы заходили на обточку через 2... 2,5 тыс. км пробега.
С учетом имеющихся наработок одна из иркутских научно-производственных фирм спроектировала и приступила к производству установок для плазменного упрочнения гребней колесных пар. В 1996— 1997 гг. на Восточно-Сибирской дороге приступили к массовой закалке колесных пар электровозов. Была введена в действие такая установка и в депо Иркутск-Сортировочный.
Она предназначена для поверхностной обработки металлов и сплавов (закалка, отпуск, легирование, наплавка и армирование). Глубина зоны упрочнения — 1,5... 2,5 мм. Упрочняемый слой металла за доли секунды разогревается до температуры структурных превращений. Плотность теплового потока достигает 103 — 105 Вт/см2, а температура плазменной струи 14000... 20000 °К. Твердость упрочненного слоя составляет 500 HV, при этом твердость металла на глубине 0,03... 0,05 мм достигает 800 HV, что соответствует мартенситной структуре. После термоупрочнения не требуется дополнительных операций по механической обработке гребня.
Плазменное упрочнение гребней колесных пар, повышая твердость и износоустойчивость поверхности гребней, позволяет увеличить пробег локомотивов между обточками в 1,5... 2,5 раза и, соответственно, увеличивает ресурс бандажа.
Первый вариант плазмотрона обеспечивал обработку замкнутыми закалочными дорожками шириной 10... 15 мм, которые располагались параллельно друг другу с перекрытием по ширине на 2... 4 мм. После оборота колеса дорожки по длине перекрывались на 15... 20 мм. Оборот колеса производился за 3 мин.
Анализ физического процесса износа упрочненного гребня колесной пары показывает, что металл на рабочей поверхности гребня течет не только в направлении окружности катания и вершины гребня, но и вдоль гребня. Если ширина закаленной зоны (пояса) будет меньше ширины зоны пластического деформирования, т.е. если закалка будет производиться узкими поясками, то возникнет неоднородность пластической деформации. Более твердые участки растянутся меньше, а более мягкие — больше.
В твердых полосках останутся большие остаточные растягивающие напряжения, которые приведут к возникновению в них поперечных трещин. После зарождения трещины напряженное состояние на ее кромках становится линейным, что облегчает пластическую деформацию и увеличивает скорость распространения трещины. Благодаря этому тре-
щины могут распространяться на очень большую глубину практически по всей толщине гребня. Поэтому необходимо, чтобы ширина закаленной зоны была больше ширины зоны пластической деформации, т.е. порядка 30... 40 мм.
С учетом данных обстоятельств в депо Иркутск-Сортировочный модернизировали установку плазменного упрочнения. Поддержание оптимального режима обработки в данном усовершенствованном варианте осуществляется в автоматическом режиме. Закалка проводится за один проход. Уменьшена скорость вращения колесной пары до 8 мин за 1 оборот. В результате глубина упрочненного слоя увеличилась с 2,5 до 3,2 мм.
Модернизированная установка позволяет одновременно упрочнять оба гребня колесной пары, в то время как ранее обрабатывалось по одному. Водяная система охлаждения установки стала автономной, тогда как раньше она требовала подключения к внешнему источнику подачи проточной воды.
Кроме плазменного упрочнения, для уменьшения износа колеса и рельса широко внедряются средства лубрикации гребней колесных пар локомотивов и боковых внутренних граней наружных рельсов в кривых участках пути. Большие средства вложены в технические устройства для смазки гребней колес локомотивов и рельсов. Это позволило значительно уменьшить остроту проблемы.
Так, на локомотивах используют автоматические гребне-смазыватели АГС, а для лубрикации боковых поверхностей головок рельсов применяют рельсосмазыватели конструкции ВНИТИ и ВНИИЖТа.
В основном за счет внедрения плазменного упрочнения и лубрикации за три года удельный износ гребней электровозов-толкачей депо Иркутск-Сортировочный уменьшился до 1,75 мм на 104 км пробега. В течение 2000 — 2003 гг. проведено масштабное оздоровление колесного парка эксплуатируемых локомотивов.
Так, уменьшена разница диаметров колесных пар по секциям электровозов-толкачей, введена практика периодического разворота электровозов для выравнивания износа гребней, весь парк переточен на профиль Зинюка—Никитского, который позволяет более экономично использовать бандажи колесных пар в условиях горно-перевалистой местности, чем профиль ДМетИ.
Были применены новые материалы для гребне- и рель-сосмазывания. В результате по итогам 2002 г. удельный износ гребней электровозов ВЛ80Р составил 0,9 мм на 104 км пробега, а средний ресурс бандажа, отбракованного по его толщине, составил 224 тыс. км. По 2003 г. износ остался практически на таком же уровне.
