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

60 ТРЕБОВАНИЯ, П Р ЕД ЪЯ ВЛ ЯЕ МЫЕ К Ж Е ЛЕ ЗН О ДО РО Ж НЫ М РЕЛЬСАМ

рельсах. И только для кривых радиусом 300—450 м термическая, обработка рельсов, по-видимому, не облегчит положение, и если такие кривые будут существовать и дальше, то потребуется укладка в них высоколегированных рельсов, например, из стали Гадфильда.

Девятия группа: истирание и смятие рельсов

Истирание и смятие рельсов объединяются в общее понятие

жения пассажирских поездов. Тогда возвышение и подуклонка оказываются чрезмерно большими для товарных поездов, и из­ лишняя нагрузка приходится на внутреннюю нитку кривой. В случае общего роста скоростей движения без соответствую­ щего переустройства пути боковой износ сосредоточивается на внешней нитке.

Очевидно, что рациональный способ борьбы с боковым изно­ сом состоит в увеличении радиуса кривых. Тогда при любой скорости движения боковые усилия уменьшаются обратно про­ порционально радиусу кривой. Это обстоятельство подтверждает целесообразность реконструкции грузонапряженных линий.

62 ТРЕБОВАНИЯ. ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ РЕЛЬСАМ

ным может считаться такое положение на путях, когда будут ликвидированы все виды массовых дефектов и останется только вертикальный износ рельсов.

Причинами вертикального износа служат напряжения на по­ верхности рельсов, превышающие предел текучести стали, образование закаленных пленок на поверхности, абразивное действие колес и твердых частиц (песок, пыль) и др. Повышение прочности и твердости рельсовой стали резко уменьшает износ рельсов. На рис. 37 показано влияние твердости на износ рель­

структуры к сорбитной. По-видимому, увеличение твердости и по­ лучение тросто-сорбитных структур и тем более структур, содер­ жащих мартенсит, является уже нецелесообразным из-за опас­ ности резкого увеличения количества выщербин и трещин на рельсах.

Дальнейшее повышение износостойкости может быть достиг­ нуто применением легированных термически обработанных рельсов. Долголетние наблюдения за службой рельсов на опыт­ ных участках полностью подтверждают такой вывод. Верти­ кальный износ термически обработанных легированных рельсов к моменту снятия их по каким-нибудь дефектам обычно состав­ ляет десятые доли миллиметра, т. е. почти неощутим.

Можно считать, что даже для термически необработанных рельсов повышение их твердости и прочности путем повышения содержания в стали углерода и марганца уже очень сильно снижает износ рельсов. Известны данные Скакова, полученные на рельсах старого производства, об износе рельсов в зависимо­ сти от содержания элементов, упрочняющих сталь: С, Mn, Si, Р. Из этих данных следует, что рельсы современного производства с содержанием до 0,82 % С и до 1% Мп являются очень стойкими по отношению к нормальному износу.

В тех редких случаях, когда истирание совместно со смятием является причиной снятия рельсов с пути, тоннаж, пропущенный рельсами, бывает очень велик. Так, на одной из дорог восточной зоны на прямолинейном участке, на котором не наблюдается развития явлений контактной усталости, рельсы пропустили до снятия свыше 860 млн. т груза. Такая работоспособность рель­ сов является вполне удовлетворительной и может обеспечить нормальные условия эксплуатации рельсового пути.

Можно отметить, что нормы предельного вертикального из­ носа (6 мм) иногда при эксплуатации не выдерживаются, и рельсы, имеющие даже большой износ, оставляют в пути.

В настоящее время вертикальный износ рельсов не создает особых затруднений эксплуатации рельсов. При введении терми­ ческой обработки рельсов он уменьшится еще больше.

ГЛАВА П

ПРОФИЛЬ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ

ИРЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ

1.Развитие профиля рельсов

Впервые появились деревянные рельсы на рудниках и шах­ тах. Их сменили чугунные рельсы различной формы (тавро­

брусья. Но уже в 1831 г. были изготовлены широкоподошвенные рельсы весом 30 кг/пог. м.

