автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Условия зарождения и развития усталостных трещин в головке рельсов и повышение эксплуатационной стойкости рельсовых плетей

МЕЖДУНАРОДНЫЙ МЕЖАКАДЕМИЧЕСКИЙ СОЮЗ

на правах рукописи УДК 625.143.3; 625.031.4

Волков Владимир Иванович инженер

УСЛОВИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ И РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В ГОЛОВКЕ РЕЛЬСОВ И ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ

Специальность: 05.02.22 Организация производства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада

Москва — 2005

Работа выполнена на Горьковской железной дороге - филиале ОАО «РЖД»

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Иванов Петр Степанович

Научный консультант: кандидат технических наук доцент Косенко Сергей Алексеевич

Официальные оппоненты: 1. доктор технических наук профессор Переселенков Георгий Сергеевич

2. кандидат технических наук Букин Михаил Николаевич

Защита состоится « » апреля 2005 г. на заседании диссертационного Совета Д-097.024 МАИ.032, Высшей Межакадемической Аттестационной Комиссии.

С диссертацией можно ознакомиться в диссертационном Совете МАИ г. Москва, Минаевский переулок, дом 2, ауд. 7518

Автореферат разослан:« » марта 2005 г.

Отзывы на автореферат в 2-х экз., заверенные печатью, просим направлять по адресу: 603002, г.Н. Новгород, ул. Обухова, дом 34-а, Центр «Диагностика», Ученому секретарю Совета Г.Е. Лазареву.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д-097.024. МАИ.032, академик, доктор технических наук профессор

Лазарев

Георгий Евграфович

ZQ06-4

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Железнодорожный транспорт Российской Федерации составляет основу транспортной системы страны и на его долю приходится около 50% пассажи-рооборота в дальнем и пригородном сообщении и более половины внутреннего грузооборота.

Для полного удовлетворения потребностей населения в перевозках грузов и пассажиров с требуемой надежностью и безопасностью, железнодорожный путь всегда должен находиться в исправном состоянии, обеспечивать требуемую стабильность и надежность, а также характеризоваться низкими эксплуатационными расходами и низкой балльностью.

Под воздействием природных условий и поездной динамической нагрузки, железнодорожный путь расстраивается, что характеризуется появлением перекосов, просадок, толчков, выплесков, пучин, угона пути и прочих остаточных деформаций пути, ведущих к ускоренному износу и выходу из строя всех элементов рельсошпальной решетки.

Появление перечисленных и многих других расстройств, отказов и разрушений элементов рельсошпальной решетки связано с действием дополнительных локальных напряжений, возникающих в рельсовых плетях железнодорожного пути. Особое значение в появлении в рельсах дополнительных нагрузок связано с качеством взаимодействия рельса с колесом, и особенно с качеством изготовления железобетонных шпал и элементов рельсового скрепления, которое можно охарактеризовать как качество рельсошпальной решетки.

На некачественной рельсошпальной решетке с отклонениями по параметрам рельсовой колеи, при движении поезда возникает нерасчетное взаимодействие пути и подвижного состава с локальной перегрузкой элементов взаимодействия по длине пути. Как правило, нерасчетное взаимодействие пути и подвижного состава сопровождается ударным воздействием колеса и рельса с перегрузкой зоны взаимодействия. При ударном взаимодействии колеса и рельса в головке рельса возникают напряжения, превышающие предел выносливости. При этом в головке рельса зарождаются и начинают развиваться дефекты контактно-усталостного происхождения в виде горизонтальных вертикальных и поперечных трещин. В результате, в головке рельса появляются дефекты контактно-усталостного происхождения по Рис. 10, 11, 21, 30 доля которых от общего количества дефектов в рельсах достигает 70%.

Исследованию вопросов взаимодействия пути и подвижного состава, проблемам бесстыковом пути, расчету напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей, условиям зарождения и развития дефектов рельсов посвящены труды многих отечественных и зарубежных ученых, таких как Альбрехт В.Г.,Абдурашитов А., Ангелейко В.И., Барабошин В.Ф., Барыкин Ф.Д., Бромберг Е.М., Вериго М.Ф., Варазгин Е.С., Волошко Ю.Д., Ефремов Ю.В., Евдокимов Б.А., Иванов П.С., Карпущенко Н.И., Коган А.Я., Клинов С.И., Кохов Л.Д., Крысанов Л.Г., Косенко С.А., Лысюк B.C., Мусаев С.К., Рыбкин В.В., Новакович В.И., Соломонов С.А., Сырейщиков Ю.П., Смирнов М.Г., Терехов Л.Н., Уразбеков А.К., Ушкалов В.Ф., Цуканов П.Ю. Чубуков В.В., Чередниченко С.П., Шур Е.А. и многих, других исследователей.

Поскольку вопрос зарождения и развития дефектов в рельсах контактно-усталостного происхождения связан с напряженно-деформированным состоянием рельсовой плети, теорией прочности и теорией усталости, то в теоретическом и расчетном плане представляют интерес работы Афанасьева H.H., Болотина В.В., Биттибаева С.М., Гребенюка В.М., Давыденкова H.H., Ивановой B.C., Карненко Г.В., Кликова H.A., Кочаева В.П., Нефедова С.Ф., Одинга H.A., Самохоцкого А.И., Серенсена C.B., Соколова Л.Д., Трощенко В.Г., Ужика Г.В., Яковлева В.Ф. и других. А также зарубежных ученых Бакофен У.А., Вуд У.А., Гарисс У.Дж., Томисон Н., Паркер Э.Р., Фенкор А.Дж, Гролер Г.Дж, Коффен Л.Ф., Майнер М.А., Форст Н.Е., Хомнель М. и дргие.

