[09-2015] «Колесо-рельс»: средства от износа

[Admin]

«Колесо-рельс»: средства от износа

В отраслевой печати сообщается, что на сети дорог ОАО «РЖД» широко развивается полигонная технология лубрикации — применяются специальные вагоны-рельсосмазыватели (ВРС). Оказывается, только в 2013 г. их было поставлено около 60 единиц. Немаловажно, подчеркивают СМИ, что вагоны-рельсосмазывате-ли работают в составе пассажирских поездов и проходят за сутки более 1000 км. Вагонам ставят плюс за то, что они могут взять на борт больше смазки. А на Дальневосточной магистрали в это время также решается вопрос о скорейшем восстановлении стационарных путевых лубрикаторов. За один только год начали бегать по рельсам 60 пассажирских вагонов, до краев заполненных дорогостоящей смазкой. Очень крутой разворот! Трудно представить, но всего полсотни лет назад ВНИИЖТ проводил научную работу по очистке рельсов от масляных загрязнений с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Только забывчивость может служить основанием для признания сужения рельсовой колеи причиной резкого увеличения износа гребней колес и боковой поверхности рельсов. Это явление в конце прошлого века стали называть колесно-рельсовым СПИДом. Поставленный специалистами модный диагноз затмил результат научно-технической революции — перевод транспорта с подшипников скольжения на подшипники качения и сокращение паркового буксо-смазочного хозяйства, которое при недостаточной плотности буксового узла постоянно подпитывало смазкой колеса и рельсы.

Теперь пара «колесо-рельс» смогла освободиться от негативного смазочного влияния буксового узла, фрикционные качества контактных поверхностей резко возросли, и неудачно расположенные колесные пары работают на износ гребней колес и боковой поверхности рельсов. Пришлось в срочном порядке спасать систему «колесо-рельс» от влияния неправильных колесных пар с помощью принудительного нанесения смазки, доставляемой со всеми удобствами в пассажирских вагонах. Достаточно изнурительная борьба с фрикционным износом не ослабевает, в жертву приносится дорогостоящая смазка, но не находятся силы и средства для факторного анализа его проявления.

Износ колес и рабочей поверхности головки рельса зависит от параметров пути, расположения колесной пары в рельсовой колее и скорости движения подвижного состава. Анализ данных, полученных с начала 80-х годов, показал, что за 10 лет срок службы колес сократился почти в 2,5 раза, а основная доля износа приходится на гребень. Результаты выполненного анализа требовали активного вмешательства в создавшееся положение, которое может развиваться в двух направлениях: стратегическом, когда решение проблемы износа состоит в изучении, выяснении и устранении причин, и тактическом, когда требуется быстрейший выход из создавшейся ситуации.

Первое направление требовало приложения умственного труда, затрат определенных средств и времени. Когда под рукой оказалась универсальная начинка для лубрикации, то сразу порешили пустить в ход тактику, началась интенсивная работа по смазыванию контактных поверхностей в кривых, и стратегию «задвинули». Между тем, по логике, следовало продвигаться по двум направлениям: пока колесно-рельсовый СПИД отступал под действием смазочной терапии, заняться стратегией в области взаимодействия колеса и рельса при движении в кривых. Ученые-стратеги от триботехники смогли бы объяснить, что фрикционный износ определяется не только коэффициентом трения, зависящим от смазки, но и от усилий взаимодействия фрикционных тел.

Движение по прямым участкам пути. Движение колесной пары по рельсам даже при свободном качении сопровождается постоянным проскальзыванием в зоне контакта под действием различных факторов, которые реализуют запрограммированную конструкцией ходовых частей работу на износ. Как показывает опыт эксплуатации, на прямых участках пути боковой износ рельсов отсутствует, значит, не изнашиваются и гребни колес, а проскальзывание определяют сопротивление движению и прокат на поверхности катания колес.
Интенсивность износа и степень повреждаемости колес и рельсов зависят от конфигурации контактных поверхностей, поэтому профилю колеса и рельса должно уделяться пристальное внимание. Анализ взаимодействия колеса с рельсом следует начинать с картины взаимного сопряжения их контактных поверхностей. Стандартные профили конической поверхности колеса и цилиндрической поверхности головки рельса при поперечном расположении осей соприкасаются в точке. Но в соответствии с теорией упругости в зоне точечного контакта под действием нормальной силы возникают наибольшие напряжения, которые приводят к интенсивному износу при проскальзывании. Очагом износа является пятно контакта, и местный износ вызывает изменение профиля катания колеса с последующим неупорядоченным износом головки рельса.

Так, колеса, расположенные на одной оси, имеют разнонаправленный конический профиль. Окружности разного диаметра контактной зоны колес никак не могут вписаться в прямолинейную траекторию поверхности рельса, поэтому внутри контактной зоны по образующей конуса происходит вынужденное проскальзывание даже при свободном качении. С учетом тенденции развития транспорта для грузовых вагонов при стандартном профиле контактные напряжения, а также износ колес и рельсов будут возрастать при повышении осевой нагрузки. Для пассажирских вагонов износ будет расти вследствие увеличения скорости движения.

Вынужденное проскальзывание колес вагонов существенно возрастает при реализации тормозных сил, а колеса локомотива вообще редко отдыхают от сил сцепления, так как торможение дополняется более продолжительной работой в тяговом режиме. Именно эта особенность эксплуатации колесных пар требует тщательного согласования профилей колес локомотива и рельсов. Очевидно, что для снижения интенсивности износа ходовых частей и рельсовой колеи следует стыковать между собой профили колеса и рельса с учетом условий их совместной работы.

Однако составители действующей Инструкции по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава без оглядки на рельсы рекомендуют девять различных вариантов профиля бандажа, среди которых и корпоративный профиль ДМетИ, и приватные профили Зинюка-Никитского с рекомендацией «самого выверенного» радиуса сопряжения 180,62 мм, а также персональной конусности! Неужели рассчитывали на то, что изготавливать рельсы будут под все разновидности рекомендуемого профиля бандажей?

При движении по прямому участку пути происходит износ первого рода — прокат поверхности катания колеса. Достаточно известна конфигурация проката в виде местного углубления на контактной поверхности колеса, вызванного округленной поверхностью головки рельса. Это подтверждает картинка «среднесетевого» профиля колеса, которая нарисована причастными учеными и свободно может быть отнесена к произведениям фантазийной графики. Из-за стереотипной картинки не решается задача выбора профилей колеса и рельса под равномерный взаимный прокат, проявляется полная капитуляция перед фактом фрикционного взаимодействия, когда борьба с износом ведется только за счет увеличения твердости и износостойкости после объемной закалки, плазменного упрочнения и повышенной периодичности смазки. Таковы результаты отчуждения стратегического направления.

При наличии неизбежного конструктивного проскальзывания в качестве средства снижения износа фрикционной пары «колесо-рельс» предлагается перейти от точечного к линейному контакту колеса с рельсом при той же подуклонке, но без округления рабочей поверхности головки рельса. Тогда линейный контакт обязательно уменьшит величину контактных напряжений и создаст благоприятные условия для постоянного самовосстановления конфигурации профилей, а также для снижения взаимного линейного износа контактных поверхностей колеса и головки рельса.

Движение в кривых участках пути. Кривые участки придают движению особенный характер тем, что естественный износ рельсов и прокат колес увеличивается не только вследствие проскальзывания, вызванного качением колесной пары по внутреннему и наружному рельсам, но также дополняется износом гребней колес и боковой поверхности рельсов. Причиной дополнительного износа в кривых является центробежная сила, от действия которой возникают поперечные усилия и опрокидывающий момент, происходит перераспределение вертикальной нагрузки между колесами каждой колесной пары.

Характер движения в кривой определяется скоростью движения, массой экипажа, расположением его центра тяжести и радиусом кривой. Некоторая компенсация действия центробежной силы достигается за счет составляющей силы тяжести экипажа, когда наружный рельс устанавливают с возвышением относительно внутреннего рельса. Наибольшая величина возвышения принимается 150 мм.

В случае переустройства линий для высоких скоростей движения возвышение наружного рельса должно соответствовать среднеквадратичной по тоннажу скорости движения. Так рекомендовали известные ученые — составители справочника по путевому хозяйству. Они также вместо действующих поперечных сил навязали термин «непогашенное ускорение» и предложили для него нормативы: в сторону наружного рельса 0,4 — 0,7 м/с2; в сторону внутреннего рельса — не более 1 м/с2.

Зачем понадобилось выдумывать инструмент для гашения: ускорение либо есть, либо его нет. При взаимодействии экипажа и рельсовой колеи в кривой центробежной силе может противостоять сопротивление рельса, и тогда ускорение в поперечном направлении вообще отсутствует. Кроме того, нормативу «непогашенное ускорение» привили абсолютное равнодушие к массе экипажа, которая полностью отвечает за силовую нагрузку.

Локомотивная бригада, как оператор человеко-машинной системы, не всегда обращает внимание на состояние пути в плане, так как не имеет достаточного представления о влиянии скорости при движении в кривых и последствиях ее превышения. Подтверждением этому служат недавние события на железнодорожном транспорте. Так, 9 мая 2013 г. на входной стрелке станции Белая Калитва Северо-Кавказской дороги произошло крушение грузового поезда. Причиной явилось нарушение скоростного режима: по переводной кривой состав следовал со скоростью 95,4 км/ч при допустимой 40. В результате с рельсового пути сошел 51 вагон, начался пожар, затем произошел взрыв цистерн.

В Испании 25 июля того же года сошел с рельсов пассажирский поезд «Alvia» близ города Сантьяго-де-Компостела. Состав завалился всеми вагонами в кривой вследствие значительного превышения допустимой скорости. Последствия нарушения скоростного режима движения в кривой: 78 человек погибли, 131 пострадали.

Рельсовый путь — руководящая и направляющая сила железнодорожного транспорта. Этот тезис следует заучить каждому работнику, связанному с безопасностью движения, а следовать ему в обязательном порядке должны те, кто управляет подвижным составом. Например, при движении в кривой радиуса R возникает центробежная сила, величина которой пропорциональна квадрату скорости движения V2 и направлена в наружную сторону кривой. Для компенсации действия центробежной силы ученые рекомендуют определять возвышение h в зависимости от средневзвешенной квадратичной скорости движения всех экипажей VCP и радиуса кривой R по формуле h = 12,5-KV£P/R, где К — коэффициент надбавки.

При этом ученые заранее предупреждают: поскольку подавляющая часть поездов будет следовать со скоростью больше или меньше средневзвешенной квадратичной Vcp то будут происходить перегрузки наружной или внутренней рельсовой нити, и для устранения перегрузки вводится коэффициент К надбавки возвышения. В представлении таких ученых надбавка выглядит как блуждающий параметр, принимающий значения в зависимости от скорости движения каждого конкретного поезда и предназначенный для уменьшения только вертикальной перегрузки рельсовых нитей.

Если придерживаться логики, то рассмотрение условий движения экипажа в кривой следует начинать с возникновения поперечной силы Y величина которой пропорциональна весу экипажа Q. Взаимодействие в конкретной кривой с реальным возвышением h без всяких научных надбавок определится формулой Y/Q = V2/127R

- h/S, где S — расстояние между осями рельсовых нитей.
Если центробежная сила уравновешивается составляющей силы тяжести от возвышения, то Y = 0, и скорость движения для этих условий называется равновесной. Средневзвешенная квадратичная скорость определяется с учетом конкретных параметров движения, которые могут изменяться в эксплуатации, и предназначена только для выбора величины возвышения. Равновесная скорость \/р (км/ч) определяется для реального участка кривой из выражения Vp = 0,28-VRh, где R — радиус кривой, м; h — возвышение наружного рельса, мм.

Когда скорость превышает равновесную, происходит смещение экипажа в наружную сторону с ускорением анр. Если же скорость меньше равновесной, то экипаж отклоняется внутрь кривой с ускорением авн. Ученые рекомендовали стремиться к выполнению определенных условий, при которых величина анр могла бы колебаться в пределах 0,4 — 0,7 м/с2, а величина авн не могла превышать 1 м/с2. В этой позиции, очевидно, проявление некоторых странностей: зачем величине анр колебаться, если можно установить максимальный допустимый норматив, а также устанавливать норматив для авн, если его величина уже ограничена возвышением наружного рельса.

При вертикальной перегрузке следует учесть вес экипажа, иначе при стоянке (V = 0) ускорение авн не требует внимания, но рельсовая нить находится под воздействием нагрузки; при одинаковом ускорении нагрузка на рельс зависит от веса вагона. Творческая мысль украсила ускорение анр и авн термином «непогашенное», хотя любое ускорение является непогашенным, ведь рассматриваемая ситуация является альтернативной — ускорение либо есть, либо его нет.

К перечисленным странностям следует отнести придуманную учеными категорию кривых рельсового пути с «избытком возвышения». Для конкретной кривой без всякого избытка установлено конкретное возвышение рельса, и теперь эта конкретная кривая с установленным параметром Rh в интересах безопасности движения требует выбрать конкретную скорость, близкую равновесной.

Избыток или недостаток возвышения — понятия бесплодные; взаимодействие в конкретной кривой определяется только скоростью движения. Для кривых стрелочного перевода характерно отсутствие возвышения наружного рельса (h = 0), движение происходит без компенсации центробежной силы и без достижения равновесной скорости. Из формулы, определяющей Vp можно видеть, что при отсутствии возвышения наружного рельса в кривой, например, при движении по боковому пути стрелочного перевода, ситуация становится особенно опасной вследствие воздействия поперечной силы.

Местом приложения центробежной силы является центр тяжести экипажа, который располагается на определенной высоте h0 от головки рельсов. В таком случае возникает опрокидывающий момент и происходит перераспределение вертикальной нагрузки между точками опоры экипажа на рельсы. При осевой нагрузке 2П вертикальная нагрузка на колеса одной колесной пары, когда действует поперечное усилие Y распределится следующим образом: ni,2 = n±Yho/s-

В результате внутреннее колесо подвергается разгрузке, а наружное — дополнительной нагрузке, что опасно в случае превышения равновесной скорости и недостаточного возвышения наружного рельса. Поезд «Alvia» завалился всеми вагонами наружу кривой вследствие разгрузки колес, вызванной недопустимым превышением скорости движения, но ученые остаются озабоченными избытком возвышения. Разгрузку колес следует принимать во внимание при ведении пассажирского поезда с двухэтажными вагонами, для которых характерна увеличенная высота центра тяжести.

Движение в кривой с перераспределением нагрузки на колеса одной колесной пары может стать причиной схода вагона в случае торможения. Такая ситуация вообще не принимается во внимание из-за устоявшихся взглядов на-оцепление. До сих пор рассматривается сцепление колесной пары с рельсами, и для такой схемы приводятся классические расчетные формулы без учета реализации сцепления каждым колесом.

Износ можно классифицировать по следующим признакам. Когда поезд следует по прямым участкам пути, образуется равномерный прокат на поверхности колес и рельсов; при движении в кривой с отклонением от равновесной скорости к равномерному прокату добавляется неравномерный прокат, вызванный качением колес по внешней и внутренней рельсовой нити, а также фрикционный износ гребня и боковой поверхности головки рельса.

Admin добавил 10.06.2017 в 08:06
Научные положения устанавливать возвышение по среднеквадратичной скорости имеют ограниченный характер и заканчиваются на переустройстве существующих линий для высоких скоростей движения. Продолжение этой темы станет гораздо интереснее, если обозначенную равновесную скорость эффективно задействовать. Ведь при движении с такой скоростью полностью отсутствуют поперечные силы в системе «колесо-рельс», обеспечивается устойчивость движения поезда и устраняется боковой износ поверхностей контактной зоны.

По рекомендациям ученых в эксплуатации установлена рациональная величина возвышения, и теперь важным оказывается обратный подход: каждый конкретный криволинейный участок пути, даже с биклотоидой в плане, требуется снабдить характеристикой, содержащей радиус кривой и соответствующую величину возвышения рельса; а для всех реальных криволинейных участков обозначить равновесную скорость движения. Величину равновесной скорости Vp ввести в качестве нормативного параметра, который обозначит разделительную полосу для коридора допустимой скорости по величине применяемого расчетного поперечного ускорения и массы экипажа.

Применение такого Vp-метода в качестве технологического средства предотвращения износа в кривых послужит альтернативой лубрикаторам. Метод позволяет проводить мониторинг эксплуатационного взаимодействия подвижного состава и рельсов в кривой: если скорость меньше равновесной, то экипаж сползает внутрь кривой — происходит износ боковой поверхности внутреннего рельса; если скорость превышает равновесную, то экипаж смещается в наружную сторону — происходит износ боковой поверхности наружного рельса.
Кроме того, при смешанном движении скоростные пассажирские поезда могут превышать установленную равновесную скорость до определенного предела, поэтому будет происходить износ боковой поверхности наружного рельса; грузовые поезда при меньшей эксплуатационной скорости движения будут находиться в безопасной зоне. В этом случае станет изнашиваться боковая поверхность внутреннего рельса.

В сущности, кривые достойны большего уважения — ведь они являются регулятором сроков доставки грузов, при прочих благоприятных условиях определяют допустимую скорость движения на железнодорожном транспорте, являются причиной возникающего противоречия между грузовыми и пассажирскими поездами при движении по общему перегону. Наличие кривых предъявляет требования к прямым участкам пути, которые должны иметь достаточную протяженность для регулирования скорости до равновесной величины, соответствующей предстоящему движению в кривой.

Ориентир на равновесную скорость движения поезда является эффективным средством снижения износа в системе «колесо-рельс», а также ресурсосберегающей технологией вследствие уменьшения расхода дорогостоящего смазочного материала на лубрикацию рельсов и обработку колес. Кроме того, применяемая технология лубрикации рельсов вступает в противоречие с тяговым и тормозным режимами движения. Рекомендуемое отношение к равновесной скорости может оказаться особенно полезным при выборе общей схемы расположения кривых в случае прокладки трассы высокоскоростной магистрали.

Д-р техн. наук М.И. ГЛУШКО, г. Екатеринбург