Затем форма рельсов несколько раз изменялась. Широкопо­ дошвенные рельсы заменялись П-образными, двухголовыми, низкими рельсами с малыми боковыми вырезами и т. д. Оконча­ тельно форма высоких широкоподошвенных рельсов была при­ нята в 1858 г., причем рельсы имели сравнительно большой вес

(до 43 кг/пог. м).

К 1865 г. относится переход на стальные рельсы. При этом уменьшились размеры поперечного сечения и вес 1 пог. м (с 43 до 25 кг/пог. м). Первые стальные рельсы были уложены в 1866 г. на Николаевской, Нижегородской и Петербургско-Вар­ шавской железных дорогах. Уже короткий период эксплуатации показал, что стойкость стальных рельсов примерно в 150 раз больше, чем стойкость железных. Начиная с этого времени (1866—1870 гг.), стальные рельсы получают широкое распрост­ ранение как на русских, так и на иностранных, железных доро­ гах.

Характерно изменение цен железных и стальных рельсов. Сталь должна стоить дешевле железа. Однако пока бессемеров­ ский процесс представлял собой техническую новинку, сталь стоила в три раза дороже пудлингового железа. Но уже к 1880 г. цены на железные и стальные рельсы сравнялись.

В 1865 г. начали изготавливать рельсы из кислой, а затем и основной мартеновской стали. При этом оказалось возможным снизить содержание фосфора в рельсах до 0,04—0,05%, т. е. почти до современных норм. В основных мартеновских печах

основные положения улучшения свойств рельсов и совершен переход .к современным рельсам из высокоуглеродистой стали с уравновешенным профилем плавных очертаний.

Для объяснения особенностей современных рельсов и даль­ нейшего изменения их формы особое значение имеет переход от рельса 1а к профилю 1 у, который сейчас известен как рельс Р-43\

На рис. 38 показано совмещение профилей рельсов 1а (пунк­ тир) и Р-43. Площади поперечного сечения и моменты инерции рельсов изменились незначительно. Но профиль рельса 1а отли­ чается от Р-43 меньшими радиусами закруглений под головкой и при переходах к подошве, прямой и более тонкой шейкой, бо­ лее широкой и тонкой подошвой.

При конструировании рельса 1а старались получить макси­ мальный момент инерции и наиболее устойчивый в поперечном направлении рельс. Однако это повело ко многим недостаткам профиля. Малый радиус закруглений под головкой приводил к излишней концентрации напряжений и возникновению в этом месте усталостной трещины по дефекту № 70. Более тонкая шей­ ка вообще оказалась недостаточно прочной, и тонкая подошва

подкладок имеет стрелу .прогиба 0,3—0,7 мм. Но даже в идеаль­ ном случае .невозможно добиться полного совпадения плоско­ стей .подошвы и подкладки. Обследование подкладок и рельсов, проработавших некоторое время в пути, показало, что никогда прилегание не бывает полным и чаще всего наблюдается сопри­ косновение по краям .подкладки с зазором посредине. Вследст­ вие этого создается момент, изгибающий подошву рельса в попе­ речном направлении. Широкая и сравнительно тонкая подошва является причиной того, что напряжения в средней части дости­ гают опасной величины.

В средней трети по ширине подошвы часто располагаются металлургические пороки. К. ним относятся волосные трещины, закаты, строчки неметаллических включений. Любое из этих на­ рушений сплошности металла играет роль активного концентра­ тора напряжений и ведет к образованию продольной трещины в средней части подошвы. Трещина, постепенно удлиняясь, за пре­ делами подкладок меняет направление на поперечное, вызывая хрупкое разрушение рельса.

Указанные особенности профиля рельса 1а приводили к боль­

был рельс 1а. Позже было начато производство рельсов Р-43. Эти рельсы только постепенню получили распространение, так что невозможно указать определенный 1Моменгг перехода к тяже­ лым рельсам. Сопоставление 1935—1936 гг. с 1950—1951 гг. по­ казывает, что количество изломов из-за волосовин в подошве сократилось с 30 до 5% общего съема рельсов с пути. В настоя-

5*

68 ПРОФИЛЬ ЖЕ ЛЕ ЗН ОД ОР ОЖ НЫХ РЕЛЬСОВ И РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ

щее время этот вид дефекта составляет десятые доли процента по отношению к общему изъятию рельсов.