Большинство исследователей считает, что главной причиной зарождения и развития контактно-усталостных дефектов в головке рельсов и изломы рельсов под поездами по этим дефектам происходят из-за недостаточной контактно-усталостной прочности рельсовой стали. Эта, самая общая характеристика причин дефектов контактно-усталостного происхождения не позволяла разработать предложения направленные на их предотвращение и устранение с целью повышения рабочего ресурса рельсов и железнодорожного пути в целом. Настоящее исследование связано с выяснением природы контактно-усталостных дефектов рельсовых плетей с разработкой мер по их предотвращению и устранению. Исследования носят практический характер и актуальны как для Горьков-ской железной дороги, так и для других дорог Российской Федерации и стран СНГ, где внедряется и эксплуатируется бесстыковой путь и направлены на внедрение ресурсосберегающих технологий в путевое хозяйство дорог.

В этой связи, исследование причин зарождения и развития контактно-усталостных дефектов в головке рельсов бесстыкового пути с целью их предотвращения и устранения и повышения эксплуатационной стойкости рельсовых плетей носят актуальный характер.

Цель исследования заключается в анализе условий зарождения и развития трещин контактно-усталостного происхождения в головке рельсов для предотвращения и устранения, этих условий, и повышения за счет этого, эксплуатационной стойкости рельсовых плетей.

Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:

• сбор и обработка статистических данных по контактно-усталостным дефектам в головке рельсов на ГЖД и на сети дорог РФ;

• металлографические исследования срезов объемнозакаленных рельсов Р65 с дефектами контактно-усталостного происхождения;

• расчет напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей под поездной нагрузкой;

• расчет дополнительных ударных нагрузок колесной пары подвижного состава о боковую грань рельса;

• метрологические исследования и контроль качества изготовления элементов рельсошпальной решетки;

• натурное обследование участков пути с дефектами контактно-усталостного происхождения или с изломами рельсов по ним;

• разработка ресурсосберегающей системы, направленной на повышение качества изготовления элементов рельсошпальной решетки, выходного качества рельсошпальной решетки и повышения эксплуатационной стойкости рельсовых плетей.

Научная новизна заключается в том, что в ней:

• представлена новая кинетика зарождения и развития трещин в головке рельса контактно-усталостного происхождения;

• предложена и доказана рабочая гипотеза о зарождении дефектов

в головке рельса как результат ударного воздействия колесной пары подвижного состава с боковой рабочей гранью рельса;

• получена расчетная зависимость силы удара колеса о рельс в зависимости от скорости движения поезда, осевой нагрузки, величины бокового смещения и параметров пути и колесной пары подвижного состава;

• разработана и внедрена система контроля качества рельсошпальной решетки, направленная на повышение эксплуатационной стойкости рельсовых плетей.

На защиту выносятся:

• рабочая гипотеза об условиях зарождения и развития контактно-усталостных дефектов в головке рельса железнодорожного пути;

• методика натурного обследования участков железнодорожного пути с контактно-усталостными дефектами в головке рельсов;

• система контроля качества путевой решетки при её сборке на звенос-борочных базах путевых машинных станций;

• система оценки качества рельсошпальной решетки и качества капитального ремонта пути по лентам вагона-путеизмерителя.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• установлены причины и механизм зарождения и развития дефектов контактно-усталостного происхождения в головке рельсов бесстыкового пути под поездной нагрузкой;

• разработаны предложения по снижению дополнительных ударных нагрузок колеса на рельс на некачественной рельсошпальной решетке с отступлениями по параметрам рельсовой колеи;

• повышена эксплуатационная стойкость рельсовых плетей по контактно-усталостным дефектам в головке рельсов;

• увеличен рабочей ресурс рельсовых плетей, рельсошпальной решетки и железнодорожного пути в целом при улучшении качества путевой решетки.

Реализация результатов работы. Результаты настоящих исследователей внедрены на Горьковской железной дороге и на сети дорог РФ. В 1995 году был отменен ГОСТ 10629-88 на шпалы железобетонные и заменен первоначально ТУ 5864-96, а позднее стандартом отрасли ОСТ 32.132-2000, где были скорректированы колеюобразующие размеры железобетонных шпал.

Первая опытная сборка качественной рельсошпальной решетки была проведена в 1997 году на звеносборочной базе ОПМС-40 на ст. Каликино ГЖД. В 1998 году и последующие годы на Горьковской железной дороге отрабатывалась технология сборки качественной рельсошпальной решетки с отбраковкой негодных элементов путевой решетки и сортировкой оставшихся.

