[05-1999] Взаимодействие колеса и рельса

[Admin]

Взаимодействие колеса и рельса

А.П.БУЙНОСОВ, канд. техн. наук

Износ рельсов и гребней колес подвижного состава, особенно в кривых участках пути, последнее время стал бедствием на дорогах Российской Федерации. Локомотивщики, путейцы и вагонники дружно соглашаются, что этот процесс налицо, но в то же время утверждают, что причина износа не имеет отношения к их хозяйству. А проблема-то комплексная!

При движении состава, особенно в кривых участках пути, трение, возникающее между гребнями колес и головкой наружного рельса, приводит к их износу, который возрастает с уменьшением радиуса кривых, ростом осевых нагрузок и скоростей движения. Так, с увеличением скорости на каждые 10 км/ч на 4—14 % повышаются боковые силы, пропорциональные вертикальному давлению колеса на рельс.

На износ колес и рельсов влияют также соотношение твердостей сталей колес и рельса, ширина колеи, разница в диаметрах бандажей, перекос колесной пары в раме тележки, нормы устройства и допуски содержания пути и подвижного состава, очертание поверхности катания колеса, отсутствие взаимной .увязки норм содержания пути и ходовых частей подвижного состава и многое другое.

Твердость колеса и рельса

На русских железных дорогах особое внимание уделяли износу бандажей колес локомотивов. С этой целью в 1881 г. специальная комиссия под руководством инженера В.М.Верховского, организованная «Русским техническим обществом», после исследования бандажей и рельсов предложила использовать для их изготовления сплавы средней твердости, но приближающиеся к твердости стали. Параллельно опыты с бандажами проводили Дэдлей (США), Грюнер (Франция) и Вильямс (Англия). Они настаивали на применении более мягкой стали. Однако последующая эксплуатация железных дорог подтвердила все же 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 то же время могут служить, не причиняя опасности, продолжительное время».

Общепризнанным считается мнение участников международного симпозиума по износу в 1936 г. Они утверждали, что с увеличением твердости износостойкость повышается. При этом допускаемая наибольшая твердость колес ограничивается, главным образом, их стойкостью против поломок. Значит, при достаточной поверхностной твердости бандажей сердцевины их должны обладать необходимой вязкостью. Следовательно, восстановленные профили бандажей необходимо упрочнять по поверхности катания. В то же время некоторые специалисты считают, что при закаленных бандажах усилится износ рельсов и снизится коэффициент сцепления. Опасения вызывает также возможность появления трещин на закаленных колесах в процессе эксплуатации. Но анализ ряда работ, проведенных в Российской Федерации и за рубежом, показывает, что такие прогнозы необоснованны. При контакте твердый бандаж и твердый рельс меньше истирают друг друга. Пара «мягкое колесо— твердый рельс» взаимодействует хуже.

В России всегда тщательно подбирали металл для бандажей. В первых технических условиях на поставку паровозов указывалось на необходимость изготовления бандажей из «лучшего железа». Стальные бандажи начали делать в 1867 г.

Исследованию твердости всегда уделяли большое внимание, так как этот показатель позволяет косвенно судить о некоторых физико-химических свойствах материала. Характер изменения твердости хорошо коррелирует с износостойкостью. Длительное время считали, что изнашивание поверхностей трения — результат микрорезания ее твердыми частицами. Поэтому износостойкость увязывали с повышением твердости деталей.

На основных направлениях дорог России в пути лежат рельсы типов Р75, Р65 и Р50, а на малодеятельных участках Р43, 1-а, Р38 (9 % протяженности сети). Какой же тип рельсов рациональней? Исходить надо из того, что они должны быть прочными, долговечными (сталь с высокой твердостью, износостойкостью и вязкостью). Качество стали определяют химическим составом, микро- и макроструктурой. Углерод повышает ее твердость, марганец — твердость, износостойкость и вязкость, а кремний — твердость и износостойкость. Для Р50 и Р65 (Р75) доля углерода при марках стали М74 и М76 увеличена соответственно с 0,69—0,80 до 0,71—0,82 %.

Объемно-закаленные рельсы повышенной массы начали выпускать с целью снижения контакта о-у ста-лостных повреждений. Однако нужных результатов не добились. Так, для Р50 доля контактно-усталостных повреждений составила 40 %, а для Р65 — 50 %, Р75 — 70 %. Кроме того, площадка контакта бандажа с рельсом смещается в зону рабочей выкружки рельсов, при этом образуется наклепанный слой толщиной 5—10 мм. Такому явлению способствовали требования ГОСТ 8161—85 относительно нового профиля головки рельса с увеличенным до 15 мм радиусом, выкружки, что привело к принудительному двухточечному контакту колеса и рельса в стадии их приработки. В результате почти все колеса стали взаимодействовать с рельсами по двухточечной схеме, отчего интенсивнее стали изнашиваться и гребни, и рельсы. Следует ли отсюда вывод, что объемно-закаленные рельсы типов Р65 и Р75 хуже? Однозначно на этот вопрос ответить нельзя. Почему? Дело в том, что твердость поверхностей трения бандажа и рельса к концу приработки стабилизируется независимо от их начального состояния, так как при эксплуатации изменяются физикохимические свойства их поверхностей.