В рельсах Р-43 было повышено содержание углерода. Соот­ ветственно возросла и прочность стали. Это способствовало снижению количества дефектов подошвы и шейки, уменьшило истирание и смятие рельсов, но снизило ударную вязкость стали, особенно при низких температурах. Поэтому уменьшилась спо­ собность рельсов сопротивляться динамическому воздействию в зимних условиях.

Эксплуатация рельсов Р-43 очень быстро вскрыла многочис­ ленные недостатки их профиля. По-прежнему относительное снятие рельсов с пути было высоким. Вследствие недостаточной прочности шейки и подошвы возникли массовые повреждения в стыках и горизонтальные трещины посредине шейки. Снятие рельсов с пути по этим дефектам составляло до 45% общего вы­ хода рельсов.

Кроме этого, из-за узкой подошвы и недостаточной жестко­ сти рельсов Р-43 на изгиб давление на шпалы и, следовательно, на балласт было велико. Это способствовало быстрому накопле­ нию деформаций в балласте и вызывало большие . дополнитель­ ные расходы на его ремонт.

Вследствие этого был разработан новый профиль рельсов Р-50 (ГОСТ 3542—47, рис. 39). В этом профиле увеличена высо­ та рельса, значительно увеличена ширина подошвы и ее толщи­

толщина шейки и радиусы сопряжений шейки с головкой и по­ дошвой. Увеличение площади шейки вызвало относительное уменьшение головки рельса.

Профиль оказался еще более уравновешенным, и распреде­ ление металла по сечению получилось следующим: 39,5% в го­ ловке, 22,2% в шейке, 38,3% в подошве. Такое распределение металла благоприятно сказывалось и на уменьшении коробления рельсов при охлаждении после прокатки.

Наблюдения за службой рельсов Р-50 показали, что в первые годы общее изъятие их из пути было невелико и составляло в год около 0,02% от общего количества рельсов, лежавших в пу­ ти. По дефектам, вызванным недостаточной прочностью шейки и подошвы рельса, снималось 29% от общего количества рельсов, снимаемых с пути. По группам дефектов это количество распре­ делялось так: первая 60, четвертая 14 и седьмая 26%• При этом выход по дефекту № 70 почти прекратился, но зато большее ко­ личество рельсов стало сниматься с пути по трещинам посреди­ не шейки. Из-за вертикального износа рельсы редко снимались с пути.

В дальнейшем были разработаны еще четыре профиля рель­ сов каждый весом 50 кг/пог. м: Р2, РЗ, Р4, РТ50. В основу проектирования этих профилей были положены следующие сооб­ ражения. Упрочнение шейки и подошвы рельсов при постоянном весе 1 пог. м возможно только путем уменьшения размеров го­ ловки. Повышение содержания углерода в рельсовой стали уве­ личивает износоустойчивость ее и допускает возможность умень­ шения металла в головке.

Рис. 39. Профиль рельса Р-50 до корректировки

Профиль рельса Р2 изображен на рис. 40. Особенностью его является то, что шейка рельса сопрягается с головкой не дугой круга, а дугой эллипса с осями 6 и 20 мм. Такое сопряжение вы­ звано тем, что наибольшая концентрация напряжений возникает в точке сопряжения выкружки с шейкой, и поэтому здесь необ­ ходимо иметь наибольший радиус кривизны. Сопряжение с го­ ловкой допустимо меньшим радиусом. Вместе с тем такое со­ пряжение при принятой ширине головки оставляет еще доста­ точно большие опорные поверхности для накладок и позволяет сохранить накладки заклинивающегося типа.

Головка рельса сужена вверх. Уклон составляет 1 :20, и при принятой ширине головки по верхней части 62 мм оказывается возможным увеличить высоту головки на 3 мм по сравнению со старым стандартным рельсом Р-50. Такое очертание головки уменьшает возможный эксцентриситет приложения нагрузки от