[09-2010] Еще раз об износе колеса и рельса

[Admin]

Еще раз об износе колеса и рельса

А.П. БУЙНОСОВ

Интенсивный боковой износ рельсов и гребней колесных пар подвижного состава, особенно в кривых участках пути, является угрозой для безопасного движения поездов и причиной колоссальных расходов. Актуальность этой проблемы растет по мере снижения срока службы рельсов, бандажей колесных пар локомотивов и цельнокатанных колес вагонов. Этим вопросом широко занимаются на заводах, в вузах и отраслевых научно-исследовательских институтах, ему посвящают систематически проводимые совещания и конференции, монографии и многочисленные журнальные статьи.

Однако локомотивщики, путейцы и вагонники большинства дорог работают над уменьшением износа гребней колесных пар и рельсов в одностороннем порядке. Путейцы и локомотивщики нередко пытаются внушить друг другу, что главная причина интенсивного износа не относится к их хозяйству, а значит, и основные усилия надо прилагать не им. А ведь эта проблема комплексная и нельзя отделить колесную пару от рельсовой колеи. Только постоянное, систематическое наблюдение за износом бандажей колесных пар и рельсов в эксплуатации поможет выявить основные его причины и уменьшить их влияние. Стремление решать вопросы «методом тыка» часто дает нежелательный результат и «выбрасывание денег на ветер». Снижение интенсивности износа не принесло пока ощутимых результатов.

При движении подвижного состава, особенно в кривых участках пути, возникают нагрузки и трение между
гребнем и головкой наружного рельса, что приводит к более или менее интенсивному износу. Эти негативные явления возрастают с уменьшением радиуса кривых, ростом осевых нагрузок и скоростей движения. Так, с увеличением скорости на 10 км/ч повышаются боковые силы на 4—14 %, которые пропорциональны вертикальному давлению колеса на рельс.

На износ влияют также соотношение твердостей бандажа колесной пары локомотива и рельса, ширина колеи, разница в диаметрах бандажей, перекос колесной пары в раме тележки, нормы устройства и допуски содержания пути и подвижною состава, конфигурация профиля поверхности катания колеса, отсутствие взаимной увязки норм содержания пути и ходовых частей подвижного состава и другие причины. Остановимся на некоторых из них.

Твердость колеса и рельса

На русских железных дорогах в первую очередь внимание было обращено на износ таких деталей, как бандажи колесных пар локомотивов. С этой целью в 1881 г. комиссия «Русского технического общества» под руководством инженера В.М. Верховского исследовала износ бандажей и рельсов. В результате она высказала свое мнение в пользу применения сплавов средней твердости, приближающейся, однако, к твердости стали.

В это же время опыты с бандажами проводили Дэдлей (США), Грюнер (Франция) и Вильямс (Англия), которые выступали за использование более мягкой стали. Однако последующая эксплуатация железных дорог подтвердила правильность выводов русских инженеров.

Комиссия В.М. Верховского пришла к заключению, что «нет основания опасаться твердых рельсов и бандажей и что, напротив, необходимо придать им большую степень твердости, но, не делая их хрупкими, так как между жесткостью и хрупкостью есть разница и, если мы опасаемся хрупких бандажей и рельсов, то это не обязывает нас опасаться их твердости: они могут быть тверды и в тоже время могут служить, не причиняя опасности, продолжительное время».

Общепризнанным считается мнение, высказанное участниками международного симпозиума в 1936 г., что с увеличением твердости износостойкость повышается. При этом допускаемая наибольшая твердость колес ограничивается главным образом их стойкостью против излома. Значит, при достаточной поверхностной твердости бандажей их сердцевины должны обладать необходимой вязкостью. Из сказанного следует вывод, что восстановленные профили бандажей колесных пар необходимо упрочнять по поверхности катания. Однако некоторые специалисты опасаются, что закаленные бандажи могут стать причиной повышенного износа рельсов и снизить величину коэффициента сцепления. Сомнение вызывает возможность появления трещин на закаленных колесах в процессе эксплуатации. Ко анализ исследований, проведенных в России и за рубежом, показывает, что такие опасения необоснованны. При взаимодействии твердого бандажа и твердого рельса истирание каждого из них уменьшается по сравнению с парой «мягкое колесо—твердый рельс».