Процессу изнашивания свойственно непрерывное деформирование, разрушение и воссоздание на отдельных участках поверхностного слоя со стабильными свойствами. Износ бандажа и рельса влияет на свойства сопряжения. Наклепанный рабочий слой металла на поверхности катания колес деформируется. Если твердость поверхности катания нового бандажа составляет 255—320 НВ, то наклепанного достигает 600. При этом твердость изменяется не только вдоль профиля поверхности катания, но и вглубь колеса от максимального значения до твердости исходного материала.

Для того чтобы бандажи колесных пар локомотивов не разрушались под воздействием ударно-переменной нагрузки, их материал должен быть вязким. Но так как давление колес на рельсы передается по небольшим площадкам, необходимо, чтобы металл (особенно верхних слоев поверхности катания рельсов и гребня) обладал достаточным сопротивлением смятию, износу, контактно-усталостным повреждениям, то есть был бы твердым, но не хрупким. Причем, твердость бандажа не должна вызывать затруднений при периодических обточках для восстановления заданного профиля.

Какое должно быть соотношение твердостей бандажа колесной пары локомотива и рельса? Ведь ежегодно из пути преждевременно изымается из-за дефектов контактно-усталостного происхождения около 100 тыс. рельсов, замена их обходится в десятки миллионов рублей в год, а преждевременный износ бандажей колесных пар приводит к нерентабельному расходованию средств.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает бандажи семи марок. Твердость бандажей марки 1 — 248 НВ, марки 2 — 269 НВ, марки 3 — из стали с ванадием на поверхности катания — 275 НВ, а гребня — 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 он и рельсы истираются. Однако процесс взаимодействия этих элементов наиболее рационален при одинаковой их твердости. Комбинация мягкого бандажа с твердым рельсом значительно хуже, о чем говорят исследования инженера К.И.Домбровского в 1962 г., согласно которым минимальный износ достигается при соотношении твердости бандажа и рельса в пределах 1—1,05. Эксперименты, проведенные кафедрой «Электрическая тяга» Уральской государственной академии путей сообщения Свердловской дороги 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) поверхности головки термоупрочненного рельса начинают разрушаться, металл отслаивается. В этом случае именно из-за повышенной твердости головка рельса хуже притирается к профилю бандажа колесной пары. В конечном итоге происходит интенсивный износ гребней, которые соприкасаются с острым накатом головки рельса.

На мой взгляд, серьезным заблуждением была попытка уменьшить износ рельсов за счет укладки в путь более мощных с повышенной твердостью. Вероятно, правильнее бы было устанавливать сочетание колеса и рельса в зависимости от конкретных условий эксплуатации и ремонта, как подвижного состава, так и пути. Поэтому считаю необходимым пересмотреть технические условия № 388—81 на сталь для увеличения твердости бандажа. В настоящее время разумнее использовать воздушно-плазменное упрочнение колесных пар локомотивов без их выкатки для упрочнения поверхности колес подвижного состава до твердости объемно-закаленных рельсов, что, несомненно, существенно уменьшит и их боковой износ, и гребней.

Перекос колесных пар локомотивов

Один из факторов, влияющих на интенсивный износ, особенно в кривых, — перекос колесных пар относительно рамы тележки. Первая из них при входе в кривую начинает, поворачиваться вокруг ее центра (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 они обе занимают положение, близкое к радиальному (продольные оси перпендикулярны радиусу кривой). Перекос колесных пар возникает чаще всего по схеме «елочки», и тогда воздействие колесных пар на путь максимальное. Наиболее чувствительны к перекосам, вызванным продольными сжимающими силами, современные электровозы серий BJT10, BJI11, BJT80. При торможении воздействие на путь увеличивается, так как колеса смежных тележек действуют на разные рельсовые нити, стремясь 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 движении локомотива по круговой кривой тележки относительно кузова не поворачиваются. Ход тележки в кривой в каждый момент времени можно представить в виде суммы поступательного движения с линейной скоростью по направлению к ее продольной оси и вращательного вокруг мгновенного центра (полюса) поворота, расположенного в точке пересечения продольной оси и радиуса кривой.