С 1999 года система повышения качества собираемой рельсошпальной

решетки на железобетонных шпалах внедряется во всех ПМС ГЖД, а с 2000 года и на железных дорогах Казахстана. В 2004 году на Горьковской железной дороге, в соответствие с приказом 151/Н от 22.04.2004 года ведется сборка высокоточной рельсошпальной решетки при капитальном ремонте пути с шириной колеи не более 1520 ± 2.0 мм.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на технико-экономических советах службы пути Горьковской железной дороги в 1998 -2005 годах, на конференциях РГОТУПС, ДИИТа, МИИТа, ПГУПСа, КАЗАТК в 2000-2004 годах, на заседании секции Путевого хозяйства Научно-технического совета МПС РФ в 1998-2004 годах, в Департаменте пути и сооружений МПС в 2000-2004 годах, Научно-практической конференции «Колесо-рельс 2003» ВНИИЖТ, Москва-Щербинка, 2003, XVII межвузовской конференции «Актуальные проблемы естествознания», Москва-Н.Новгород РГОТУПС, 2004 XI международной конференции «Проблемы механики железнодорожного транспорта», Днепропетровск, ДИИТ, 2004г., Научно-технической конференции «Современные проблемы путевого комплекса», Москва, МГУПС, 2004г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе получено два патента на изобретения, где основные результаты принадлежат автору.

1. АНАЛИЗ СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ

Статистические данные по дефектным и остродефектным рельсам железнодорожного пути

Обобщенная характеристика количества дефектных и остродефектных рельсов по годам на Горьковской железной дороге и на сети дорог представлена в виде диаграмм на Рис. 1 и Рис. 2. На Рис. 3 представлена диаграмма общего грузооборота на сети дорог РФ, а на Рис. 4 - значения коэффициентов выхода рельсов по дефектным и остродефектным признакам. В таблице 1 представлены статистические данные по остродефектным рельсам, снятые с путей на сети дорог РФ с 1991 по 2004 год, а в таблице 2 представлены сведения по дефектным и остродефектным рельсам Горьковской ж.д., снятые с главных путей в 2000-2004 годах.

В таблице 1 представлено количество изъятых с пути остродефектных рельсов по основным дефектам с 1991 по 2004 год в соответствие с учетной формой ПО-4. Здесь же приведены сведения о суммарном изъятии рельсов по группам дефектов в головке, шейке и подошве рельсов, общее годовое изъятие рельсов и значение коэффициента выхода рельсов. Коэффициент выхода это количество дефектных рельсов, приходящихся на 1 миллион тарифных тонно-километров общего грузооборота.

Наибольшее количество дефектных и остродефектных рельсов на ГЖД имело место в 1994 году и составляло соответственно 57986 шт. и 20046 шт.

Наибольшее количество дефектных и остродефектных рельсов на сети дорог РФ приходится на 1995 год и составляло соответственно 489699 шт. и 157834 шт. Коэффициенты выхода рельсов наибольшими были в 1995 году и составляли по сети дорог 0,130 по остродефектным рельсам и 0,403-по дефектным. Начиная с 1996 года по 2004 год отмечается значительное уменьшение количества дефектных и остродефектных рельсов в пути и снижение значений коэффициентов выхода рельсов, что представлено графически на Рис. 1-4.

По приведенным статистическим данным по дефектам рельсов, можно констатировать.

1 С 1990 года по 1995 год на ГЖД и на сети дорог РФ произошел значительный рост количества дефектных и остродефектных рельсов в пути при существенном снижении грузооборота.

2. Количество дефектов первой группы увеличилось с 28 тысяч в 1992 г. до 53 тысяч в 1996г , затем снизилось до 37 тысяч в 2001 г , а в 2004 году снова увеличилась до 47 тысяч шт.

3. Количество дефектов по боковому износу (код 44) увеличилось с 23 тысяч в 1992 г. до 47 тысяч в 1995 г и снизилось до 11 тысяч в 2004 году

3. Общее количество дефектов четвертой группы увеличилось с 39 тысяч в 1992г. до 47 тысяч в 1995 г. и снизилось до 18 тысяч в 2004 году.

5. Общее количество дефектов в головке рельса увеличилось с 94 тысяч в 1992 г. до 145 тысяч в 1995 г., максимально снизилось до 79 тысяч в 2001 г. и в последующие годы (2002-2004) стабилизировалось на уровне 100 тысяч штук, что составляет 90 - 92 процента от общего количества дефектов.

Статистика дефектов

60000

3626 4231

4388 4520 4420

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

* Количество дефектных рельсов неходяпрося в пути по состоянию не конец года (ПО-1) Годы

Количество остродефектных рельсов, снятых с пути за год, вследствие изломов, дефектов и повреждений (ГТСМ)

Рис.1 Количество дефектных и остродефектных рельсов погодам на Горьковской т.д.

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Годь

• Количество дефектных рельсов находящихся в пути по состоянию на конец года (ПОИ) —Количество остродефегтных рельсов снятых с пущ за год вследствие изломов дефектов и повреждений (ПСМ)

Рис 2 Количество дефектных и остродефектных рельсов по годам на сети дорог РФ

Коэффициенты выхода рельсов

2500

2 000

1500

1000

500

Т, 10

325911 1 ! 67064

1 >07749 1 t336¿8 1 10201 668,92 1

1 19547 1 213711 131251 111028 1 ' 1 >19548 1 204550 J73179

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 ■ Грузооборот на сета дорог РФ, млн.тармфных Т.КМ

Рис.3 Грузооборот на сети дорог РФ

wruMwwmn toa —«ож1фад«мт Кд —аамНиментКв^СцнМ

Рис.4 Значения коэффициентов выхода рельсов по годам на сети дорог РФ.

