книги из ГПНТБ / Полухин П.И. Прокатка и термическая обработка железнодорожных рельсов

10ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ РЕЛЬСАМ

Вусловиях мягкого климата исключается возможность резко­ го проявления хладноломкости рельсовой стали, которая отчет­ ливо обнаруживается при температурах от —30 до —40°, значи­

тельно упрощается содержание верхнего строения пути, меньше жесткость пути зимой. В элементах верхнего строения пути мож­ но применять такие материалы, как каучук, пластмассы и т. д. При низких температурах эти материалы теряют упругость и становятся хрупкими.

Таким образом, для стран Западной Европы характерны: благоприятные климатические условия, густота железнодорож­ ной сети, небольшая грузонапряженность и нагрузка на ось, но большая скорость движения транспорта, особенно пассажирско­ го. Такие условия считаются сравнительно благоприятными для службы рельсов в пути. В Советском Союзе в аналогичных усло­ виях работают некоторые железные дороги Юга, побережья Чер­ ного моря и пр.

Развитие железных дорог США шло совершенно по-друго­ му. Здесь территория страны достаточно велика, а грузонапря­ женность железных дорог в периоды высокой промышленной конъюнктуры достигает больших значений. Климат страны разно­ образен; имеются железные дороги, работающие в достаточно су­ ровых климатических условиях. Из-за дальности перевозок стали применять большегрузные вагоны, мощные локомотивы с соот­ ветственно большой нагрузкой на ось. Поэтому в США были вы­ явлены те усталостные разрушения рельсов, которые в настоя­ щее время осложняют эксплуатацию рельсов и в СССР.

В США для решения рельсовой проблемы увеличили содержа­ ние углерода и марганца в рельсовой стали и вес 1 пог. м рельсов до 77 кг и выше, применили смазку рельсов на кривых участках пути и т. д. Также развивается железнодорожный транс­ порт и в Советском Союзе, хотя при этом имеются и существен­ ные отличия.

В США рельсы меняют при меньшей степени их поврежден­ ное™. Частая смена рельсов удорожает стоимость перевозок и оплачивается клиентурой железных дорог. Монопольное владе­ ние железными дорогами исключает всякую возможность вмеша­ тельства в вопросы стоимости перевозок. В связи с пониженной активностью промышленности в послевоенные годы железные дороги, и в первую очередь связанные с перевозками руды, угля и металла, оказываются недогруженными. Этому способствует также развитие сети шоссейных дорог и автомобильного транс­ порта. Известны примеры вьгвозки продукции металлургических заводов на большегрузных автомашинах и т. д.

Таким образом, возможность более частой смены рельсов, меньшая грузонапряженность железных дорог, чем в СССР, раз­ витие автомобильного транспорта — все это ведет к тому, что

рельсовая проблема в США не достигает такой остроты, как в Советском Союзе.

На основных грузовых направлениях Советского Союза про­ исходит .непрерывный и очень быстрый рост грузооборота. На некоторых железных дорогах годовой объем перевозок больше 100 млп. т. Расчеты перевозок по семилетнему плану показыва­ ют, что грузонапряженность будет непрерывно увеличиваться ■и к 1965 г. повысится'еще на 30%.

ВСоветском Союзе нет оснований ожидать, по крайней мере

вближайшие 10—15 лет, развития дальних автомобильных пере­ возок как из-за климатических условий, так и из-за необходимо­ сти строить шоссейные дороги протяженностью большей, чем в какой бы то ни было другой стране. При этом надо отметить, что стоимость строительства 1 км хорошей автомобильной дороги с ■бетонным покрытием, т. е. приспособленной к дальним транзит­ ным перевозкам, не меньше, чем стоимость строительства 1 км

железной дороги. На указанный срок по-прежнему 90—95% транзитных грузов будет перевозиться по железным дорогам.