В России всегда уделялось большое внимание выбору металла для бандажей. В первых технических условиях на поставку паровозов указывалась необходимость изготовления бандажей из «лучшего железа*. Производство стальных бандажей в России началось в 1867 г.

Твердость — характеристика, позволяющая косвенно судить о некоторых физико-химических свойствах материала. Она хорошо коррелирует с износостойкостью. Длительное время считалось, что изнашивание поверхностей трения является результатом микрорезания твердыми частицами. Поэтому, естественно, повышение износостойкости связывалось с повышением твердости деталей.

На основных магистралях Российской Федерации уложены рельсы Р75, Р65 и Р50, а на малодеятельных участках — Р43, I-а, Р38 (9 % протяженности сети). Какой же тип рельсов лучше? Ответу на этот вопрос посвящено большое количество статей. Для того чтобы рельсы были прочными и долговечными, сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью и вязкостью. Качество рельсовой стали определяется химическим составом, микро- и макроструктурой. С увеличением содержания в ней углерода возрастает и твердость. Марганец повышает ее твердость, износостойкость и вязкость, а углерод и кремний — твердость и износостойкость. Для рельсов Р50 и Р65 (Р75) доля углерода при марках М74 и М76 увеличена соответственно с 0,69—0,80 до 0,71-0,82 %.

Для снижения контактно-усталостных повреждений были введены в эксплуатацию объемнозакаленные рельсы повышенной погонной массы. Однако это не привело к желаемым результатам. Так, для рельсов типа Р50 доля контактно-усталостных повреждений составляет 40 %, а для Р65 — уже 50 %, Р75 — 70 %. Кроме того, площадка контакта бандажа с рельсом сместилась в зону рабочей выкружки рельсов, при этом образуется наклепанный слой толщиной 5—10 мм. Этому способствует введенный в ГОСТ 8161—85 новый профиль головки рельсов с увеличенным до 15 мм радиусом выкружки. В результате практически все колеса подвижного состава стали взаимодействовать с рельсами по схеме «двухточечный контакт», что является обязательным условием износа.

Следует ли отсюда вывод о том, что объемнозакаленные рельсы типа Р65 и Р75 хуже? Однозначно на этот вопрос ответить нельзя. Почему? Дело в том, что твердость поверх-
ностей трения бандажа и рельса к концу приработки стабилизируется независимо от их начального состояния. За это время происходит передеформирование поверхности и изменение ее физико-химических свойств.

Процесс установившегося изнашивания заключается в непрерывном деформировании, разрушении и воссоздании поверхностного слоя со стабильными свойствами на отдельных участках. Износ бандажа и рельса оказывает большое влияние на свойства сопряжения. При эксплуатации рабочий слой металла колеса претерпевает существенные преобразования. Он становится в значительной степени наклепанным. Если твердость поверхности качения нового бандажа составляет 255—320 НВ (единиц по Бринеллю), то наклепанного достигает 600. Причем изменения происходят как вдоль, так и вглубь от максимального значения твердости материала до исходного.

Для того чтобы бандажи колесных пар локомотивов не разрушались под воздействием ударно-переменной нагрузки, их материал должен быть в определенной степени вязким. Но так как передача давления от колес на рельсы происходит по небольшим площадкам, необходимо чтобы металл (особенно верхних слоев) обладал сопротивлением смятию, износу, контактно-усталостным повреждениям, т.е. был достаточно твердым, но не хрупким и не вызывал затруднений при периодических обточках для восстановления заданного профиля.

Какое должно быть соотношение твердостей бандажа колесной пары локомотива и рельса? Ежегодно из пути изымается по дефектам контактно-усталостного происхождения около 100 тыс. рельсов, годовые потери на их замену составляют несколько десятков миллионов рублей, а преждевременный износ бандажей колесных пар приводит к нерентабельному расходованию средств.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает бандажи семи марок. Твердость бандажей марки I 248 НВ, марки 2 — 269 НВ, марки 3 — бандажи из стали с ванадием по поверхности катания — 275 НВ. гребни — 285 НВ, марок 4—7 (марка 4 — сталь с ванадием 0.02—0,15 %, марка 5 — с бором 0,001—0.005 %, марка 6 — с ниобием 0,01—0,07 %, марка 7 — с синтетическими шлаками) — 277 НВ. Для магистральных путей выпускают рельсы типов Р65 и Р75 с твердостью 360—380 НВ.