Таблица 1. Сравнительные данные о рельсах снятых с путей

вследствие изломов, дефектов и повреждений на сети дорог РФ с 1991г. по 2004 г. (Форма ПО-4)

Вид дефекта рельсов Код дефекта Выход по годам

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

Дефекты по поверхности катания 10 6542 5570 5478 6092 9795 9988 10194 9870 11599 8968

II 11313 8572 9018 10184 11912 11368 7483 7063 6328 4282

14 6555 4650 4091 6614 8490 9864 8118 9197 9286 7551

17 11561 9742 12231 16631 15742 21612 18508 17547 21123 16856

1 -ая группа Итого 36853 28943 31314 40175 46640 53855 44909 44618 49681 38700

Поперечные трещины в головке рельса 20 740 330 221 248 313 321 198 168 199 200

21 28740 16743 14169 12765 13748 12264 19574 10051 10350 9845

24 1495 1162 1029 1119 1406 1794 1451 1404 1349 1438

26 3149 1486 1486 1671 2416 2641 2291 1990 2110 2042

2-ая группа Итого 34477 19953 17167 16441 18623 17825 15292 14464 14665 14168

Продольные трещины в головке рельса ЗОв 2006 1199 1253 1556 1504 1381 1208 1039 873 721

ЗОг 6862 4051 3672 3730 3813 3698 3642 3190 3494 3838

38 798

3-я группа Итого 9666 5733 5455 5938 6058 5756 5516 4853 5034 5228

Смятие и износ головки 40 1698 625 892 290 428 317 232 179 201 64

41 13586 8976 13264 11160 18314 13109 6551 6933 9107 4411

43 2126 1281 1569 2251 2462 3852 8709 1143 647 522

44 33317 23640 28722 29275 47631 37803 27707 17744 15168 14519

46 1857 829 857 984 1058 1485 1176 923 911 731

47 4072 3979 3925 3090 4386 2513 2671 2000 1702 1165

4-ая группа Итого 57152 39498 49546 47350 74370 59209 47193 29242 27871 21443

Всего по головке Итого 138148 94127 103482 109904 145691 136639 112910 93177 97251 83539

Дефекты в шейке рельса 50 361 100 105 135 146 134 133 92 91 106

52 7719 3114 2744 2554 2253 1793 1364 1276 1382

53 19847 8629 7377 7365 4342 3348 2877 2192 2174 1831

56 417 203 231 220 386 405 370 421 378 480

59 68 23 25 19 23 39 7 21 17 12

5-ая группа Итого 28911 13492 10815 10597 7530 6258 5119 4379 4409 3928

Дефекты в подошве рельса 60 309 134 107 126 176 182 179 176 188 139

62 146 94 68 83 128 82 125 70 70 78

65 442 72 46 73 113 98 89 104 \И 103

66 196 102 141 164 256 261 235 205 238 257

69 1295 236 251 245 467 286 304 229 381 236

6-ая группа Итого 2388 638 613 691 1140 909 932 784 938 813

Изломы рельсов по всему сечению 70 158 37 27 18 18 10 4 9 4 14

74 38 5 6 9 1 2 2 3 1 6

79 181 102 94 88 43 41 24 9 86 24

7-ая группа Итого 377 144 127 115 62 53 30 21 91 44

Изгибы рельсов 8-ая группа 95 82 50 60 174 112 73 258 354 138

Прочие дефекты 9-ая гр 2902 1453 1002 1965 3237 3676 2488 4496 3783 2940

Всего 172821 108866 116089 123032 157834 147653 121552 103167 10688 2 87402

Коэф-т выхода рельсов К 0 050 0 055 0 072 0 103 0 13 0 131 011 0 101 0.089 0 064

Продолжение Таблицы 1. Сравнительные данные о рельсах снятых

с путей вследствие изломов, дефектов и повреждений на сети дорог РФ с 1991г. по 2004 г. (Форма ПО-4)

Вид дефекта ретьсов Код дефекта Выход по годам

2001 2002 2003 2004 200^ 2006 1 2007 2008 2009

Дефекты но [ювсрхносги катания 10 11 Ч7Я 12107 П<МЧ 11773

3428 3687 4228 4461

14 7152 8068 8814 9756

17 16069 19626 20292 19623

1-ая группа Итого 37714 45462 48666 47612

Поперечные трещины в головке рельса 20 139 146 235 167

21 11516 14802 14775 16352

24 1620 2190 2082 2582

26 2010 2518 2518 2728

2-ая группа Итого 16056 20708 20509 22687

Продольные трещины в головке рельса ЗОв 683 887 732 750

ЗОг 4289 9402 9555 10735

38 850 851 1111

3-я группа Итого 5666 11138 11140 12596

Смятие и износ головки 40 79 217 36 216

41 5928 5144 4555 4344

43 654 529 389 350

44 11751 14387 9788 11803

46 681 1146 932 1222

47 1308 1211 832 689

4-ая группа Итого 20460 22704 16842 18640

Всего по головке Итого 78996 100012 97155 10135

Дефекты в шейке рельса 50 77 83 134 128

52 1012 1058 1227 1164

53 2076 2412 2749 3208

56 339 456 411 493

59 10 12 24 17

5-ая группа Итого 3887 4624 5414 6289

Дефекты в подошве рельса 60 168 166 172 184

62 92 85 82 103

65 173 137 130 203

66 209 279 314 440

69 208 226 296 304

6-ая группа Итого 850 893 994 1234

Изломы рельсов по всему сечению 70 6 2 0 1

74 1 0 1 5

79 31 31 34 46

7-ая группа Итого 38 33 35 52

Изгибы рельсов 8-ая группа 174 85 158 90

Прочие дефекты 9-ая гр 1932 2288 2893 3407

Всего 86777 107935 106651 112607

Коэф-т выхода рельсов К 0 060 00715 0 064 0 062

Таблица 2. Сравнительные данные о рельсах, снятых с путей вследствие изломов, дефектов и повреждений на Горьковской ж.д. (Форма ПО-4)