Семилетним планом принята широкая программа электрифи­ кации железных дорог, строительства мощных тепловозов, даль­ нейшего роста грузоподъемности вагонов и веса поездов и значительного увеличения скоростей движения. В результате в ближайшие годы напряженность работы рельсов возрастет. В связи с этим интересно рассмотреть стойкость рельсов в зависимо­ сти от количества перевезенных грузов.' На рис. 1 видно, что до перевозки грузов в количестве 350 млн. т наблюдается сравни­ тельно нормальное изъятие рельсов. Начиная с 350 млн. ткри­ вая зависимости резко поднимается. Это показывает, что такое количество перевезенных грузов уже выводит из строя рельсы среднего качества. Свойства рельсовой стали, соответствующие ГОСТу, уже не могут обеспечить удовлетворительной работы рельсов.

Для рельсов Р-65 криволинейных участков пути, особенно с кривыми малого радиуса (Д<450 м), предельное количество пе­ ревезенного груза составляет около 150 млн. т. На некоторых до­ рогах такой груз пропускается за 1—2 года, после чего прово­ дится капитальный ремонт пути со снятием большого количества рельсов.

Характер дефектов, служащих причиной снятия рельсов о пу­ ти, различен на участках прямолинейных и кривых малого ра­ диуса. Если на прямых участках пути рельсы в основном смина­ ются и истираются, то на участках кривых малого радиуса ин­ тенсивно развиваются дефекты головки, возникающие вследст­ вие контактной усталости металла. Можно добиться значитель­ ного повышения стойкости рельсов против истирания и смятия повышением прочностных характеристик рельсовой стали. Эта

12 ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ РЕЛЬСАМ

задача разрешается в настоящее время практически. По отноше­ нию же к .криволинейным участкам пути, особенно для участков кривых радиусом меньше 450 м, не найдено пока способов на­ столько улучшить качество рельсов, чтобы обеспечить нормаль­ ную работу их.

Участки пути, имеющие сложный план и профиль, резко сни­

пряженных линиях, иначе оста­ нутся не использованными возможности электрификации дорог,

новых ЛОКОМОТИВОВ И Т. п.'

2. Влияние на службу рельсов состояния железнодорожного полотна

•

Состояние пути характеризуется многими показателями. К ним относятся тип и вес рельсов, число шпал на километр пути, качество балласта и толщина балластного слоя, уклон и возвы­ шение рельсов в кривых, величина зазоров в стыках, общее со­ стояние стыков и т. д. Нет возможности проследить влияние каж­ дого из этих факторов на службу рельсов в пути, но общим пра­ вилом является возрастание числа изъятых рельсов с пути при

14 ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ РЕЛЬСАМ

растание числа изъятых рельсов происходит из-за наиболее грузонапряженных магистралей. Объяснить это можно двумя при­ чинами. Во-первых, за этот промежуток времени эксплуатацион­ ная стойкость рельсов росла медленнее, чем грузонапряженность дорог, и другие факторы, влияющие на продолжительность службы рельсов в пути, и, во-вторых, реконструкция дорог не обеспечивала нормальной работы рельсов в пути. При рекон­ струкции заменили гравий и песок щебнем. Несомненно, что

фильтрующая способность щебня пока он не загрязнен высока. Но после 2—3 лет работы, особенно на рудовозных и углевозных железных дорогах, балласт сильно загрязняется пылью. В ре­ зультате прекращается фильтрация воды, образуются так назы­ ваемые грязевые выплески и нарушается форма вертикального профиля пути. В то же время текущий ремонт пути, грохоче­ ние балласта, подбивка шпал и пр. крайне затруднены.

При грузонапряженности около 100 млн. т. в год суточное чи­ сло поездов составляет 100 пар, т. е. около 10 поездов в час по обоим направлениям. Элементарный подсчет показывает, что да­ же при наиболее добросовестном отношении рабочего к своим обязанностям полезно затрачиваемое им время не превышает 20—25% рабочего дня. Невозможно также создавать и переры­ вы в движении поездов, так называемые «технологические окна», так как это вызывает накопление большого числа поездов и со­ здает «пробки» на станциях. В результате на наиболее грузона­

пряженных линиях, it. е. там, где путь должен поддерживаться в

хорошем состоянии, наблюдается, наоборот, плохое состояние пути.

