Залавский Н.И. Железнодорожный путь. Учеб. пособ. 2017

Между концами рельсов звеньевого пути оставляют зазоры, изменяющиеся в зависимости от температурных условий: увеличиваются зимой и уменьшаются летом. Так как с ростом величины зазора, при перекатывании колес через стык, резко возрастают ударно-динамические силы, конструктивно ограничивается максимально возможный зазор. Обозначим конструктивно возможный зазор к, его номинальное значение н и максимальное значение с учетом вероятного сочетания всех неблагоприятных допусков и отклонений min; диаметр круглого отверстия в рельсе – D; диаметр стыковых болтов по нарезке – н и по стержню – d ≈ н – 2 мм. Тогда

н = 2[ − ( н − 2)]; min = н − .

Здесь – суммарное влияние неточностей в расположении отверстий в рельсах и накладках и допусков в диаметрах этих отверстий и болтов. Предельное теоретически возможное неблагоприятное сочетание всех указанных факторов может дать ≈ 8 мм. Значение с вероятностью 0,999 будет ≈ 3 мм, что и принято в расчет. По мере разработки болтовых отверстий в рельсах и накладках конструктивный зазор может увеличится до 26–30 мм. Неточность постановки зазоров может доходить до ±1,5 мм. Максимальное значение конструктивного зазора, принимаемого для расчета, т. е. его расчетное значение составляет [ к] = 21 мм.

1.9 Болтовые, клееболтовые и сварные стыки

Болтовые стыки. Основными элементами болтовых стыков являют-

ся накладки и болты с гайками и упругими шайбами. На Российских доро-

гах для рельсов современных типов применяют простые по форме двухголовые накладки.

Нормальная работа болтового стыка обеспечивается:

прочностью накладок;

плотным прилеганием и достаточным прижатием их рабочих граней к рельсу;

достаточной длиной накладок.

Двухголовые накладки изготавливаются распирающими, т. е. они входят как клин между наклонными плоскостями головки и подошвы рельса, образующими пазухи.

Для нормальной работы стыка весьма важно, чтобы стыковые накладки имели достаточную длину. При проходе колеса через стык, силы направленные на отрыв головки от шейки рельса больше при короткой накладке, чем при длинной. При длинных накладках в кривых участках легче обеспечить плавность изгиба рельсовых нитей без образования резких углов в стыках. К рельсам Р75 и Р65 накладки изготавливают взаимозаменяемыми длиной 800 и 1000 мм соответственно четырех- и шестидырные (рис. 3.8), а к рельсам Р50 – длиной 820 мм только шестидырные.

В накладке чередуются круглые и овальные отверстия. В овальные отверстия стыковые болты входят своими овальными подголовниками,

51

мешающими болтам проворачиваться при завинчивании гаек. Чередование круглых и овальных отверстий предопределяет поочередную постановку болтов гайками то наружу колеи, то внутрь.

Рисунок 3.8 – Шестидырная (а) и четырёхдырная (б) накладки Р65

При стыковании рельсов применяются специальные болты с круглой головкой и овальным подголовником.

В настоящее время болты выпускаются: нормальной прочности и по-

вышенной прочности.

Болты нормальной прочности изготавливаются из стали марки 35, a повышенной прочности – из легированной стали марки 40X. Болты подвергаются термической обработке.

Пружинные и тарельчатые шайбы обеспечивают постоянство упру-

гого натяжения стыковых болтов. Пружинные одновитковые шайбы изготавливают из прутков квадратного сечения со стороной 8–12 мм. Служат только против саморазболчивания.

Клееболтовые стыки – накладки приклеиваются к рельсам. Особенностью таких стыков является глухое соединение рельсов. Поэтому таким способом обычно устраивают изолирующие стыки, в которых требуется неизменность стыкового зазора.

Сварные стыки обеспечивают непрерывность рельсовых нитей (поэтому понятие стыка в этом случае становится несколько условным). Сварка стыков может быть выполнена с применением двух технологий: алюминотермитной или электроконтактной.