Необходимо отметить, что на дорогах Англии, Германии, Франции и многих других стран применяют рельсы более легких типов, с меньшим содержанием углерода, а значит и меньшей твердостью.

Считается, что чем тверже бандаж, тем меньше истирание его и рельса, но во всех случаях истирание второго больше, чем первого. Комбинация мягкого бандажа с твердым рельсом дает значительно худшие результаты, о чем свидетельствуют исследования инженера К.И. Домбровского в 1962 г., которые доказывают, что минимальный износ бандажей и рельсов достигается при соотношении твердости бандажа и рельса в пределах 1,00—1,05. Эксперименты, проведенные кафедрой «Электрическая тяга» Уральского государственного университета путей сообщения на Свердловской дороге, подтвердили теоретические выводы К.И. Домбровского.

В зоне проскальзывания колесной пары относительно рельса температура превышает 600 °С, и при большом перепаде температур и быстром охлаждении (особенно зимой) поверхность головки термоупрочненного рельса начинает разрушаться, металл отслаиваться. В этом случае именно из-за повышенной твердости головка рельса хуже притирается к профилю бандажа. В конечном итоге происходит интенсивный износ гребней колесных пар, которые истираются об острый накат на головке рельса.

Таким образом, серьезным заблуждением была попытка уменьшить износ рельсов, повысив их твердость. Необходимо проблему решать комплексно, применительно к конкретным условиям эксплуатации и ремонта, как подвижного состава, так и пути. Надо пересмотреть технические условия № 388—81 на бандажную сталь для увеличения твердости бандажа. В настоящее время локомотивные депо должны использовать воздушно-плазменное упрочнение колесных пар локомотивов без их выкатки до твердости объемнозакаленных рельсов, что, несомненно, существенно уменьшит боковой износ рельсов и гребней колес.

Перекос колесных пар локомотивов

Один из факторов, влияющих на интенсивный износ гребней бандажей локомотивов и рельсов, — перекос колесных пар относительно рамы тележки. Это явление наблюдается, как правило, в кривых. Процесс движения локомотива по кривой включает три фазы: входа, движения по кривой и выхода. При входе в кривую первая тележка начинает поворачиваться вокруг центра кривой в результате взаимодействия направляющего колеса с наружным рельсом и одновременно относительно пятника кузова. Вторая продолжает двигаться по прямому участку пути, кузов поворачивается вокруг ее подпятника. При входе в кривую второй тележки обе тележки занимают положение близкое к радиальному (продольные оси перпендикулярны радиусу кривой). Перекос колесных пар возникает чаще всего по схеме «елочки», и тогда воздействие их на путь максимальное. Наиболее чувствительны к перекосам, вызванным продольными сжимающими силами, современные электровозы серий ВЛ10, BJ111 и ВЛ80. При торможении влияние на путь увеличивается, так как колеса смежных тележек действуют на разные рельсовые нити, стремясь при этом распереть колею.

На переходной кривой углы поворота тележек относительно кузова будут такими же, но уменьшится динамическое поперечное усилие на кузов, тележки и рельсы при входе в кривую от действия центробежной или центростремительной силы. При прохождении локомотивом круговой кривой тележки относительно кузова не поворачиваются. Ход тележки в кривой в каждый момент времени можно представить в виде суммы поступательного движения по направлению продольной оси с линейной скоростью и поворота вокруг мгновенного центра (полюса), расположенного в точке пересечения продольной оси тележки и радиуса кривой.

Суммарный перекос колесной пары возрастает в зависимости от радиуса кривой. Например, для Rk = 350 м угол перекоса колеса увеличивается примерно на 8 %. В зависимости от комбинаций величины продольного зазора в буксовых проемах тележки возможно множество ситуаций, наиболее характерные из которых — большой зазор с одной стороны или с обеих сторон первой или второй колесной пары. Причиной дополнительного перекоса направляющих колесных пар может быть также разница толщины корпуса буксы справа и слева. Смещение износа по профилю бандажа и разность в износе левого и правого бандажей одной колесной пары зависит от ее перекоса, когда в раме тележки износ по профилю бандажа располагается неравномерно. На отстающей стороне колесной пары по ходу максимальный износ бандажа, который является набегающим, смещен к его внутренней грани, а на противоположном бандаже — к наружной.

Практика показывает, что колесные пары в тележке могут устанавливаться с односторонним перекосом, и тогда правая или левая боковина рамы смещается вперед при движении в одну сторону. При другом направлении движения изменяется и перекос рамы. К такому положению тележки могут привести различные диаметры по кругу качения после их обточки и различная конусность профиля бандажа. При перекосе колесной пары из-за неправильной ее установки в раме или перекоса рамы тележки износ бандажей резко увеличивается, происходит смещение плоскости контакта на коническую часть гребня, так называемый «облегающий контакт», в результате чего резко возрастает износ гребней и рельсов.

На практике трудно рассчитывать на установку колесной пары без перекоса, поэтому возможный максимальный пробег бандажа до обточки при определенной нагрузке на колесную пару обусловливается допускаемым углом перекоса после ремонта и при содержании экипажа в период эксплуатации. В зависимости от величины перекоса увеличивается износ бандажей и, соответственно, снижается пробег локомотива между их обточками. На это не обращают должного внимания и в большинстве случаев устраняют образовавшийся износ гребней бандажей, а не пытаются его предотвратить, соблюдая технологию ремонта колесных пар и их сборки в рамах тележек. На износ бандажей колесных пар и рельсов существенно влияют конструкции тележек и условия их содержания. Исследованиями, проведенными в Уральском государственном университете путей сообщения, установлено, что износ бандажей увеличивается пропорционально величине перекоса колесной пары в раме тележки. Перекос колесной пары на ±5 мм по расстоянию между центрами, снижает ее пробег на 20—25 %.

Длительные эксперименты, анализ конструкции и изучение чертежей тележек показали, что причиной повышенного подреза гребней на электровозах серии BЛ11 и BЛ11м может быть различная величина деформации резиновых втулок валиков поводков тележек. В результате при реализации силы тяги нарушаются межцентровые расстояния в тележке, т.е. статическая установка колесных пар не соответствует динамической. В некоторых поводках были обнаружены раздавленные резиновые втулки.

Таким образом, главные причины интенсивного подреза гребней — разница межцентровых расстояний в тележке более 1 мм при статической и динамической установках колесных пар и поперечное смещение их осей относительно продольной оси рамы тележки более чем на 3 мм. К таким нарушениям может приводить разная жесткость резиновых втулок, напрессовываемых на валики поводков. Чтобы предупредить повышенный износ гребней, поводки, снятые при разборке тележек с нормальным износом гребней, следует при сборке устанавливать на те же места, где они стояли прежде.

Для тепловозов 2ТЭ116 (депо приписки Тюмень Свердловской дороги) при перекосе до 2 мм прогнозируемый ресурс до обточки составляет 263,2 тыс. км, а при значении 3 мм снижается до 50 тыс. км, т.е. в пять раз. При перекосе колесной пары в тележке 1 мм электровозов серии BJ1I1 и ВЛ1 Iм (депо приписки Пермь-Сортировочная и Свердловск-Сортировочный Свердловской дороги) ресурс бандажей до обточки по минимальной толщине гребня составляет 289,6 и 103,2 тыс. км соответственно, при увеличении перекоса до 14 мм ресурс снижается до 48—50 тыс. км.

Таким образом, допустимое значение перекоса колесной пары 1 и 2 мм, при большей величине интенсивность износа гребня будет возрастать, что приведет к большому технологическому износу (потере металла при обточке) при восстановлении профиля бандажа колесной пары электровозов ВЛ 11 и В Л 11м, тепловозов 2ТЭ116 соответственно.

Увеличение нагрузки на ось колесной пары

В начале 90-х годов необоснованно было принято решение об увеличении загрузки вагонов до 72 и даже до 80—90 т вместо 61 т, что привело при одновременном снижении скорости движения и неизменном возвышении наружного рельса в кривых участках, рассчитанном для более высоких скоростей, к значительному ухудшению состояния механической части подвижного состава и пути.

