Инж. В. В. КУСКОВА, канд. техн. наук Л. П. МЕЛЕНТЬЕВ
К ВОПРОСУ О КОНЦЕВОЙ ИСКРИВЛЕННОСТИ РЕЛЬСОВ ТЯЖЕЛЫХ ТИПОВ
Рассмотрены причины появления технологических неровностей на концевой части поверхности катания рельса и степень влияния их на работу рельсов и пути в целом. Определены размеры и форма концевых неровностей термоупрочненных рельсов.
Предложены новые нормы допуска на концевую искривленность термоупрочненных рельсов.
Поверхность катания у новых рельсов на концах неровная. Неровности возникают в процессе изготовления рельсов и бывают различными как по форме, так и величине. Так, при объемной закалке в масле и отпуске большинство рельсов имеет выпуклость на головку в вертикальной плоскости. Данная кривизна рельсов устраняется в процессе правки в роликоправильных машинах, за исключением искривления концов на длине 1,0—1,5 м.
Наличие после правки в роликоправильных машинах искривлений у объемнозакаленных рельсов, превышающих требования стандарта (0,5 мм на длине 1 м), приводит к необходимости доправлять концы рельсов на штемпельных прессах. В результате такой правки рельс становится лучше для приемки, но не для работы в пути.
Недостаток правки концов закаленных рельсов состоит в том, что форма концов получается переменной кривизны, как правило с двумя волнами. Кроме того, в результате релаксации остаточных напряжений в закаленных рельсах по истечении некоторого времени может происходить полное или частичное восстановление кривизны их концов, в результате чего стыковые неровности на объемнозакаленных рельсах могут превышать неровности в стыках нетермоупрочненных рельсов. Необходимо отметить, что до внедрения в промышленность термической обработки нетермоупрочненные рельсы имели искривленность концов на подошву (вниз), причем она была значительно меньше, чем у закаленных рельсов.
Таким образом, для укладки в путь поступают объемнозакаленные рельсы, имеющие начальные концевые неровности, наличие которых не может не отразиться на работе рельсов в пути: их износе, повреждаемости дефектами и на просадке пути в зоне стыка.
Проводимый в рельсовой лаборатории ВНИИЖТа ежегодный анализ рельсов одиночного изъятия по различным дефектам показал, что доля повреждаемости рельсов в зоне болтового стыка от различного вида неровностей на них достаточно велика и колеблется от 43 % у рельсов Р50 до 13 % у рельсов Р75. Для объемнозакаленных и нетермоупрочненных рельсов Р65 эти значения примерно одинаковы и составляют соответственно 17 и 18 % общего их изъятия из пути.
Немалую роль в повреждаемости рельсов всех типов в зоне стыка играет наличие начальных (технологических) неровностей концевой части рельса на длине 1 м, а также искривлений самих концов рельсов в вертикальной плоскости. По мере увеличения пропущенного груза такие неровности на рельсах не только развиваются сами, но и способствуют интенсивному накоплению остаточных деформаций верхнего строения пути в зоне стыка. Таким образом, снижается срок службы рельсов в пути. Данное явление наблюдается как на объемнозакаленных, так и нетермообработанных рельсах.
При наличии на концах рельсов неровностей интенсивно нарастает деформация балластного слоя, в результате чего на участках бесстыкового пути с железобетонными шпалами от 25 до 40 % времени уходит на содержание пути в зоне уравнительных пролетов (в стыках).
Полигоны распределения концевых неровностей рельсов Р65 производства КМК (а), НТМК (б), КМК и НТМК (в): 1, 2, 3 — при искривленности концов рельсов соответственно вниз, вверх, в вертикальной плоскости; h1, h2, h3 — среднее значение измеренной величины при искривленности концов рельсов соответственно вниз, вверх, в вертикальной плоскости
Для изучения влияния искривленности концов рельсов на работу пути на Нижнетагильском и Кузнецком им. Ленина (КМК) металлургических комбинатах обмеряли концы объемнозакаленных рельсов Р65 в состоянии поставки для установления размеров начальных (технологических) неровностей на головке и подошве рельса в вертикальной плоскости. Статистическая выборка составила 261 рельс (522 конца), куда вошли рельсы с болтовыми отверстиями и рельсы, предназначенные для сварки, так как существующие нормативные величины искривления концов в вертикальной плоскости для них одинаковы.