Применение алюминотермитной сварки нашло широкое применение для сварки стыков в пределах стрелочных переводов, в первую очередь, на железобетонных брусьях. Для главных путей в России применяют в основном электроконтактную сварку, обеспечивающую стык высокого качества и, в меньшей мере, алюминотермитную.

52

1.10 Токопроводящие и изолирующие стыки

На участках, оборудованных электрической сигнализацией, а также на электрифицированных участках рельсовые нити являются токопроводящими. Электрический ток может проходить через рельсовую нить с обычными стыками, однако вследствие появления пленки окислов, покрывающей поверхности металлических элементов стыка и некоторой неплотности прилегания накладок к рельсам сопротивление электрическому току

встыках значительно больше, чем в рельсе. Для обеспечения устойчивой работы устройств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) омическое сопротивление электрическому току в стыке должно быть не более сопротивления целого рельса на длине 3 м.

Для уменьшения сопротивления прохождению сигнального тока че-

рез стык ставят штепсельные стыковые соединители. Они состоят из двух оцинкованных проволок диаметром 5 мм, концы которых входят в конические забиваемые в высверленные в шейках рельсов отверстия диаметром 10,4 мм (по одному с обоих концов накладки). Эти соединители помещают

впазуху стыковой накладки.

Для пропуска сигнального тока применяют также короткие соединители в виде стального троса диаметром 6 мм и длиной 200 мм, привариваемого к головке или подошве рельса.

На электрифицированных линиях для пропуска по рельсам обратного тягового тока с минимальным сопротивлением в стыках ставят приварные соединители из медного троса (рис. 3.9) общим сечением 70 мм2 при постоянном и 50 мм2 при переменном токе. Концы медного троса находятся в стальных наконечниках или манжетах, привариваемых к рельсу электродуговым или термитным способом. Стыковые соединители делают с напуском (изогнутыми) для обеспечения возможности изменения величины стыкового зазора при температурных деформациях рельсов и при регулировке стыковых зазоров в допустимых пределах.

Рисунок 3.9 – Приварной соединитель из медного троса

Изолирующий стык устраивают таким образом, чтобы электрический ток не мог пройти от одного из соединяемых рельсов к другому. Изолирующие стыки устанавливают в створе с входными, выходными, проходными, маневровыми светофорами и на стрелочных переводах. Сдвижка

53

изолирующих стыков относительно светофора допускается до 10,5 м по направлению движения и до 2 м против движения.

Изолирующие стыки с объемлющими накладками (рис. 3.10) применяются в конструкции стыка на весу. Изоляция рельсов в таких условиях обеспечивается постановкой специальных прокладок под накладки и подкладки, а также втулок на болты из фибры, текстолита или полиэтилена. В зазор между рельсами также вставляют изолирующую прокладку, имеющую очертание, соответствующее профилю рельса.

Рисунок 3.10 – Изолирующий стык с объемлющими накладками: 1 – рельс; 2 – объемлющая накладка; 3 – боковая изоляция,

4 – изоляционная втулка; 5 – шайба; 6 – изоляционная шайба, 7 – изоляция подошвы; 8 – подкладка; 9 – болт; 10 – гайка; 11 – пружинная шайба; 12 – головка болта

Клееболтовые изолирующие стыки (рис. 3.11) получили широкое распространение в конструкции бесстыкового пути. В таких стыках используются типовые двухголовые шестидырные накладки, простроганные по верхней и нижней граням, и специальные накладки, облегающие пазуху рельсов (полнопрофильные накладки). Изоляция обеспечивается стеклотканью, пропитанной эпоксидным клеем. Клеевые швы имеют прочность на растяжение вдоль шва до 25–35 МПа; силам, действующим перпендикулярно плоскости накладок, клеевой слой сопротивляется хуже. Это одна из причин того, что при приклеивании накладок к рельсам обычно сохраняют стыковые болты. Кроме того, болты предохраняют стык от расстройства в случае старения или повреждения клеевого слоя. На дорогах России наибольшее распространение получили клееболтовые изолирующие стыки.

Для установки клееболтовых изолирующих стыков усиленной конструкции на бесстыковом пути применяют накладки, облегающие пазуху рельсов.