Виды дефектов или повреждения рельсов Код дефекта Снято с главных путей

2000г. 2001г. 2002г. 2003г. 2004г.

Отслоение и выкрашивание металла на поверхности катания головки рельса 10 798 923 1199 1085 1239

11 524 391 472 584 533

14 221 210 379 240 367

17 959 1535 1515 1332 1374

18 49 104 68 79 147

Всего lip. 2551 3163 3633 3320 3660

Поперечные грещины в головке рельса и изломы из-за них 20 10 18 17 15 0

21 722 879 1608 1560 1751

24 16 29 42 37 45

25 6 0 1 3 0

26 164 161 289 301 296

27 9 18 28 42 40

Всего 2гр. 927 1105 1985 1958 2132

Продольные горизонтальные и вертикальные трещины в головке рельса 30 494 576 994 969 1063

38 61 51 60 75 99

Всего 3 гр. 555 627 1054 1044 1162

Смятие, равномерный и неравномерный износ головки 40 19 23 15 21 17

41 367 741 827 687 614

43 62 43 40 20 27

44 673 438 459 412 567

46 IS1 235 370 264 316

47 324 250 350 381 99

Всего 4 гр. 1630 1731 2066 1786 1645

Всего по головке 5663 6626 8738 8108 8599

Дефекты и повреждения шейки рельса 50 01 1 4 6 1

52 91 98 III 117 93

53 241 260 205 283 260

55 17 30 43 50 65

56 17 18 , 11 18 17

59 0 2 0 2 6

Всего 5 гр. 366 409 384 476 442

Дефекты и повреждения подошвы рельса 60 6 8 14 , 6 7

62 7 3 1 г 7 4

65 2 5 7 4 4

66 69 2 ^ 8 1 5 18

29 46 45 53 76 42

Всею 6 гр. 65 0 83 98 75

Изломы рельсов по всем> сечению 70 2 0 0 0 0

74 ! о 0 0

79 4 4 1 3 I 1 0 1 1 3 3

1 Всего 7,р. 6 4 1 3

Ил ибы рельса в вертикальных и 85 4 1 1 1 0

гори!онтальны\ плоскостях 86 3 2 , 4 3

| Всего 8 гр. 7 3 5 3

| Прочие 99 18 2 15 30 47

1 Beel о 9 гр. 18 2 15 30 47

ИТОГО 6106 7109 9228 8714 9208

6. Количество дефектов пятой группы снизилось с 13 тысяч в 1992г. до 7 тысяч в 1995г. и составило 6 тысяч шт. в 2004 году.

7. Ежегодное количество дефектов шестой группы с 1992г. по 2004 год находится в пределах одной тысячи штук.

8. Изломы рельса под поездами по металлургическим причинам (код 70) в последние годы на сети дорог крайне редки и составляют 0-1-2 излома в год

9. Количество дефектов заводского происхождения, а именно дефекты по кодам 20, 40, 50, 60 очень незначительно, и обычно находится в пределах 100200 дефектов в год.

10. Дефекты заводского происхождения по коду 10 с 1995 г. по 2004 год ежегодно достигают 10 - 13 тысяч штук, а дефекты по коду 30 в 2002 -2004 годах также достигали 10 тысяч штук.

Анализ статистических данных по дефектным и остродефектным рельсам

Представленные выше сведения по количеству дефектных и остродефектных рельсов, позволяю утверждать, что наибольшее количество дефектов рельсов возникает в головке рельса и имеет контактно-усталостное происхождение. К дефектам по головке рельса относятся дефекты первой, второй, третьей и четвертой группы, которые в сумме составляют 90-92 процента от всех дефектов рельсов.

Количество изломов рельсов в пути по заводской причине (дефект 70) очень незначительно и составляет 0-1-2 излома в год на сети. Этот показатель говорит о высоком металлургическом качестве рельсовой стали. Высокое металлургическое качество рельсовой стали подтверждает статистика дефектов по кодам 20,40, 50, 60 годовое количество которых на сети дорог РФ находится в пределах от 100 до 200 рельсов.

Но количество дефектов по коду 10 ежегодно находится в пределах 10+13 тысяч штук, а по коду 30 также в пределах 10-11 тысяч штук, что говорит о неправильной классификации этих дефектов.

К дефектам металлургического производства в настоящее время относят дефект 11, общее количество которых в последние годы достигало 4-4,5 тысяч штук и дефект 21с годовым количеством от 11 до 16 тысяч рельсов. В головке рельса по металлургическим причинам возникает дефект 17, годовое количество которых достигает 19-20 тысяч штук, и дефект 44 который в последние годы дает 10-14 тысяч рельсов.