Концы рельсов измеряли метровой линейкой и набором щупов, которые используются инспекцией МПС для обмера концов при приемке новых рельсов на заводах в соответствии с требованиями ГОСТ 18267-72. Таким образом исключена возможность получения значительных расхождений в результатах обмеров концов, проводимых ежедневно инспекторами МПС при приемке рельсов, и обмеров концов с целью установления размеров начальных неровностей на головке и подошве рельса, а также искривлений в вертикальной плоскости в сравнении с установленными и действующими нормами.
Анализ обработки результатов измерений показал, что из 262 концов, обмеренных на Нижнетагильском металлургическом комбинате (НТМК), только 13 % не имеют каких-либо неровностей в концевой части рельса; 20,6 % искривлены вверх; 27,1 % искривлены вниз; на 13,7 % концов имеются неровности в виде седловин с максимальной глубиной 0,4 мм на расстоянии примерно 0,6 м от торца (причем концы у этих рельсов прямые). Наличие таких неровностей на рельсах с прямыми концами можно объяснить как результат поправки концевой части рельса на штемпельных прессах. Для получения более ровной поверхности головки, на концевой части которой после правки в роликоправильных машинах образуются два пологих уступа, на комбинате распространен искусственный подгиб конца рельса по подошве. В результате такой технологии 25,6 % концов имеют подмятия по подошве от 0,1 до 1,7 мм при среднем значении 0,7 мм.
Из 260 концов, обмеренных на Кузнецком металлургическом комбинате им. Ленина (КМК), 65 % имеют искривленность вверх, а 35 % - искривленность вниз. Для рельсов этого комбината значение средней стрелы прогиба конца при искривлении вверх (вниз) составила 0,24 мм (максимальные значения 0,6 мм, минимальные 0,1 мм) на расстоянии 0,36 мм от торца рельса.
Статистический анализ обработки результатов измерений искривления концов показал, что искривление концов от уровня поверхности головки рельса колеблется от 0,1 до 1,0 мм (норма 0,5 мм). На рисунке представлены полигоны распределения концевых неровностей рельсов производства КМК и НТМК, измеренных как по головке рельса, так и по подошве.
Для рельсов производства КМК среднее значение концевой искривленности по головке составило 0,4 мм при среднем квадратичном отклонении σ = 0,15 мм (см. на рисунке а). Для рельсов производства НТМК эти значения соответственно равны 0,36 мм при σ = 0,15 мм (см. на рисунке б), т.е. результаты оказались примерно одинаковыми.
При сравнении средних значений искривленности концов, измеренных по подошве, мы имеем существенную разницу в результатах, полученных на НТМК и КМК. Среднее значение концевой искривленности для КМК составляет 0,4 мм при σ = 0,17 мм (см. на рисунке в) против 0,7 мм при σ = 032 мм для НТМК (см. на рисунке б). Качество правки концов рельсов на подошве на НТМК почти в 2 раза оказалось хуже, чем на КМК. Это объясняется тем, что металлурги больше внимания уделяют получению более ровной поверхности катания головки.
При анализе полученных значений искривления концов рельсов в вертикальной плоскости выяснилось, что 30 % концов имеют искривления от 0,4 до 03 мм, а 23 % - от 03 до 0,4 мм. Таким образом, для укладки в путь поступает более 50 % объемнозакаленных рельсов, имеющих искривления концов в вертикальной плоскости от 03 до 0,5 мм.
Сопоставление приведенных полигонов распределения (см. на рисунке а, б, в) показывает общее неблагополучие с концевой искривленностью рельсов, имеющейся на заводах при действующем допуске в существующем ГОСТ 18267—72* на рельсы Р65 ( в допуск 0 3 мм на длине 1 м по концевой искривленности вниз не укладывается примерно 20 % рельсов).