Стыковые болты от подголовника до начала резьбы также обклеиваются стеклотканью в три-четыре слоя. В зазоры между торцами рельсов помещают электроизолирующие прокладки толщиной 4–6 мм, соответствующие поперечному профилю рельсов. Перед постановкой в зазор про-

54

кладки покрывают клеем. С 1999 г. намечено широкое применение, и в первую очередь на приоритетных пассажирских направлениях, высокопрочных изолирующих стыках с металлокомпозитными накладками, предназначенных для вваривания в плети без уравнительных пролетов.

Рисунок 3.11 – Клееболтовой изолирующий стык:

1 – рельс; 2 – накладка; 3 – болт; 4 – болтовая изоляция; 5 – непрерывная изоляция в зоне стыка; 6 – изоляция накладок; 7 – места строжки накладок

В целях обеспечения высокого качества клееболтовых соединений и геометрической точности стыкуемых рельсов обычно клееболтовой стык устраивают между двумя половинами («близнецами») разрезанного пополам рельса длиной 12,5 или 25 м.

Сопротивления продольным сдвигам рельсов в клееболтовых стыках значительны. Так, у стыков Р65 с двухголовыми накладками они не менее 1000 кН, а у стыков Р65 с полнопрофильными накладками – не менее 3000 кН.

Глава 2. ДЕФЕКТЫ РЕЛЬСОВ И РЕЛЬСОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ

2.1 Дефекты рельсов и их виды

В процессе эксплуатации пути, в рельсах под воздействием подвижного состава, природных и других факторов образуются дефекты и повреждения, угрожающие безопасности движения поездов. Выявление дефектов в рельсах обычно производится средствами дефектоскопии с ис-

пользованием методов неразрушающего контроля.

Неразрушающий контроль рельсов (НК) – способ выявления об-

разования и развития дефектов в рельсах.

Повреждение рельса – появление неисправности (дефекта) при сохранении работоспособного состояния, обеспечивающего безопасный пропуск поездов с установленной скоростью.

55

Разрушение рельса (рис. 3.12) – процесс зарождения и развития в рельсе трещин, приводящий к разделению рельса на части.

Рисунок 3.12 – Разрушение рельса

Трещина (рис. 3.13) – двумерная несплошность в рельсе, два размера которой (длина и ширина) существенно больше третьего (толщины). На начальной стадии развития трещины не приводят к отделению разделенных трещиной частей рельса.

Рисунок 3.13 – Трещина в рельсе

Выкрашивание (рис. 3.14) – поверхностное разрушение рельса в местах контакта с колесами, выражающееся в образовании поверхностных или подповерхностных трещин контактной усталости, развитие которых приводит к отслаиванию и отделению частиц металла.

Рисунок 3.14 – Выкрашивание рельса

56

Излом (3.15) – факт разрушения рельса по всему сечению или с отделением части головки и шейки рельса.

Рисунок 3.15 – Излом рельса

Фокус трещины (рис. 3.16) – очаг разрушения, зона на изломе, откуда началось разрушение.

Рисунок 3.16 – Фокус трещины

Долом (рис. 3.17) – зона на изломе, соответствующая конечной стадии разрушения, четко отделяется от зоны усталостного развития трещины.

Рисунок 3.17 – Долом рельса

Выкол головки (рис. 3.18) – отделение головки рельса до шейки, при сохранении целостности шейки и подошвы.

57

Наибольшее одиночное изъятие дефектных рельсов из-за недоста-

точной контактно-усталостной прочности металла, из-за чрезмерного бокового износа головки в кривых и из-за коррозии подошвы рельса и кор- розионно-усталостных трещин.

Основные причины, вызывающие преждевременное появление дефектов в рельсах: 1) неровности на поверхности катания головки разнообразных форм и размеров; 2) неровности по кругу катания колес подвижного состава разнообразных форм и размеров.

Продление сроков службы рельсов в настоящее время производится путем применения ресурсосберегающий технологий, в частности, хорошим средством восстановления служебных свойств рельсов является их периодическая шлифовка в пути или острожка старогодных рельсов на рельсосварочных предприятиях. Для шлифовки рельсов применяются рельсошлифовальные поезда с абразивными кругами.