Общее количество контактно-усталостных дефектов в головке рельсов на сети дорог РФ за последние три года стабилизировалось на уровне 100 тысяч дефектов и доля этих дефектов в общем количестве превышает 90 процентов. Большинство контактно-усталостных дефектов в головке рельсов проявляется в виде трещин, что характеризует процесс разрушения. Однако, этот процесс очень нестабилен и характеризуется большим разбросом по пропущенному тоннажу. Поэтому необходимо рассмотреть наработку рельсов до изъятия и зависимость срока службы рельса, от его наработки.

Усталость рельсовой стали следует рассматривать как свойство стали к трещинообразованию при воздействии дополнительных нагрузок и перегрузок. В этой связи, необходимо изучить условия взаимодействия пути и подвижного состава и определить условия перегрузок рельсов, при которых идет зарождение и развитие трещин.

Причины резкого увеличения количества дефектных и остродефектных рельсов в пути на сети дорог РФ

В начале 90-х годов двадцатого столетия на железных дорогах Российской Федерации произошло резкое увеличение количества дефектных и остродефектных рельсов в пути, максимум которых пришелся на 1995 год (Рис. 2) Резкое увеличение количества дефектных и остродефектных рельсов в пути происходило при значительном снижении грузонапряженности на железных дорогах сети и общего грузооборота. Интенсивность бокового износа рельсов в кривых возросла в 8-10 раз! Значения коэффициентов выхода рельсов на сети дорог за эти годы также увеличились в 6-8 раз (Рис. 4). Максимальное количество изъятия рельсов в 1995 году по дефекту 44 составило 47631 рельс и по дефекту 41 - 18314 штук, а в 2004 году соответственно 11803 и 4344 штук.

Основной причиной резкого увеличения количества дефектных и остродефектных рельсов в пути, интенсивного износа боковой рабочей грани рельсов подрезки гребней колес подвижного состава явилось сверхнормативное зауже-ние ширины рельсовой колеи до значений в 1510 — 1508 мм и меньше.

В 60-х годах прошлого столетия ширина рельсовой колеи составляла 1524мм +6, -2 мм. В начале 70-х годов была введена унифицированная ширина колеи в 1520 мм с допусками +6, - 4мм. В настоящее время поле допусков рельсовой колеи +8, -4мм. Минимально допустимая ширина рельсовой колеи, уменьшилась с 1522 мм до 1516 мм. Следовательно, рельс приблизился к гребню на 6 мм.

Высота измерительных лапок путевого шаблона в 60-х годах была уменьшена с 25 мм на 16 и 13 мм и ширина колеи стала измеряться на уровне боковой выкружки головки рельсов, что искажает зауженную ширину колеи в сторону уширения.

В конце 60-х - 70-х годов было принято стратегически не точнее решение, что чем меньше зазор между колесом и рельсом, тем лучше для их взаимодействия. Такое решение допускает между рельсом и колесом и нулевой зазор, и даже отрицательный, когда идет подрезка боковой грани рельса и гребня колеса со значительной их перегрузкой и перенапряжениями, при которых происходит зарождение и развитие усталостных дефектов.

При допускаемых, и особенно при сверхнормативных отклонениях в размерах элементов рельсошпальной решетки, рельс при взаимодействии с подвижным составом испытывает продольное кручение с поперечным смещением головки рельса до -ЬЗ, ±4 мм. Когда головка рельса под нагрузкой упирается (ударяется) в гребень колеса, в элементах взаимодействия возникают локальные усилия перегрузки, что создает условия для развития усталостных, заводских и технологических дефектов.

Была заужена ширина колеи на ж.б. шпалах, выпускаемых по ГОСТ 10629-88 «Шпалы железобетонные предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520мм». Шпалы, выпускаемые по данному ГОСТу имели сверхнормативные отклонения в сторону заужения по колеюобразующим размерам Вышеуказанный ГОСТ по нашему предложению был отменен в 1996 году и заменен ТУ 5864-024-11337151-96, где колеюобразующие размеры были скорректированы в сторону уширения рельсовой колеи.

Имели место и другие причины, связанные с подвижным составом, его техническим состоянием, введением тяжеловесных и длинносоставных поездов, увеличением статнагрузки и многим другим.

В 1996 году были скорректированы колеюобразующие размеры на ж.б. шпалах, была введена лубрикация и шлифовка рельсов и были приняты другие меры, что снизило интенсивность износа рельсов и колес и уменьшило количество дефектных рельсов. Это подтверждается снижением коэффициента выхода рельсов, который в 1996 году был равен 0,534, а в 2004 году снизился до 0,146 (Рис. 4).

Следовательно, отступления в параметрах рельсовой колеи оказывают существенное влияние на характер взаимодействия пути с подвижным составом и на условия зарождения и развития дефектов в рельсах.

Зависимость рабочего ресурса рельсов от укладки до изъятия от пропущенного тоннажа

Количество дефектных и остродефектных рельсов, снимаемых ежегодно с путей на Горьковской железной дороге в зависимости от пропущенного тоннажа представлено в таблицах 3-5. Срок службы рельсов по пропущенному тоннажу разбит на диапазоны по ЮОмлн. т. км брутто, а именно от 0 до 100, от 100 до 200 и так далее. По каждому диапазону указана длина пути, его процентная составляющая количество дефектных рельсов по каждому коду, их суммарное количество и процент дефектности рельсов данного диапазона.