Концевая искривленность рельсов вниз (вследствие усиления динамического воздействия подвижного состава на рельсовую нить в стыке) создает особо неблагоприятные условия работы всех конструктивных элементов пути. При искривлениях, направленных вверх, их отрицательное влияние оказывается несколько меньше. Также концевая искривленность вызывает большие дополнительные трудности при сварке рельсов в длинномерные рельсовые плети для бесстыкового пути. Из-за нее в ряде случаев не удается обеспечить необходимую прямолинейность по поверхности катания и боковым граням головки рельсовых нитей в зоне сварных стыков. Для нормальной работы пути необходимо иметь рельсы с прямыми концами.
В связи с ростом требований к качеству рельсов из-за повышения скоростей движения поездов, осевых нагрузок и образования на рельсах при существующей технологии изготовления искривленности концов разного знака предлагается изменить требования на концевую искривленность рельсов в вертикальной плоскости, предусмотренные действующим стандартом.
Проведенные на НТМК и КМК обмеры дали возможность предложить следующие нормы на концевую искривленность объемнозакаленных рельсов разных типов (см. таблицу).
Дифференциация предложенных норм допуска на концевую искривленность рельсов в вертикальной плоскости обусловлена двумя причинами. Во-первых, одни и те же неровности на поверхности рельсов с увеличением их жесткости вызывают дополнительные инерционные добавки (добавка прямо пропорциональна массе рельса) к динамическим силам, воздействующим на рельс при прохождении по нему колеса. Во-вторых, как показали обмеры концов рельсов на КМК и НТМК, существует разнозначная искривленность концов в вертикальной плоскости, которая оказывает неодинаковое влияние на работу рельсов в пути и зависит от конструкции пути (звеньевой или бесстыковой путь). Поэтому возникла необходимость дифференцировать нормы допуска по типам рельсов и по направленности искривления (вверх - вниз), учитывая при этом конструкцию пути.
Предлагаемые нормы (см. таблицу) наряду с увеличением допуска для рельсов Р50 предусматривают для рельсов самой большой весовой категории Р75 уменьшение допуска на концевую искривленность с 0,5 (как в существующем стандарте) до 0,3 мм на длине 1 м.
Предлагаемые нормы, во-первых, обеспечат повышение качества современных термоупрочненных рельсов и, во-вторых, дадут существенную экономию средств в народном хозяйстве. Эта экономия складывается из снижения затрат на текущее содержание пути и уменьшения удельного одиночного изъятия дефектных рельсов.
Примечание. В числителе приведены данные для искривления концов рельсов вниз, в знаменателе — вверх.
Для случая уменьшения норм допуска на концевую искривленность с 0,5 до 0,3 мм для рельсов Р75 в соответствии с методикой [1] подсчитывалась только одна составляющая годовых эксплуатационных расходов, которая даст существенную экономию средств в путевом хозяйстве от уменьшения затрат на текущее содержание пути.
В основу экономического расчета положено следующее. Известно, что при движении колеса по сварному или болтовому стыку, имеющему неровности (в том числе и начальные), возникают дополнительные инерционные добавки к динамическим силам, воздействующим на путь. Теоретическим путем с помощью моделирования на аналоговых вычислительных машинах процесса прохождения колесом стыковых неровностей на рельсах была получена зависимость изменения дополнительного давления в контакте колеса и рельса от стыковой неровности. С уменьшением неровности с 0,5 до 0,3 мм происходит снижение дополнительного давления на рельс в 1,5 раза, которое, в свою очередь, вызывает точно такое же уменьшение средних напряжений по подошве шпалы в балластном слое. В результате снижается общая осадка пути и соответственно протяжение искривления пути по уровню [2].
По средней стоимости рабочего дня монтера пути 5 руб. экономия средств на текущем содержании пути с рельсами Р75 составит 904 руб/км в год.
Ежегодно на сеть железных дорог поставляется примерно 800 км рельсов Р75. Следовательно, экономия расходов на текущем содержании пути с рельсами Р75 при введении в действие предлагаемых норм допуска на концевую искривленность составит 723 тыс. руб. в год. В перспективе с увеличением поставок рельсов Р75 до 2000 км в год эта цифра возрастет до 1808 тыс. руб. в год.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Определение экономической эффективности новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. Методические указания/ Под ред. Э. И. Хаит. Минск: Полымя, 1979, с. 8-20.
- Πопов С. Н. О допускаемых напряжениях на балласт. - Тр. ЦНИИ МПС, 1955, вып. 97. с. 353-385.