Остродефектный рельс (ОДР) – рельс с дефектом, представляющий прямую угрозу безопасности движения из-за возможного разрушения под поездом или схода колёс с рельса. После обнаружения дефекта рельс подлежит изъятию из пути (замене) без промедления или требует принятия специальных мер для пропуска поездов до его замены с учетом специальных рекомендаций.

Дефектный рельс (ДР) – рельс, у которого в процессе эксплуатации происходит постепенное снижение служебных свойств ниже нормативного уровня, но по которому еще обеспечивается безопасный пропуск поездов, хотя в ряде случаев уже требуется введение ограничения скоростей движения. Такие рельсы заменяются в плановом порядке. Режим их эксплуатации до момента устранения дефектов или изъятия назначают в зависимости от конкретных условий.

Контроленепригодный рельс – рельс, на поверхности которого при дефектоскопировании не обеспечивается акустический контакт из-за наличия выкрашиваний или трещин и/или наблюдается срабатывание индикации дефектоскопа при минимальной допустимой чувствительности (определенной нормативной документации на контроль) из-за наличия рябизны или отпечатков, или сильной коррозии.

Фрагмент – часть разрушившегося рельса, образовавшаяся при развитии трещин и разрушении рельса на три и более частей.

Проба – часть разрушенного рельса, которая вырезается из него для передачи на обследование.

Отказ рельса – состояние неисправности с последующим скоростным ограничением.

2.3 Структура обозначения дефектов рельсов

Все дефекты рельсов закодированы трехзначным числом (например, 21.2) с разделением первых двух цифр от третьей цифры точкой.

Структура кодового обозначения следующая (табл. 3.1):

59

первая цифра кода определяет группу дефектов по месту появления дефекта по элементам сечения рельса (головка, шейка, подошва, всё сечение);

вторая цифра кода определяет тип дефекта рельсов с учетом основной причины его зарождения и развития;

третья цифра кода указывает на место расположения дефекта по длине рельса.

Первая цифра кода указывает на место появления дефекта по элементам сечения рельса (головка, шейка, подошва, всё сечение):

1 – трещины и выкрашивания металла на поверхности катания головки рельса;

2 – поперечные трещины в головке рельса; 3 – продольные трещины в головке рельса и в зоне перехода головки

вшейку в стыке;

4 – пластические деформации (смятие), вертикальный, боковой и неравномерный износ головки рельса (длинные волны и короткие волнырифли);

5 – дефекты и повреждения шейки рельса;

6 – дефекты и повреждения подошвы рельса;

7 – изломы рельса по всему сечению; 8 – изгибы рельса в вертикальной и горизонтальной плоскостях;

9 – прочие дефекты и повреждения рельса, включая коррозию подошвы и шейки, а также лишние отверстия в зоне накладок и вдавленная маркировка в зоне стыка.

Вторая цифра кода указывает на тип дефекта рельсов и на основную причину его зарождения и развития:

0 – дефекты, связанные с нарушениями технологии изготовления рельсов;

1– дефекты, зависящие от недостаточно высокого металлургического качества рельсовой стали (например, от местных скоплений неметаллических включений, вытянутых вдоль направления прокатки в виде доро- жек-строчек) и недостаточной прочности рельсового металла, приведшие к отказам рельсов после пропуска гарантийного тоннажа (после окончания срока гарантии);

2– дефекты, зависящие от недостаточно высокого металлургического качества рельсовой стали (например, от местных скоплений неметаллических включений, вытянутых вдоль направления прокатки в виде дорожек-строчек)

инедостаточной прочности рельсового металла, приведшие к отказам рельсов до пропуска гарантийного тоннажа (в пределах срока гарантии);

3– дефекты в зоне болтовых стыков, связанные с повышенным динамическим воздействием колёс на путь, с нарушением требований инструкции по текущему содержанию железнодорожного пути; с нарушениями технологии обработки болтовых отверстий и торцов рельсов металлургическими комбинатами, линейными подразделениями и промышленными предприятиями путевого хозяйства дорог;

60