Электромагнитная наплавка рельсового стыкового соединителя
ЛОКТЕВ А.А., Российский университет транспорта (МИИТ), докт. физ.-мат. наук, ЛЮДАГОВСКИЙ А.В., РУТ (МИИТ), докт. техн, наук, ШИШКИНА И.В., РУТ (МИИТ), канд. техн, наук, ПОЛУХИН В.А., РУТ (МИИТ), аспирант
Аннотация. В статье проанализированы причины неисправности рельсового стыкового соединителя. Представлены данные пятна нагрева при электромагнитной наплавке для дальнейших исследований с целью ликвидации дефекта приварки рельсового стыкового соединителя.
Ключевые слова: железнодорожный путь, рельсовые соединители, сварка, пятно нагрева, ток.
Рельсовая нить представляет собой электрическую цепь, в которой имеется источник питания и нагрузка (путевое реле). По ней идет передача сигнала (рис. 1).
Сигнальный ток подается от передающего устройства к поезду по одному рельсу, протекает через замыкающую рельсы между собой колесную пару и возвращается к передающему устройству по другому рельсу. При этом рельсы и колесная пара образуют рамку с током, магнитное поле которой улавливается приемными катушками, подвешенными перед первой колесной парой на высоте ПО—240 мм над рельсами. Будучи одним из основных элементов системы безопасности, рельсовые цепи сложны и затратны в эксплуатации [1].
Все применяемые в настоящее время рельсовые соединители имеют существенные недостатки, приводящие к большому количеству отказов рельсовых цепей.
Высокая интенсивность отказов соединителей вызвана возникающими в процессе их эксплуатации неисправностями. К наиболее характерным из них относятся следующие: обрыв соединителя в месте приварки к рельсу (рис. 2), ненадежный контакт между тросом и манжетой.
Обрыв соединителя объясняется недостатками в технологии его приварки к рельсу, а также некачественным ее выполнением, как правило, в сложных полевых условиях.
Количество отказов работы типовых соединителей растет с каждым годом. Неоднократная приварка их к одному и тому же рельсу ухудшает качество сварного шва и вредно для структуры металла.
По существующим нормам соединители приваривают к боковой нерабочей грани стандартного рельса так, чтобы верхняя часть манжеты находилась ниже поверхности катания рельса. Однако в результате износа рельсов и технологических отклонений манжета соединителя оказывается на меньшем расстоянии от поверхности катания рельса и поэтому, часто подвергаясь ударам колес подвижного состава, повреждается ими. При перевозке рельсов и других материалов двухребордные путевые тележки (модероны) гребнем своих колес отбивают соединители. Также соединители могут быть повреждены зимой при работе электробалластера щетками, подкладками или костылями в результате угона рельсов, путевым инструментом при очистке стыков.
Ненадежный контакт троса соединителя с манжетой обусловлен рядом технологических и конструктивных причин, которые приводят к увеличению переходного сопротивления и, в конечном счете, к обрыву. Проведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что такое нарушение происходит, главным образом, после установки соединителя в путь за счет разогрева манжеты в процессе ее приварки к рельсу. В этом случае происходит деформация, ослабление усилия обжатия троса, а также окисление контактирующих поверхностей. Переходное сопротивление «трос—манжета», а следовательно и полное сопротивление самого соединителя увеличивается, поэтому он вскоре оказывается непригодным к работе.
Поток отказов соединителей настолько велик, что работники службы пути иногда не в состоянии своевременно производить их замену. В зимнее время приварка соединителей к рельсам по техническим условиям запрещена при температуре ниже +5 °C, поэтому путейцы вынуждены устанавливать недостаточно надежные штепсельные соединители или вообще оставлять стык без него, что ведет к отказам рельсовых цепей [2].
Рассмотрим формирование анодного пятна и пятна нагрева при воздействии на стальную пластину [3]. Для эксперимента использованы полюсный наконечник диаметром 16 мм и 19 мм, сварочный аппарат ВД-306 с диапазоном используемых токов 80— 320 А и напряжением 34 В, стальной лист толщиной 1,5 мм. Рабочий зазор принят равным 6 мм.
Согласно проведенным расчетам выбрано значение силы сварочного тока 80 А, соответствующее температуре нагрева стали 1400—1500 °C. Увеличение значения тока вызывает повышение предельных температур и приводит к проплавлению пластины. Геометрия пятна нагрева и его структура представлены на рис. 3.
На фото видно, что размер а) пятна нагрева несколько больше, чем анодного пятна, потому что удельный тепловой поток убывает с удалением от центра пятна медленнее, чем плотность электрического тока. Кольцевая зона пятна нагрева лежит вне активного пятна, так как нагревается конвективным теплообменом с пламенем дуги, а также лучистым теплообменом со столбом дуги и пятном на полюсном наконечнике.
Очевидно, что плотность тока значительна и убывает до нуля в кольцевом элементе анодного пятна.
Также чем больше диаметр полюсного наконечника, тем больше площадь активного пятна, как следствие, меньше плотность тока и предельная температура.
Для более точного изучения полученных пятен, их площади, распределения плотности тока и теплового потока, совместим масштабы снимка в программе «KOMIIAC-3D» (рис. 4), подобрав масштаб фотографий отпечатков к оригиналу 1:1. Для замера воспользуемся наиболее четким отпечатком анодного пятна.
Определим реальные площади анодного пятна и пятна нагрева в программе «КОМПАС-ЗО». В результате получаем, что площадь анодного пятна, включая кольцевой элемент, равна 209,5 мм2, радиус анодного пятна — 8,2 мм, площадь пятна нагрева — 700,7 мм2, следовательно, радиус пятна нагрева равен 14,9 мм.
Установив значения площади анодного можно определить плотность тока в активном а также представляется возможным получить ние коэффициента сосредоточенности, подобрав его
графически. Учитывая предположение, что плотность тока в средней части наиболее значительна и убывает до нуля на границе активного пятна, подбираем его значение, а именно, чтобы кривая распределения плотности тока прямо пропорционально убывала к границе анодного пятна, в чем возможно убедиться визуально (см. рис. 4, б). Для изучаемого анодного пятна необходимое значение коэффициента сосредоточенности к составит около 8 см-2, как в наибольшей
степени удовлетворяющее сделанному предположению. Другие значения коэффициента сосредоточенности, как видно из графика (рис. 5), неприменимы, так как экспоненты полученных кривых не совпадают с границами изучаемого пятна.
При правильно подобранном значении коэффициента сосредоточенности для опытного образца наибольший поток плотности тока в центре дугового пятна составит 203,72 А/см2.
Из графика видно, что экспонента при подобранном коэффициенте сосредоточенности со значением к = 8 см-2 наиболее точно убывает по диаметру анодного пятна, полученному опытным путем. В результате исследования можно утверждать, что определение значения коэффициента сосредоточенности эффективно проводить графическим способом, предварительно измерив реальные размеры пятна и значения физических величин.
Коэффициент сосредоточенности оказывается очень важным показателем для оценки сварочного источника тепла. Явление различия провара в зависимости от полярности дуги можно объяснить различной концентрацией мощности, выделяемой в изделии приэлектродной областью дуги и жидким металлом с электрода. Поэтому учесть разность проваров можно, используя при расчете различную сосредоточенность теплового потока источника тепла [4].
Известны два метода определения этого коэффициента: с помощью калориметров той или иной конструкции и путем анализа следов проплавления на поверхности металла. Предложенный метод определения коэффициента сосредоточенности с помощью цифровых технологий расширяет возможности повышения качества проверки электромагнитной наплавки рельсовых стыковых соединителей.
Список источников
1. Киякина Т.Е., Селиверов Д.И. Причины сбоев в работе автоматической локомотивной сигнализации, методы решения проблем // Технические науки в России и за рубежом (II): материалы II Международной научной конференции. М.: КТ «Буки-Веди», 2012. С. 47-49. EDN: VYHUMP.
2. Повышение надежности рельсовых соединителей / под ред. М.М. Кирилова. М.: Транспорт, 1976. 33 с.
3. Шишкина И.В. Исследование сварных стыков стрелочного перевода // Путь и путевое хозяйство. 2020. № 5. С. 32-35. EDN: SXUJIC.