Вначале 2002 г. вышло указание МПС России о повышении ресурса бандажей электровозов до 600 тыс. км пробега. Имеющийся на настоящее время ресурс электровозов-толкачей гораздо меньше. Следует отметить, что Восточно-Сибирский участок железной дороги характерен явно выраженной неравномерностью грузопотоков в четном и нечетном направлениях. Грузы в основном направляются на восток.
Поэтому толкачи на иркутском участке сопровождают поезда только от Большого Луга до Слюдянки, а обратно возвращаются без поезда, имея холостой пробег. Только половину от общего пробега электровозов-толкачей составляет рабочий. Зная, что при движении без поезда износ колесных пар намного меньше, можно оценить средний ресурс бандажа для рабочего пробега электровоза: он будет примерно в два раза меньше упомянутого. А это порядка 112 тыс. км. Столь малый ресурс нельзя объяснить только большим числом кривых на рассматриваемом участке. Необходимо подробнее разобраться с механизмом износа гребней колесных пар электровозов-толкачей.
Рассмотрим взаимодействие элементов подвижного состава поезда друг с другом. Состав из экипажей с автосцепками представляет собой многозвенный шарнирно-стержне-вой механизм. Звенья этого механизма — экипаж (звено L) и автосцепки (звено 2а, где а — длина автосцепки). Автосцепки подвижны в горизонтальной плоскости на угол, позволяющий вписываться в кривые радиусом 150 м и менее. При растяжении поезда головным локомотивом автосцепки на прямом участке пути располагаются по одной прямой.
Из-за воздействия сжимающей силы от набегающего сзади локомотива-толкача вагоны устанавливаются перед ним в рельсовой колее в зигзагообразную линию. При этом сам локомотив отклоняется от продольной оси пути. В результате появляется составляющая сила, направленная поперек направления движения и прижимающая гребни колесных пар и вагонов, и локомотива к головке рельса, вызывая повышенный износ этих сопрягаемых элементов.
Аналогичная картина наблюдается при торможении головного локомотива, когда состав сжимают набегающие сзади еще не заторможенные вагоны. Имеются две причины возникновения дополнительного группового воздействия колес на путь.
Во-первых, это эксцентриситеты закрепления хвостовика автосцепок в горизонтальной (е) и вертикальной (А-|) плоскости. Значение эксцентриситета е обусловлено отклонением от номинального (проектного) положения хвостовика автосцепки при изготовлении экипажа на заводе, а значение А1, кроме того, обусловлено загрузкой вагона и износом колес. При постановке порожнего вагона в поезд с полногрузными вагонами значение A-j может достигать 100 мм.
Во-вторых, это вертикальные перекосы экипажей при сжатии поезда Аг- В процессе сжатия поезда его звенья L и 2а стремятся перекоситься. Удерживают их в основном положении поперечные связи, роль которых играют тележки с рессорами и колесными парами, взаимодействующие с рельсовой колеей. Из-за наличия зазоров между гребнями и головкой рельса, а также в рессорных, буксовых и пятниковых узлах, из-за извилистого движения экипажей, наличия эксцентриситетов горизонтального и вертикального расположения хвостовиков автосцепок относительно проектной продольной линии осей автосцепок — кузова и автосцепки экипажей располагаются в начале движения с некоторыми начальными перекосами.
Эти перекосы возникают чаще всего по схеме «елочки». При такой схеме групповое дополнительное воздействие колес тележки на путь является максимальным. С увеличением сжатия поезда перекосы растут, вызывая повышение группового (бокового и вертикального) воздействия колес на путь. При этом колеса смежных тележек действуют на разные рельсовые пути, т.е. стремятся распереть колею или сдвинуть ее смежными тележками в разные стороны.
Данное воздействие является основной причиной распоров и сдвигов рельсовой колеи под поездом, а также интенсивного накопления таких повреждений и расстройств пути, как постепенная разуклонка рельсов и расширение колеи, увеличение отказов рельсов по дефектам и боковому износу, нарушение положения колеи в плане, а также износа гребней колес.
Механизм возникновения боковых сил, действующих на рельсовый путь, исследован и описан в книге B.C. Лысюка «Причины и механизм схода колеса с рельса. Проблема износа колес и рельсов» (1997 г.). В ней подробно рассмотрен процесс торможения поезда головным локомотивом и возникающие при этом сжимающие и сдвигающие поперечные силы, вызывающие сход колеса с рельса. Дано также объяснение повышенного износа рельсов в кривых из-за избыточного возвышения наружного рельса.
С физической точки зрения процесс торможения поезда головным локомотивом эквивалентен по силовому воздействию подталкиванию поезда хвостовым локомотивом. Поэтому для оценки величины бокового воздействия на путь в случае подталкивания поезда можно использовать зависимости, приведенные в работе B.C. Лысюка. Так, боковое групповое воздействие на путь Нg из-за перекосов по схеме «елочка» при горизонтальном перемещении кузова б определяется выражением:
Таким образом, поперечная составляющая сжимающей силы имеет довольно большую величину. За счет прижатия этой силой гребней колес к головке рельса существенно увеличивается износ и колеса, и рельса. Силы уменьшаются от хвоста поезда к его середине, но действуют на все колесные пары вагонов. Повышенное сопротивление вагонов движению вызывает увеличение энергопотребления.
Эти дополнительные силы сопротивления необходимо учитывать в тяговых расчетах. Тяговые двигатели электровоза-толкача зачастую вынуждены работать с перегрузкой, что из-за их перегрева способствует потере изоляцией своих свойств и выходу двигателей из строя. Повышенные вращающие моменты приводят к спрессовке малых шестерен тяговых двигателей, к проворотам бандажей и развитию боксования.
Указанные отрицательные факторы вынуждают искать пути уменьшения вредных воздействий. Один из таких возможных вариантов предусматривает изменение схемы формирования поезда. Если основной и вспомогательный электровозы размещать в голове поезда, то на подъеме это позволяет избавиться от появления сжимающих сил в поезде.
Однако в этом случае значительно повышаются нагрузки на автосцепки в головной части. Более предпочтительно помещать вспомогательный локомотив в среднюю часть поезда, распределив нагрузки между головным и вспомогательным электровозами пропорционально их мощности.
При этом движение возможно как одним составом, так и двумя раздельно с последующим объединением в один состав после прохождения горно-перевального участка. (Последний вариант автору представляется более предпочтительным.) Однако и движение по схеме соединенного поезда, состоящего из двух обычных поездов, вполне оправдано при напряженном режиме перевозок.
Для такой схемы можно даже оставлять часть состава сжатой, чтобы уменьшить продольные динамические силы, возникающие из-за случайных возмущений, не допуская ударного взаимодействия больших масс в составе поезда. Устранение поперечных сил и повышенного трения позволит уменьшить сопротивление движению. В результате уменьшатся затраты электроэнергии на тягу поезда, нагрузка на тяговые двигатели, сократятся потери, связанные с повышенным износом колес и рельсов.
Как было сказано выше, возникающие поперечные силы имеют довольно значительную величину. Но насколько они увеличивают сопротивление движению, можно определить только экспериментально.
Для технико-экономического обоснования необходимо провести натурные эксперименты, протянув, а затем протолкав один и тот же состав по одному и тому же участку, используя динамометрический вагон для определения тягового усилия, измеряя токи на тяговых двигателях и общее энергопотребление для обоих вариантов. Следует иметь в виду, что перестановка вспомогательного локомотива в переднюю часть поезда, устранив сжатие состава на подъеме, на спуске при торможении приведет к появлению сжимающих сил в хвостовой части, которая ранее была на спуске растянутой.
Таким образом, уменьшив сопротивление движению и износ колес и рельсов на подъеме, мы увеличим эти параметры на спуске. Однако на подъеме появляющаяся боковая сила, увеличив сопротивление движению, увеличивает тяговое усилие и, соответственно, повышает свою величину. На спуске же появляющаяся боковая сила за счет повышенного трения колеса и рельса уменьшает тормозное усилие, а значит, и свою величину, сокращает продолжительность применения пневматических тормозов. При симметричности профиля подъема и спуска боковая сила на спуске будет меньше, чем на подъеме.
Поэтому износ и колес, и рельсов на спуске, когда электровоз впереди, будет меньше, чем на подъеме, когда электровоз в хвосте поезда. Таким образом, при изменении схемы формирования поезда имеем положительный баланс по износу колеса и рельса, кроме того, экономим электроэнергию и уменьшаем нагрузки на тяговые электродвигатели. При этом нагрузка на тяговые двигатели уменьшается и на подъеме, и на спуске. В случае рекуперативного торможения, кроме всего прочего, пониженные нагрузки уменьшают вероятность перегорания блоков тормозных резисторов.
Возможно также использование схемы формирования поезда, по которой на горно-перевальном участке используются три локомотива: в голове, в хвосте и в средней части состава. При этом, чтобы не допустить движения состава в сжатом положении, на подъеме должны работать головной и средний, а на спуске следует тормозить средним и хвостовым локомотивами. Подобное предложение, возможно, кажущееся странным, может оказаться с экономической точки зрения вполне приемлемым.
Конечно, имеется ряд неудобств, связанных с разъединением и объединением составов. Хотя в данном случае можно производить сокращенное опробование автотормозов поезда, когда состояние тормозной магистрали контролируется по работе тормозов только двух хвостовых вагонов, неизбежно будут дополнительные потери времени. Поэтому надо все взвесить перед принятием решения, включая, конечно, и обеспечение безопасности движения.
Появляющиеся вопросы, связанные с изменением схемы формирования поезда, при желании вполне решаемы. В то время как локомотивная служба и служба путевого хозяйства могут получить реальную экономию, служба перевозок обретет только лишние хлопоты. Создается знакомая ситуация с лебедем, раком и щукой. Сдвинуться с места можно лишь совместными согласованными усилиями. Однако каким образом заинтересовать движенцев?
Не только на горно-перевальных, но и на равнинных участках при формировании длинносоставных поездов с распределенной тягой зачастую локомотив размещают в хвосте поезда. Но стоит ли из-за реализующегося при этом режима подталкивания создавать дополнительное сопротивление движению, чтобы потом тратить энергию на его преодоление?
Рассмотренный механизм возникновения поперечных сил при использовании электровозов-толкачей позволяет иначе взглянуть на лубрикацию рельсов. Принятая техноло-
гия предусматривает смазывание рельсов только в кривых (притом, одного рельса). Но, как видим, при использовании толкачей и на прямых участках проявляются поперечные силы, прижимающие гребень колеса к головке рельса, вызывающие повышенный износ и увеличивающие сопротивление движению.
Следовательно, надо смазывать оба рельса как в кривых, так и на прямых участках пути. Там, где лубрикация рельсов не применяется, коэффициент трения на боковой грани рельса может достигать 0,35... 0,45. При коэффициенте 0,25 и более начинается интенсивный износ, сопровождающийся вырывами металла с контактируемых поверхностей гребней колес и рельсов.
Поэтому технология лубрикации предусматривает поддержание коэффициента трения на боковой грани рельса не выше 0,15... 0,2. За счет уменьшения сопротивления движению поездов можно существенно снизить расход локомотивами энергии на тягу не только в кривых, но и на прямых участках.
Кроме того, следует внимательно проанализировать организацию работы рельсосмазывателей. Например, на закрепленном за депо участке Иркутск-Сортировочный — Андриановская предусматривается работа двух рельсосмазывателей: в дневную и ночную смены. При этом до ст. Большой Луг участок равнинный, а от Большого Луга до Ан-дриановской — затяжной подъем со множеством кривых.
Анализ работы рельсосмазывателей за последние годы показывает, что периодически в дневную смену в 75 % поездок не удается добраться до конечной точки маршрута, в то время как в ночную смену в 75 % случаев удается достичь конечной точки. Такая ситуация обусловлена тем, что поездные диспетчеры не пропускают рельсосмазыватель, вынуждая его подолгу простаивать.
Порой поездной бригаде приходится по 5 ч добираться от Иркутска-Сортировочного до Большого Луга, в то время как на электричке этот путь занимает чуть больше 1 ч. Получается, что при сложившейся практике хуже всего смазывается наиболее трудный участок пути. Многочисленные телеграммы и обращения локомотивщиков кардинально ситуацию не меняют. В связи с наблюдающимся ростом перевозок она может даже ухудшиться. Поэтому необходимо искать новые подходы для повышения эффективности работы рельсосмазывателей.
Так, если имеются большие потери времени при движении на участке до Большого Луга, то надо уменьшить пробеги на данном участке. Для этого электровоз с запасом смазки на сутки работы может отправиться в ночную смену из Иркутска. По окончании смены его следует оставить в Большом Луге, куда должна подъехать дневная локомотивная бригада. После приемки электровоза дневная бригада будет работать на участке Большой Луг — Андриановская, а по окончании смены вернет электровоз в депо Иркутск.
К этому времени на линию выйдет второй рельсосмазыватель. Если обеспечить приготовление и хранение смазки на станции Большой Луг, то рельсосмазыватель может еще реже заходить в депо. Таким образом удается выправить ситуацию, когда бригады рельсосмазывателей используют локомотивы в качестве трамваев, чтобы добраться до места работы, которая начинается со ст. Большой Луг и далее. Подобное использование локомотивов весьма нерационально во многих отношениях (по времени быстрее добираться на электропоезде).
Хотелось бы надеяться, что изложенные в данной статье соображения привлекут внимание специалистов и найдут практическое применение.
Инж.
В.В. БОНДАРИК, депо Иркутск-Сортировочный Восточно-Сибирской дороги