Следует отметить, что процент изъятия дефектных рельсов по каждому диапазону, начиная с первого, распределен равномерно и составляет в среднем 10-12 процентов общего количества дефектов. Равномерное распределение выхода рельсов по различным дефектам во всех диапазонах до наработки по пропущенному тоннажу в 700 - 800 млн. т. км брутто указывает на то, что пропущенный тоннаж не является главным фактором, определяющим срок службы рельсов.

Для доказательного подтверждения этого положения рассмотрим ежегодное количество дефектных рельсов, приходящегося на 1 км пути по всем диапазонам и по дороге, представленное в таблице 6. Осредненное количество дефектов, приходящееся на 1 км пути по дороге равно 1,0. Выход рельсов во всех диапазонах пропущенного тоннажа незначительно отличается от единицы, практически до 700 млн. т. км брутто. Следовательно наработка рельсов и его изъятие из пути по различным дефектам не зависит от пропущенного тоннажа, а существуют другие причины определяющие срок службы рельсов.

Таблица 3. Количество дефектных и остродефектных рельсов, снятых с путей на ГЖД в 2004г., с разбивкой по тоннажу млн. т. км

Тоннаж Длина пути Количество дефектных и остродефектных рельсов, снятых с пути

км % 21 ЗОГ 53 52 18 17 10 11

0<Т<=100 1225,94 15,50 191 93 39 15 7 150 123 54

100<Т<=200 1114,65 14,09 134 101 52 11 9 140 136 50

200<Т<=300 909,67 11,50 134 66 18 5 12 114 105 31

300<Т<=400 798 85 10,10 109 80 23 7 16 133 134 31

400<Т<=500 986,89 12,48 178 95 17 8 24 172 161 53

500<Т<=600 761,15 9,62 120 58 19 5 14 196 164 58

600<Т<=700 687,21 8,69 241 117 22 12 25 203 187 112

700<Т<=800 680,37 8,60 204 154 17 12 17 100 78 46

800<Т<=900 364,33 4,61 169 72 16 7 6 108 65 36

900<Т<=1000 257,68 3,26 80 33 5 4 7 13 31 18

Т>1000 122,40 1,55 229 144 32 7 10 45 55 45

Итого: 7909,14 100 1789 1013 260 93 147 1374 1239 534

Продолжение таблицы 3.

Тоннаж Количество дефектных и остродефектных рельсов, снятых с пути

44 ЗОВ 26 46 56 66 41 69 Итого %

0<Т<=100 20 16 55 26 4 5 198 2 1006 12,0

100<Т<=200 82 9 47 19 3 2 42 5 842 10,1

200<Т<=300 73 8 41 29 1 2 66 4 709 8,5

300<Т<=400 162 1 23 29 3 1 88 8 844 10,1

400<Т<=500 118 6 33 43 1 3 71 7 986 11,8

500<Т<=600 73 3 32 112 4 0 101 5 964 11,5

600<Т<=700 24 3 27 34 1 3 24 8 1043 12,5

700<Т<=800 11 3 17 17 0 0 18 2 696 8,3

800<Т<=900 4 0 9 2 0 0 6 0 500 6,0

900<Т<=1000 0 0 0 1 0 2 0 1 195 2,3

Т>1000 0 1 12 4 0 0 0 0 594 7,0

Итого. 567 50 296 316 17 18 614 42 8369 100

Таблица 4. Количество дефектных и остродефектных рельсов, снятых с путей на ГЖД в 2003г., с разбивкой по тоннажу млн. т. км

Тоннаж Длина Количество дефектных и остродефектных рельсов,

пути снятых с пути

км % 21 ЗОГ 53 52 18 17 10 11

0<Т<=100 1341,46 16,94 147 105 43 11 5 133 76 38

100<Т<=200 1016,42 12,83 101 102 45 14 8 149 97 28

200<Т<=300 890,06 1,24 125 99 35 14 13 191 135 22

300<Т<=400 886,98 11,20 95 81 23 7 12 ИЗ 108 19

400<Т<=500 977,71 12,35 129 77 34 9 11 154 108 34

500<Т<=600 848,45 10,71 106 73 22 6 9 122 125 52

600<Т<=700 690,93 8,72 135 60 19 15 6 70 88 54

700<Т<=800 600,47 7,58 353 168 27 19 8 142 69 91

800<Т<=900 337,02 4,26 122 42 15 10 1 34 21 17

900<Т<=1000 204,80 2,59 78 13 5 4 1 39 37 38

Т>1000 124,95 1,58 169 72 15 8 5 185 221 191

Итого: 7919,25 100,00 1560 892 283 117 79 1332 1085 584

Продолжение таблицы 4

Тоннаж Количество дефектных и остродефектных рельсов, снятых с пути

44 ЗОВ 26 46 56 66 41 69 Итого %

0<Т<=100 30 16 42 30 3 1 86 4 770 9,9

100<Т<=200 19 15 33 20 7 3 207 5 853 11,1

200<Т<=300 41 12 43 30 2 149 6 917 11,3

300<Т<=400 69 6 19 25 74 1 652 8,4

400<Т<=500 58 8 40 45 1 1 63 4 776 10,9

500<Т<=600 19 10 30 45 3 62 2 686 8,8

600<Т<=700 9 2 21 21 1 17 17 535 6,9

700<Т<=800 7 3 50 23 17 34 1011 13,0

800<Т<=900 25 9 3 2 201 3,9

900<Т<=1000 20 2 12 3 1 253 3,3

Т>1000 115 5 12 10 1 9 1018 13,1

Итого: 412 77 301 264 18 5 687 76 7872 100

Таблица 5. Количество дефектных и остродефектных рельсов, снятых с путей на ГЖД в 2002г., с разбивкой по тоннажу млн.т.км

