Надежность и ресурсосбережение элементов верхнего строения
А.А. БОНДАРЕНКО, Д.А. ЮРЧЕНКО, Г.Р. МАЕРОВ
В соответствии с действующей системой ведения путевого хозяйства основополагающими задачами являются обеспечение безопасности движения поездов с установленными скоростями и эффективное использование материальных, трудовых и финансовых ресурсов.
В настоящее время их выполнение идет параллельно с реализацией Стратегии развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 г., которая предусматривает:
строительство новых магистралей протяженностью более 5 тыс. км, в том числе в районах Крайнего Севера и Сибири более 30 %;
рост грузовых перевозок на 15—20 %, пассажирских — на 10—15 %. Предполагается, что полигон с грузонапряженностью более 70 млн т-км брутто на 1 км в год вырастет в три раза, а в целом она повысится на 86 % протяжения главных путей. Осевая нагрузка увеличится на 15—20 %.
Влияние факторов, способствующих выполнению намеченных стратегических задач, на надежность и эксплуатационные расходы путевого хозяйства представлено на схеме (см. рисунок).
Безусловно, наиболее перспективным направлением является совершенствование и разработка принципиально новых технологий строительства и эксплуатации бесстыкового пути, что должно обеспечить: ликвидацию стыков; значительное уменьшение динамической нагрузки;
существенное (на 30—40 %) снижение эксплуатационных расходов на текущее содержание пути.
Отличительная особенность бесстыкового пути в современных условиях, в том числе на Севере, — это необходимость применения рельсовых плетей, обладающих более высокой твердостью, износостойкостью,
хладостойкостью.
В настоящее время при строительстве новых линий, как правило, должны использоваться только термоупрочненные рельсы, удовлетворяющие вышеуказанным требованиям.
Все более актуальной становится задача предотвращения хрупких разрушений рельсов и упругих клемм промежуточных скреплений при низких температурах. Расчеты рельсовых плетей в основном базируются на неизменности свойств и сопротивляемости зарождению развитию и распространению трещин и в полной мере не учитывают влияние структуры, циклических нагрузок и неоднородности напряженно-деформированного состояния на предельные характеристики стали при низких температурах.
Анализируя силы, действующие на путь при прохождении состава, выявили, что с ростом грузонапряженности, скорости движения, осевой нагрузки воздействие на рельсы и скрепления также увеличивается.
Как показывают статистические данные за последние 5—10 лет, с повышением нагрузок резко возросли боковой износ рельсов, выход остродефектных рельсов по причине недостаточной усталостно-контактной прочности и излом упругих клемм скреплений. При этом отмечено, что образование дефектов происходит чаще в зимний период, особенно в районах Крайнего Севера и Сибири. С удлинением сроков эксплуатации пути количество дефектов также резко увеличивается.
Экспериментально установлено, что на хладостойкость существенное влияние оказывают не только температура, но и воздействие как циклической, так и динамической нагрузок, структура стали, а также наличие и величина повреждений в элементах верхнего строения.
Хладостойкость мелкозернистой стали существенно выше, чем крупнозернистой. Эксплуатационные свойства рельсовых сталей (твердость, износостойкость, прочность, ударная вязкость) во многом определяются такими параметрами термомеханической обработки как температура и скорость нагрева при аустенизации, а также температура и скорость охлаждения.
Отличительной особенностью объемнозакаленных рельсов является то, что при сварке плетей и эксплуатации (при торможении поездов, на участках электротяги, при проведении ремонтных работ, в том числе с применением алюминотермитной сварки) отдельные их участки подвергаются неоднократному повторному нагреву и охлаждению, которые оказывают существенное влияние на структурные фазовые превращения. Также этому способствует постоянное механическое воздействие внешних сил, особенно при больших отрицательных температурах. При определенных условиях (например, при наличии остаточного аустенита и низких температурах) не исключена возможность образования хрупкой мартен-ситной структуры. Можно предположить, что именно она является причиной трещинообразования в зоне сварных швов в условиях Сибири.
На кафедре «Путь и строительство железных дорог» СамГУПСа разработаны и запатентованы способы сварки рельсовых плетей методом давления с подогревом и упрочнения сварных швов ударными волнами, динамического микролегирования износостойкими микропорошками, которые существенно повышают физико-механические свойства рельсовых сталей.
Чем больше нагрузки колесных пар на рельсы и скорости движения, чем выше грузонапряженность линии и частота воздействия нагрузки на рельсы, тем больше должны быть моменты инерции и сопротивления рельсов, выше прочность, износостойкость, твердость и вязкость металла и его сопротивляемость (выносливость и временное сопротивление) общим и местным динамическим напряжениям (особенно контактным) элементов верхнего строения.
За последние годы учеными и ведущими специалистами отрасли разработаны и внедрены промежуточные скрепления типа
АРС-4,
ЖБР-65,
КН-65,
КНУ-65, хорошо зарекомендовавшие себя при эксплуатации на большинстве дорог страны. Однако выявлены и их отдельные недостатки, устранение которых возможно при совершенствовании технологии их производства.
На наш взгляд, повышение ресурса работы изделий из прутковых материалов, в том числе и упругих клемм можно обеспечить методом термомеханической обработки высокоуглеродистых сталей, которая способствует повышению ударной вязкости в 1,5—1,8 раза, прочности на изгиб на 20—40 %.
Для предотвращения изломов рельсов и упругих клемм при эксплуатации пути, в том числе при низких температурах в условиях Крайнего Севера и Сибири особо важное значение имеет уменьшение динамических нагрузок. Для их снижения, исключения возникновения в рельсах контактно-усталостных дефектов на кафедре проводят оптимизацию параметров профильного шлифования. Кроме того, разработаны промежуточные скрепления с демпфирующими прокладкам/i, обеспечивающими снижение воздействия на рельсы циклических динамических нагрузок на 30—40 %.
Совершенствование технологических процессов, несомненно, способствует повышению надежности и работоспособности
бесстыкового пути.
В целом комплекс работ, направленный на термомеханическое упрочнение рельсов, сварных стыков, упругих элементов промежуточных рельсовых
скреплений позволит увеличить их межремонтный ресурс до следующих значений:
рельсов — до 1,2 млрд т груза брутто;
рельсовых скреплений — до 900 млн т груза брутто;
сварных стыков — до 1000 млн т груза брутто.