Таким образом, при очень высокой грузонапряженности необ­ ходимо иметь (бшее устойчивое верхнее строение пути. Надо из­ бегать деформаций балластного слоя и не допускать попадания в него пыли и влаги. Был проведен опыт асфальтирования балласт­ ного слоя в промежутках между шпалами, но результаты этого опыта оказались отрицательными. Во время морозов асфальто­ вое покрытие становилось хрупким и разрушалось. По-видимому, должно быть опробовано сплошное сборное железобетонное по­ крытие по балластному слою. Такое покрытие при достаточной его прочности создает вполне устойчивое верхнее строение пути и исключает возможность загрязнения балластного слоя. При этом очень сильно возрастает жесткость пути. Непосредственная укладка рельсов по сплошным бетонным плитам невозможна изза ударов колес о рельсы. Поэтому должна быть разработана специальная конструкция подкладок, включающая упругие амор­ тизирующие элементы в виде резиновых или пластмассовых про­ кладок между рельсом и подкладкой, или между подкладкой и бетонным покрытием.

Если прежде подкладка была предназначена для распределе­ ния давления рельса на шпалу на возможно большую площадь и для предохранения шпалы от истирания, то теперь, кроме этих функций, подкладка должна выполнять роль амортизатора ударов.

Существует мнение, что явления контактной усталости, на­ блюдающиеся широко в последние годы, связаны именно с повы­ шенной жесткостью пути. Величина контактной площадки меж­ ду колесом и прямым рельсом значительно меньше, чем в случае контакта колеса с упруго изогнутым рельсом. Контактные же напряжения обратно пропорциональны величине контактной пло­ щадки. Поэтому даже относительно небольшие прогибы рель­ са могут очень сильно снизить контактные напряжения в голов­ ке рельса и уменьшить развитие усталостных дефектов.

Конструкции упругих подкладок разработаны, и есть сведе­ ния ю том, что они применяются на некоторых заграничных же­ лезных дорогах. Попытки применить упругие резиновые элемен­ ты в подкладках у нас пока не дали положительного результата из-за потери резиной упругости во время больших морозов и бы­ строго разрушения резины.

В настоящее время на одной из железных дорог Советского Союза применили сплошное бетонное покрытие на небольшом по длине участке. Этот опыт следует шире распространить и, кро­ ме того, внедрить на грузонапряженных дорогах новые конст­ рукции верхнего строения пути.

16 ТРЕБОВАНИЯ. ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ РЕЛЬСАМ

Укладка рельсов на простых подкладках на шпалы и крепле­ ние их костылями не претерпели по существу изменений с момен­ та начала строительства железных дорог в России. Изменения были только количественные — увеличивалось число шпал на 1 км пути, число противоугоиов и пр., но принципиально конст­ рукция верхнего строения пути оставалась той же самой. Понят­ но, что при значительном увеличении грузонапряженности желез­ ных дорог, повышении динамического воздействия подвижного состава на путь и частоты этого воздействия старая конструкция верхнего строения пути уже не удовлетворяет своему на­ значению.

Кроме спрямления кривых участков пути и сглаживания про­ филя, должна широко использоваться оварка рельсов в длинные плети. Длина плетей может быть определена экспериментально для железных дорог с различными климатическими условиями, но будет, вероятно, не менее 300—500 м. Необходимым условием эксплуатации такого «бесстыкового» пути является организация быстрых ремонтов в случае поломки рельсов. Очевидно, что ме­ нять целую плеть указанной длины невозможно. Опыт работы длинных бесстыковых участков имеется, и сейчас задача заклю­ чается в широком распространении этого опыта. Для устройства бесстыкового пути должно быть значительно увеличено число сва­ рочных поездов на железных дорогах. Работа по аварке рельсов в пути должна вестись по общему плану Министерства путей сообщения.