Суммарный перекос колесной пары увеличивается в зависимости от радиуса кривой. 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 колесной пары или второй. Причиной дополнительного перекоса направляющих колесных пар может быть также разница толщины корпуса буксы справа и слева. Смещение износа по профилю бандажа и разность износа 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 тележки. К такому положению тележки могут привести различные диаметры бандажа по кругу катания после их обточки и различная конусность его профиля. 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, как его называют на нашей кафедре, «облегающий контакт». В результате этого резко повышается 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 определяется допускаемым углом перекоса при выпуске из ремонта и при содержании экипажа в период эксплуатации. В зависимости от величины перекоса будет возрастать износ бандажей и, соответственно, снижаться пробег локомотивов между их обточками.

К сожалению, на практике этому не придают должного значения и в большинстве случаев устраняют износ гребней бандажей, а не стремятся его предотвратить, соблюдая технологию ремонта колесных пар и их сборки в рамах тележек. Всем известно, что на износ бандажей и рельсов существенно влияют конструкции тележек и условия их содержания. Исследованиями Уральской государственной академии путей сообщения установлено, что износ бандажей колесных пар увеличивается пропорционально перекосу колесной пары в раме тележки.

Увеличение нагрузки на ось колесной пары

В начале 90-х годов недостаточно обоснованное решение об увеличении загрузки вагонов до 72 и даже до 80—90 т вместо 61 т при одновременном снижении скорости движения и неизменном возвышении наружного рельса в кривых участках пути, рассчитанном для более высоких скоростей, значительно ухудшило состояние механической части подвижного состава и пути.

С ростом нагрузки увеличился объем поверхностных слоев металла, подвергаемых деформации, что привело к повышению температуры при контакте бандажа и рельса. По данным И.В.Крагельского, нагрузка нелинейно влияет на интенсивность изнашивания, имея вид степенной функции. Английские исследователи Спура и Ньюкомб доказали, что интенсивность изнашивания прямо пропорциональна нагрузке. В настоящее время нагрузка на рельс в зоне контакта с колесом в пять раз больше нормы.

Специалисты Уральской государственной академии путей сообщения сделали вывод, что с ростом нагрузки на колесную пару бандажи быстрее изнашиваются, а при неправильном распределении нагрузки на колесо снижается пробег колесных пар. Регулировка рессорного подвешивания по осям способствует равномерному износу как бандажей, так и рельсов. Повышение нагрузок грузовых вагонов до 20—21 т/ось ограничило возможность самоустановки колесной пары в радиальное положение при прохождении кривых участков пути.

Подуклонка рельсов

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

При неисправной экипажной части локомотива наблюдаются распор и сдвиг колеи, а также износ гребней колесных пар. Постепенная разуклонка рельсов особенно ярко проявляется в кривых малого радиуса на тормозных участках в конце затяжных спусков. При исследованиях специалисты Уральской государственной академии путей сообщения обнаружили участки с подуклонкой 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, что объясняется неравномерным износом шпал под наружными и внутренними концами подкладок, особенно в кривых малого радиуса и на тормозных участках.

Возвышение наружного рельса в кривой

Возвышение наружной нити в кривой устанавливается приказом начальника дороги в соответствии с инструкцией ЦП/2913 в зависимости от ее радиуса и скорости движения по ней поездов. Согласно этому документу возвышение наружного рельса над внутренним находят по формуле

где R — радиус кривой.

При Vcp =100 км/ч получаем Н < 150 мм, а в действительности (например, на Левшинской дистанции пути Свердловской дороги) техническая скорость движения поездов по одному из участков VTex = 68 км/ч и тогда Н = 109 мм. Правомочен ли расчет по этой формуле для кривых малого радиуса, где особенно четко прослеживается зависимость износа от возвышения наружного рельса? Ведь в ней используется не фактически реализуемая средняя скорость движения (V ), а завышенная. Кроме того, при определении скорости необходимо учитывать неисправности локомотива, не позволяющие ему реализовать максимальную силу тяги (которая на многих дорогах берется за основу при определении массы поезда и скорости его движения), а также предупреждения об ограничении скорости.

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

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 наших дорогах чаще наблюдается избыток возвышения. Почему так происходит? Некоторые считают, 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 так, скорее, наоборот. Избыток возвышения наружного рельса в кривой провоцирует сход подвижного состава, который «вкатывается» гребнем 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, т.е. наружный рельс по сравнению с внутренним нагружен больше колесными парами подвижного состава, то бандажи будут скользить по внутреннему рельсу. Тогда гребни не прижимаются к внутреннему рельсу, и неизбежны вертикальный износ рельсов внутренней нити, образование проката и уменьшение износа гребней бандажей.