Нагрузка существенно повлияла на разрушение материала при трении, увеличился объем поверхностных слоев, подвергаемых деформации, что послужило причиной повышения температуры при контакте бандажа и рельса. По данным И.В. Крагельского, нагрузка нелинейно влияет на интенсивность изнашивания, имея вид степенной функции. Английские ученые Спур и Ньюкомб доказали, что эти величины прямо пропорциональны друг другу. В настоящее время нагрузка на рельс в зоне контакта с колесом в пять раз больше нормы.

Исследования, проведенные в Уральском государственном университете путей сообщения, позволили сделать вывод о том. что увеличение нагрузки на колесную пару повышает износ бандажей, а при неправильном ее распределении снижается пробег колесных пар. Регулировка рессорного подвешивания по осям способствует равномерному износу, как бандажей, так и рельсов. Повышение нагрузки до 20—21 тс/ось грузовых вагонов ограничили возможность самоустановки колесной пары в радиальное положение при прохождении кривых участков пути.

Подуклонка рельсов

Нормативная величина подуклонки равна коничности бандажей колесных пар в зоне их контакта с поверхностью катания головок рельсов. Подуклонку в 1/20 на пути с деревянными шпалами обеспечивают клинчатые рельсовые подкладки, а с железобетонными шпалами — уклоны поверхностей опорных площадок для установки скреплений. Допускаемое отклонение от нормы подуклонки ±1/30. Таким образом, подуклонка рельсов на прямых и в кривых участках пути не должна быть больше 1/12 и меньше 1/60. Разная подуклонка приводит к интенсивному износу, как гребней колесных пар подвижного состава, так и пути.

При движении локомотива с неисправной экипажной частью наблюдается распор и сдвиг колеи, а также интенсивный износ гребней колесных пар. Постепенная разуклонка рельсов особенно ярко проявляется в кривых малого радиуса на тормозных участках в конце затяжных спусков. При исследованиях специалисты Уральского государственного университета путей сообщения обнаружили участки с под у клон кой 1/150 и даже нулевой, тогда как после среднего ремонта пути она была 1/20. «Динамическая» разуклонка в основном свойственна участкам с деревянными шпалами и костыльным скреплением за счет неравномерного износа шпал под наружными и внутренними концами подкладок, особенно в кривых малого радиуса и на тормозных участках.

Возвышение наружного рельса в кривом участке пути

На любом криволинейном участке пути с максимальным возвышением наружного рельса 150 мм могут возникнуть ситуации, когда поезд вынужден следовать с минимальной (40 км/ч и менее), отличной от расчетной скоростью. Тогда наступает дисбаланс между фактическим возвышением и реализуемой локомотивом скоростью. Это одна из причин чрезмерного возвышения наружного рельса. При этом рельс выступает в роли резца, срезая с гребня колесной пары слой металла в виде стружки, которую можно увидеть на подошве наружного рельса в кривых участках пути. Гребень, в свою очередь, является «абразивным кругом» для рельса при минимальной площади контакта и, значит, больших контактных давлениях.

К сожалению, как показала практика, у многих путейцев существует ошибочное мнение о пользе избытка возвышения и вреде его недостатка. При избытке возвышения в кривой колесные пары локомотивов скользят по наружному рельсу, а при его недостатке — по внутреннему. На дорогах Российской Федерации очень часто наблюдается избыток возвышения. Почему так происходит? Считается, что при максимальном возвышении наружного рельса в кривых разгружается наружная рельсовая нить, и за счет этого уменьшается ее износ и повышается безопасность движения, состав «не вылетает наружу». Но это не совсем гак, скорее всего, наоборот. Избыток возвышения наружного рельса в кривой способствует сходу подвижного состава из-за «вкатывания» гребня бандажа колесной пары на изношенную боковую грань головки рельса. Кроме того, при снижении возвышения наружного рельса в кривой уменьшается боковой износ рельсов и гребней колес.

Если в кривой есть «дефицит» возвышения, те. наружный рельс по сравнению с внутренним нагружен больше колесными парами подвижного состава, то бандажи будут скользить по внутреннему рельсу. В этом случае гребни не прижимаются к внутреннему рельсу, и неизбежен вертикальный износ рельсов внутренней нити, образование проката и уменьшение износа гребней бандажей.

Разность диаметров бандажей колесной пары

Одним из факторов, вызывающих преждевременный износ бандажей локомотивов, является неравенство диаметров колес из-за износа бандажей по кругу катания. При
движении локомотива в режиме тяги скольжение бандажа с большим диаметром протекает более интенсивно, чем бандажа с меньшим. При торможении — наоборот, поэтому разница в диаметрах бандажей при эксплуатации постоянно изменяется.

Для определения зависимости интенсивности износа гребней от разности диаметров бандажей колесной пары в локомотивных депо наблюдали за износом колес электровозов серии ВЛ11. Разница диаметров бандажей колесной пары измерялась электронным переносным прибором ИД-03, разработанным в УрГУПСе. Статистический материал был разбит на группы, соответствующие изменению разницы диаметров бандажей. дельтаДоп = 1,7 мм — допустимое значение разности в диаметрах бандажей колесной пары в эксплуатации, так как при величине, большей, чем ADflon, интенсивность износа гребня будет возрастать, что приведет к большому технологическому износу (потере металла во время обточки) при восстановлении профиля катания бандажа.

В инструкции ЦТ/329 норма разности диаметров колес в тележке не установлена, поэтому в депо пользуются допускаемой разностью в диаметрах всего комплекта, т.е. 16 мм. Такая разница на одной тележке для локомотивов вообще не допустима. Дело в том, что разгружаемые колесные пары и те, которые имеют меньший диаметр, склонны к буксованию, вследствие чего бандажи быстрее изнашиваются.

Ширина колеи

Снижение качества ремонта произошло в последнее время не только в вагонных и локомотивных депо, но в путевом хозяйстве. Не редки случаи укладки пути с шириной колеи ниже допустимых норм. На основе исследований пока не установлена прямая связь между шириной колеи и боковым износом. Но фактором, способствующим и определяющим износ, является проскальзывание колеса по наружной рельсовой нити. Это явление можно предупредить, исходя из геометрических размеров колесной пары и рельсовой колеи, а также из условий вписывания в кривые.

С переходом на колею 1520 мм возросла вероятность проскальзывания колеса по рельсу, что увеличило интенсивность бокового износа. Необходимо отметить здесь роль коэффициента трения: чем он выше, тем быстрее идет затухание колебательного процесса, т.е. использование песка может способствовать уменьшению поперечного смещения экипажа в колее. Если частоты действия внешних сил и собственных колебаний экипажа совпадают, то наступает явление резонанса, сопровождающегося резким возрастанием силового взаимодействия.

В настоящее время на сети наших дорог применяют три профиля железобетонных шпал — C56-1, С56-2, С56-3, которые рассчитаны на рельс Р50, а применение с ними Р65 приводит к сужению колеи до 1516 мм, так как в профиле шпал заложена подуклонка 1/20. Если учесть особенности обслуживания пути с железобетонными шпалами, то возникает подозрение, что под нагрузкой ширина колеи дополнительно сужается. Для проверки произвели более 8 тыс. замеров (в статике) зимой и летом на участках обращения электровозов серии ВЛ11 при отсутствии бокового износа рельсов. Предположение полностью подтвердилось. Ширина колеи под нагрузкой составила 1512,3 мм. а до постановки локомотива на путь — 1520 мм. Это наглядно показывает недопустимость применения существующих железобетонных шпал с рельсами Р65. Необходимы шпалы, рассчитанные на новые типы рельсов, что позволит по предварительным расчетам на 40 % снизить износ гребней колесных пар локомотивов и рельсов.

В одной статье невозможно остановиться на всех причинах интенсивного бокового износа рельсов и гребней колесных пар подвижного состава. Только постоянное и регулярное наблюдение за взаимодействием в системе «колесо-рельс» позволит ученым и практикам определить основные направления и эффективные способы предотвращения износа.

Буйносов Александр Петрович
доцент Уральского государственного университета путей сообщения. E-mail: byinosov@maiI.ru

[СЦБот]

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

Перенес: Admin