Возможны и другие мероприятия для улучшения условий ра­ боты рельсов в пути. Можно указать на широко практикующую­ ся в США смазку рельсов в кривых участках, уменьшение неподрессоренного веса подвижного состава, улучшение динамиче­ ских характеристик подвижного состава, улучшение профиля рельсов и увеличение их веса « др. Однако одной из наиболее важных задач является повышение эксплуатационной стойкости рельсов, т. е. правильный выбор механических свойств их. Для прямолинейных участков и участков радиусом больше 1000 м термическая обработка углеродистых рельсов в значительной сте­ пени повысит их стойкость. Для криволинейных участков малого радиуса необходимо провести широко поставленные опыты по выбору марок высоколегированных сталей (например, марки Г13) и разработать методы термической обработки таких рель­ сов.

При удачном решении этих проблем значительно уменьшит­ ся протяженность пути, подлежащего капитальной реконструк­ ции, и соответственно уменьшатся капиталовложения.

Таким образом, при намечающемся дальнейшем росте грузо­ напряженности железных дорог Советского Союза перед желез­ нодорожным транспортом стоят три крупнейших проблемы:

18 ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ РЕЛЬСАМ

Особенно трудными являются условия работы стыков. При движении поезда на стыках получаются сильные удары, вызы­ вающие смятие и выколы вблизи торца рельсов, а также седлооб­ разные овыбоины за закаленной частью концов рельсов.

Рассматривая условия работы деталей в различных отраслях машиностроения, невозможно (даже среди наиболее ответствен­ ных из них; как например, в авиастроения) найти какой-либо элемент конструкции, который работал бы при таком неблаго­ приятном сочетании условий, как рельс.

Благодаря неопределенности нагрузок, наличию многочислен­ ных концентраторов напряжений и одновременности действия многих факторов расчеты напряженного состояния элементов рельса крайне ненадежны.

Долгое время единственным достаточно достоверным методом расчета элементов рельсов на прочность являлся расчет напря­ жений в контактной зоне рельса под колесом по формулам Беляе­ ва, которые были выведены на основе теории сжатия упругих тел с криволинейными поверхностями, разработанной Герцем.

Согласно этим расчетам, в глубинных слоях головки напряже­ ние сжатия достигает 100 кг!мм2, а среза 70—75 кг/мм2. Эти величины напряжений превышают соответствующие пределы те­ кучести для рельсовой термически необработанной стали.

В практике эксплуатации рельсов встречаются различные ви­ ды разрушений рельсов. Во многих случаях не имелось полного представления о причинах возникновения и развития этих раз­ рушений. Лишь в последние годы проведен ряд глубоких иссле­ дований связи основных видов разрушения с напряженным со­ стоянием рельса.

Наиболее полно объемное напряженное состояние рельса из­ учено М. М. Фрохтом, Е. П. Бондаренко, И. С. Инютиным. На­ пряженное состояние изучали на объемных моделях рельса из оптически-активных материалов, причем М. М.Фрохти Е. П. Бон­ даренко применили поляризационно-оптический метод, а И. С. Инютин — метод тензометрирования.

И. С. Инютин и Е. П. Бондаренко исследовали работу мо­ дели рельса Р-50 под нагрузкой, а М. М. Фрохт моделировал ра­ боту пары: американский рельс весом 132 фунта (60 кг/пог. м) и колесо диаметром 33 дюйма (838 мм). Результаты этих работ качественно .согласуются и, дополняя друг друга, дают достаточ-

•но полное представление о характере распределения напряжений по объему при работе рельса.

В работе И. С. Инютина главное внимание уделено рассмот­ рению напряжений в контактной зоне и была подтверждена до­ стоверность метода расчета контактных напряжений в рельсе по Беляеву.