Разность диаметров бандажей колесной пары

Один из факторов, вызывающих преждевременный износ бандажей колес локомотивов, а также пути — неравенство диаметров колес из-за износа бандажей по кругу катания. При движении локомотива в режиме тяги скольжение бандажа с большим диаметром протекает интенсивнее, чем с меньшим. При торможении — наоборот, поэтому разница в диаметрах в процессе эксплуатации постоянно изменяется. В локомотивных депо наблюдали за электровозами серии BJI22M, ВЛ11 и Э13. Диаметры бандажей колес измеряли электронным переносным прибором ИД-01, созданным в УрГАПСе. Статистический материал разделили на группы, соответствующие изменению разницы диаметров бандажей. ADflon =1,7 мм, 2,1 мм, 2,2 мм — это допустимые для эксплуатации значения, так как при величине, большей, чем ДОдоп, интенсивность износа гребня возрастает, что приводит к большему 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 колесные пары меньшего диаметра склонны к боксованию, вследствие чего бандажи быстрее изнашиваются.

Ширина колеи

В путевом хозяйстве не редкость, когда ширина колеи меньше допустимых норм. Как она влияет на боковой износ? Конечно, ему способствует проскальзывание колеса по наружной рельсовой нити. Это явление можно предупредить, исходя из геометрических размеров колесной пары и рельсовой колеи, а также условий вписывания в кривые.

С переходом на колею 1520 мм возросла вероятность проскальзывания колеса по рельсу, что увеличило интенсивность бокового износа. Заметную роль при этом играет коэффициент 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 резонанс, сопровождающийся резким возрастанием силового взаимодействия.
В настоящее время на сети наших дорог укладывают три вида железобетонных шпал: С56-1, С56-2 и 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. Приняв во внимание особенности обслуживания пути с железобетонными шпалами, специалисты предположили, что под нагрузкой ширина колеи должна дополнительно сузиться. Чтобы проверить свои опасения, работники УрГАПС сделали более 8 тыс. замеров (в статике) зимой и летом на участках обращения электровозов серии ВЛ11 при отсутствии бокового износа рельсов, после чего убедились в том, что они правы. Ширина колеи под нагрузкой составила 1512,3 мм, а до постановки локомотива на путь — 1520 мм. Только при рациональном сочетании в путевой решетке железобетонных шпал и новых типов рельсов можно (по предварительным расчетам) на 40 % снизить износ гребней колес локомотивов и рельсов.

Применение триботехнического состава НИОД

При соприкосновении колеса и рельса поверхностная энергия может выделяться в виде теплоты или затрачиваться на подстройку в кристаллической решетке одного кристалла к другому. Поверхностный слой формируется в результате разнообразных технологических процессов, которые не только придают ему необходимую форму, но и изменяют физико-химические и прочностные свойства.

Подбирая соответствующие технологические процессы, можно многократно повысить прочность поверхностного слоя, стойкость его к напряжению (износостойкость), а следовательно, увеличить долговечность колесных пар и рельсов, т.е. их технический ресурс и срок службы. Чтобы как можно дольше сохранить трущиеся поверхности, обычно стремятся повысить их твердость, используя традиционные методы — цементирование, азотирование, закалку, наплавку твердыми материалами, цианирование, хромирование и другие.

Один из эффективных методов, реализуемых в последнее время с помощью несложного оборудования, — обработка трущихся поверхностей триботехническим составом НИОД (нанесение ионного покрытия на детали или наружное ионное обменное действие). С 1995 г. в локомотивных депо Свердловской дороги по предложению сотрудников кафедры «Электрическая тяга» УрГАПС и фирмы «Урал-Тест» гребни бандажей колес обрабатывают угольными стержнями с наполнителем из ТС НИОД (ТУ 0254-002-23124986-96). Со- . став «внедряется» в структуру металла, упрочняя его и «залечивая» поверхностные дефекты после обточки. В результате на поверхности образуется керамическое покрытие, которое резко снижает коэффициент трения гребня бандажа и рельса. В результате интенсивность бокового износа рельсов на участке Свердловск-Пассажирский—Свердловск-Сортировочный (пассажирский ход) уменьшилась на 61 %. Увеличение интенсивности вертикального износа за тот же период на 47 % говорит лишь о том, что условия эксплуатации пути не изменились.

В одной статье невозможно остановиться на всех причинах интенсивного бокового износа рельсов и гребней колес подвижного состава. Только систематическое изучение износа пары «колесо—рельс» учеными и практиками позволит определить основные направления и эффективные способы его предотвращения.

[СЦБот]

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

Перенес: Admin