Тоннаж Длина пути Количество дефектных и остродефектных рельсов, снятых с пути

км % 21 ЗОГ 53 1 52 18 17 10 11

0<Т<=100 1466,21 18,44 61 25 21 13 1 84 42 20

100<Т<=200 910,01 11,44 57 161 17 5 4 116 84 24

200<Т<=300 906,43 11,40 119 68 31 9 9 177 155 21

300<Т<=400 793,95 9,98 112 73 15 7 11 212 190 35

400<Т<=500 897,01 11,28 166 173 29 8 9 202 166 57

500<Т<=600 1018,35 128 159 133 15 12 9 152 140 54

600<Т<=700 756,78 9,52 417 95 38 19 15 207 170 103

700<Т<=800 512,64 6,45 183 71 17 14 10 132 59 55

800^Г<=900 360,12 4,53 171 66 10 10 1 91 97 58

900<Т<=1000 204,50 2,57 104 42 2 5 - 110 54 30

Т>1000 127,18 1,60 66 28 13 И 1 53 53 25

Итого' 7953,18 100,00 1615 935 208 113 70 1536 1201 482

Продолжение таблицы 5

Тоннаж Количество дефектных и остродефектных рельсов, снятых с пути

44 ЗОВ 26 46 56 66 41 69 Итого %

0<Т<=100 4 11 59 28 4 3 207 1 584 7.0

100<Т<=200 58 3 53 36 7 0 156 1 682 8.3

200<Т<=300 21 8 47 115 4 1 166 3 954 11.6

300<Т<=400 104 3 41 35 3 1 84 4 930 11.3

400<Т<=500 78 15 32 45 2 0 72 2 1056 12.8

500<Т<=600 96 14 27 34 1 0 93 3 942 11.4

600<Т<=700 62 7 11 62 0 2 28 7 1343 16.3

700<Т<=800 11 4 9 9 0 0 21 8 594 7.2

800<Т<=900 15 1 7 3 0 0 0 4 534 6.5

900<Т<=1000 12 1 0 1 0 1 0 3 365 4.4

Т>1000 2 1 3 2 0 0 0 1 260 3.2

Итого. 463 68 289 370 21 8 827 37 8243 100

Таблица 6. Осредненное количество дефектов, приходящихся на 1 км пути, на Горьковской ж.д. с разбивкой по пропущенному тоннажу

Пропущенный тоннаж млн. т. км. брутто 2004 г. 2003 г. 2002 г.

0-100 0.82 0.57 0.40

100-200 0.76 0.84 0.75

200 - 300 0.78 1.03 1.05

300-400 1.05 0.73 1.17

400 - 500 0.99 0.79 1.18

500 - 600 1.27 0.81 0.92

600 - 700 1.51 0.77 1.77

700 - 800 1.02 1.68 1.16

800 - 900 1.37 0.59 1.48

900-1000 0.76 1.23 1.78

> 1000 4.78 8.14 2.04

ВСЕГО поГЖД 1.05 0.99 1.03

Анализ статистических данных по контактно-усталостным дефектам в головке рельсов позволяет сделать следующие выводы:

1 Количество дефектов контактно-усталостного происхождения в головке рельсов на сети дорог РФ за последние три года стабилизировалось на уровне 100 тысяч штук, что составляет 90 -92 процентов всех дефектов рельсов железнодорожного пути.

2 Большинство контактно-усталостных дефектов в головке рельсов проявляются в виде трещин.

3. С 1990 г. по 1995 год на сети железных дорог РФ и на ГЖД произошло значительное увеличение количества дефектных и остродефектных рельсов в пути при снижении грузооборота, за счет сверхнормативных отклонений в параметрах рельсовой колеи.

4. Высокое металлургическое качество выпускаемых рельсов подтверждается отсутствием дефектов или их незначительным количеством по кодам 70, 60, 50, 40.

5. Большое количество дефектов по кодам 10 и 30 связано с их неверной классификацией.

6 Срок службы рельсов в пути и их рабочий ресурс не зависят от пропущенного тоннажа.

7. На условия зарождения и развития дефектов в рельсах влияют дополнительные перегрузки при искажениях рельсошпальной решетки.

2. КИНЕТИКА КОНТАКТНО-УСТАЛОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ЭКСПЛУТАЦИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Качество рельсошпальной решетки. В результате анализа статистических данных по дефектам рельсов, представленного в первом разделе, было установлено, что ряд усталостных дефектов возникает в рельсах на рельсошпальной решетке с отступлениями по параметрам рельсовой колеи. Такая решетка характеризуется как некачественная на которой происходит нерасчетное взаимодействие пути и подвижного состава с действием дополнительных нагрузок и перегрузок, возникновением дополнительных напряжений и ударных воздействий. