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

20 ТРЕБОВАНИЯ, ПР ЕДЪ ЯВ ЛЯ ЕМЫЕ К ЖЕ Л ЕЗ Н ОД ОР ОЖ Н ЫМ РЕЛЬСАМ

са и незначительной напряжение сжатия в направлении, близком к вертикальному.

Третья зона — место вблизи перехода головки в шейку рель­ са. Зд^сь металл находится в условиях трехосного сжатия со значительным преобладанием напряжений, близких по направле­ нию к вертикальному, над продольными и поперечными.

К четвертой зоне можно отнести внутреннюю часть ненагруженной стороны головки, для которой характерно сочетание двух

Рис. 7. Напряженное состояние металла рельса под нагрузкой колеса

растягивающих и одного, близкого по направлению к вертикаль­ ному, весьма значительного сжимающего напряжения.

Пятая зона — внешняя часть ненагруженной стороны головки. Здесь металл находится в условиях всестороннегорастяжения со значительным преобладанием продольного -напряжения.

В шестой зоне — -вне контакта с колесом— наблюдается схе­

металла в наиболее нагруженном сечении -рельса при работе по­ зволяет в настоящее время тщательно анализировать характер развития различных видо>в разрушения рельсов.

М. М. Фрохтом были получены также кривые распределения напряжений по линии G— G' при статической нагрузке (см. рис. 6). Они показывают изменение напряженного состояния

металла в точке на глубине 2,54 мм от контактной поверхности по мере перекатывания колеса. Из графика видно, что нормаль­ ные напряжения сгж, ov, oz являются сжимающими в районе кон­ такта металла с нагрузкой, причем максимальные значения они имеют непосредственно под нагрузкой. При удалении от места нагрузки нормальные напряжения меняют знак и уменьшаются до нуля.

Отсюда следует, что металл, расположенный на некоторой глубине под контактной поверхностью рельса, при перекатыва­ нии по нему колеса претерпевает последовательно ряд резко от­ личающихся друг от друга напряженных состояний:

1) за зоной влияния колеса металл не испытывает никаких механических напряжений;

2)на расстоянии от колеса, примерно равном глубине рас­ сматриваемой точки под поверхностью контакта, металл находит­ ся в условиях всестороннего растяжения;

3)по мере приближения колеса напряженное состояние ме­ няется и все больше приближается к всестороннему сжатию, ко­ торое в наибольшей степени проявляется непосредственно под колесом.

Графики на рис. 6 весьма показательно характеризуют диапа­ зон колебаний знакопеременных напряжений, которые испыты­ вает металл рельса в рассматриваемой точке при движении ко­ леса.

При движении колеса максимальное растягивающее напря­ жение по линии G— G' получается на некотором расстоянии от места контакта. Величины этих знакопеременных напряжений превышают предел выносливости стали для полностью цикличе­ ских нагружений.

Наибольшее касательное напряжение хХу близко к пределу выносливости стали. Плоскости, по которым действуют макси­ мальные касательные напряжения, подвергаются, кроме того, воздействию значительных по величине нормальных напряже­ ний. Касательные напряжения т Макс по линии G— G' меняются от нуля до величин, весьма близких к пределу выносливости для этого вида напряжений.

Тот факт, что все эти напряжения являются знакопеременны­ ми, усложняет работу рельсового металла. Для аналитического расчета прочности элементов рельса требуются дополнительные экспериментальные данные о поведении металла в различных напряженных состояниях. Если не происходит немедленного раз­ рушения рельса на контактной поверхности, то это не исключает развития усталостных явлений как в контактной зоне, так и в других частях головки, особенно при наличии различных концент­ раторов напряжений.

24 ТРЕБОВАНИЯ, ПР ЕДЪ ЯВ ЛЯ ЕМЫЕ К ЖЕ Л ЕЗ Н ОД ОР ОЖ Н ЫМ РЕЛЬСАМ

рельсов и т. д. При 'понижении температуры в пределах от —30 до —40° и приближении к порогу хладноломкости стали вероятность хрупкого разрушения возрастает. При температурах ниже —40° ударная вязкость рельсовой стали (рис. 10) прибли­ жается к величине 1 кгм1см2, что характерно для хрупкого со­ стояния металла.

Необходимо указать также, что наблюдающееся стремление к повышению в рельсовой стали содержания углерода и марганца ведет к уменьшению износа и устойчивости ее. В этом же направ­ лении действует повышение жесткости пути при переходе на ще­ беночный балласт, возрастании числа .шпал на километр пути, увеличении веса рельсов и т. д.

Рис. 10. Ударная вязкость рельсовой стали в зависимости от температуры испытания

Таким образом, все мероприятия, направленные на повыше­ ние статической прочности рельсов и сопротивления их истира­ нию и смятию, способствуют повышению хрупкости рельсов. По данным статистики МПС относительное число поперечных изло­ мов тем больше, чем больше вес 1 пог. м рельса. Так, число хруп­ ких изломов по отношению к общему числу изъятых рельсов бы­ ло: 7% для рельсов Р-43, 10% для рельсов Р-50 и 18% для рельсов Р-65. Сюда вошла шестая группа дефектов (см. ниже) для рельсов прокатки 1949—1957 гг., снятых в 1957 г. Как ви­ дим, зависимость эта выражена достаточно четко. Поэтому по­ перечные изломы рельсов являются фактором, требующим тща­ тельного изучения, так как перспективы развития транспорта (увеличение жесткости пути, скоростей движения, нагрузки на ось и мощности локомотивов) повышают опасность появления массовых хрупких разрушений рельсов.

Дефекты и повреждения рельсов в пути в результате обоб­ щения большого статистического материала и лабораторных исследований Центрального научно-исследовательского инсти­ тута МПС сведены к основным девяти группам. Основой класси­ фикации служат: местоположение дефекта, характер поврежде­ ния и причины, вызвавшие дефект.

ляющие собой изломы, отколы и трещины в стыках, т. е. на рас­ стоянии от конца рельса, не превышающем длину накладок. Кроме представленных на рис. 11 дефектов, к этой группе так­ же относятся и другие их разновидности.

Стык рельсов — наиболее слабое место рельсового пути. Рельсовые скрепл.ения должны обеспечить рельсам прочность и

№70 . №17

Рис. 11. Дефект первой гр,уппы: -

№ 10 — трещина или откол головки вне бол­ товых отверстий: № 11 — трещина или откол головки через первое болтовое отверстие

упругость, а также возможность изменения длины при колеба­ ниях температуры. Это достигается тем, что между концами рельсов оставляют некоторый зазор, а стягивание накладок болтами позволяет рельсам перемещаться в продольном на­ правлении. Из-за зазора получаются удары кдлес на стыках. Ясно, что принимающий конец испытывает более сильные уда­ ры, чем отдающий, и поэтому повреждается в большей степени.

Так как стык рельсов является наиболее слабым местом пу­ ти, то на нем резко проявляются все недостатки содержания пу­ ти. На железных дорогах СССР стыки располагают между шпа­ лами. Это дает стыку возможность свободно прогибаться, что, по мнению путейцев, смягчает удары колес. На железных до­ рогах США стык располагают на сдвоенной шпале. По-види- мому, каждый способ имеет свои недостатки и преимущества.

Если шпалы недостаточно выравнены и подбиты, то стыки провисают. В провисших стыках удары колес становятся очень сильными, и в результате наблюдается большое повреждение рельсов. Особенно большое число провисших стыков можно на­ блюдать на грузонапряженных участках пути, где ремонт за­ труднен. Возможно, что в этом случае американский способ рас­ положения стыков обладает некоторыми преимуществами.

В результате этих особенностей в работе стыка количество -дефектов в них увеличилось в сороковых годах настолько, что создавало большие затруднения эксплуатации пути. Не менее

26 ТРЕБОВАНИЯ, ПР ЕДЪ ЯВ ЛЯ ЕМЫЕ К Ж Е Л Е З Н ОД ОР ОЖ Н ЫМ РЕЛЬСАМ

50—60% от общего числа изъятых рельсов снималось по стыко­ вым дефектам. Число дефектов на единицу длины между на­ кладками было в 20—30 раз больше, чем вне накладок.

Для улучшения условий работы стыков путейцами и метал­ лургами было сделано многое. Был изменен тип накладок. Вме­ сто длинных фартучных накладок были применены для тяжелых рельсов более мощные двухголовые. Эти накладки имеют по­ стоянный профиль по длине. В них отсутствуют входящие углы, образованные в накладках старого типа «фартуком». Вследст­ вие этого нет концентрации напряжений, и накладки работают в лучших условиях. В накладках старого типа фартук, опуска­ ясь вниз, располагался между шпалами и выполнял роль противоугона, препятствуя продольному перемещению рельсов. В настоящее время увеличено число пружинных противоугонов по длине рельса, а накладки от этой функции освобождены.

Улучшен был и материал накладок. Если прежде на про­ катку назначалась любая торговая сталь, то в настоящее время сталь для накладок поставляется по ГОСТ 4133—54. Введена термическая обработка (закалка в масле) накладок, причем ре­ жим этой обработки был принят после проведения больших ис­ следовательских работ и испытания опытных партий. Все это, а также улучшение состояния пути и перевод его на более устой­ чивый щебеночный балласт, улучшило условия работы стыков.

Начиная примерно с 1950 г. всерельсы поставляют с зака­ ленными концами. На заводах А и Г применяют закалку кон­ цов рельсов с прокатного нагрева обрызгиванием водой, а на

(табл. 1). По данным табл. 1 видно, что достигнуто значитель­ ное снижение снятия рельсов с пути по стыковым дефектам, ес­ ли принять, что ранее оно было не менее 50% от общего съема. Количество дефектных стыков уменьшается еще и потому, что выколы головки в стыках' начинают ремонтировать наплавкой. Но эти мероприятия все же недостаточны. Количество повреж­ дений в стыковом пространстве все еще выше среднего по длине рельса в 2—5 раз. При этом не учитываются рельсы, имеющие смятие и небольшие выколы концов. Большое количество рель­ сов в последние годы имеют также седлообразное смятие при переходе от закаленного слоя к незакаленному.

Количество поврежденных стыков тем больше, чем меньше вес 1 пог. м рельсов (табл. 1). Это хорошо видно из сопостав­ ления относительного изъятия рельсов по типам, особенно по заводу А. При этом во всех группах наибольшее количество по­ вреждений имеют рельсы с дефектом № 11. Оба эти обстоятель-

28 ТРЕБОВАНИЯ. ПР ЕДЪ ЯВ ЛЯ ЕМЫЕ К Ж Е Л Е З Н ОД ОР ОЖ Н ЫМ РЕЛЬСАМ

так как на этом заводе не менялась технология обработки кон­ дов рельсов.

Исследования изломов в стыках показывают, что явления усталости сочетаются с коррозией, которая ускоряет распро­ странение трещин. Известную роль играет в этом также и исти­ рание рельсов накладками.

Необходимо отметить, что была исследована возможность упрочнения металла по краям болтовых отверстий обработкой их штампами специальной формы. Стыки, собранные из рельсов с упрочненными отверстиями, показали при лабораторных ис­ пытаниях на усталость повышенную прочность. Болтовые отвер­ стия снижают усталостную прочность на 40—50%.

Обработкой в штампах, и особенно в сочетании со шлифова­ нием стенок отверстий, молено добиться того, что усталостный излом минует болтовые отверстия и пройдет по неослабленным частям рельса. Однако задача упрочнения стыка вряд ли будет когда-либо решаться таким путем. Во-первых, с течением време­ ни эффект упрочнения уменьшается. Следовательно, появление дефекта № 11 все лее не исключается. Во-вторых, упрочнение отверстий не решает всех проблем прочности стыка (дефекты № 10, 12); и, наконец, введение такой операции в поточном про­ изводстве рельсов представляет большие трудности и не может быть осуществлено без реконструкции рельсоотделочных отде­ лений.

Как указывалось выше, кардинальным решением вопроса является бесстыковый путь. Сварка рельсов электроконтактным способом обеспечивает такую прочность сварного соеди­ нения, которая практически не отличается от прочности рельса.

Стыки тормозят движение поезда, и некоторые авторы оце­ нивают потерю мощности на преодоление стыков в 20% всей затрачиваемой локомотивом мощности. Кроме этого, удары в стыках повреждают колеса и бандажи подвижного состава.

До окончательного решения «стыковой проблемы» нулено ус­ корить выпуск рельсов длиной 25 м. В настоящее время заводы Б и В выпускают такие рельсы, а завод А должен перейти на выпуск их в ближайшие годы. Однако выпуск рельсов длиной 25 м имеет следующие недостатки. Из-за одних и тех лее дефек­ тов на рельсах длиной 12,5 и 25 # количество металла, перехо­ дящего в брак, удваивается. Вырезка дефектных участков мо­ жет быть более гибко и с меньшими потерями металла осуще­ ствлена при раскрое полосы на рельсы длиной 12,5 м. При выпуске рельсов длиной 25 м минимальные потери металла составляют 15—20%. Поэтому в рельсоотделочных отделениях должна быть предусмотрена вырезка дефектных участков и по­ следующая сварка годных рельсов до длины 25 м.

Все отмеченное не исключает требования, что стыки должны поддерживаться в хорошем состоянии. Необходимо строго сле­ дить за величиной стыковых зазоров. Большое значение имеет система и число противоугонов. Подбивка шпал и рихтовка стыков должны обеспечивать правильный профиль пути.

Все указанные мероприятия могут значительно уменьшить выход рельсов по стыковым дефектам.

Вторая группа: расслоения головки

К дефектам второй группы относятся изломы и трещины, вследствие расслоения головки, — дефекты № 20—22 и 26

Рис. 12. Дефекты второй группы

(рис. 12). Расслоения головки могут быть вертикальные (де­ фекты № 20 и 22) и горизонтальные (дефекты № 21 и 26).

Вертикальные расслоения. как в стыковом пространстве (дефект № 20), так и вне его (дефект № 22) возникают в ре­ зультате недостаточной обрези головной части слитка. В макро­ структуре вертикального расслоения всегда наблюдаются лик­ вация серы, остатки усадочной рыхлости и т. д. При улучшении технологии выплавки стали, переходе на изложницы, расширяю­ щиеся кверху, достаточной обрези и пр. этот дефект в рельсах почти исчезает. По данным табл. 2, количество вертикальных расслоений колеблется в пределах 0—2% от общего изъятия рельсов. Более высокие цифры по заводу В получились потому, что на этом заводе только осваивалось производство рельсов.

Особая разновидность вертикального расслоения наблю­ дается тогда, когда по месту расслоя обнаруживается заэвтекгоидная сталь, содержащая структурно свободный цементит. По-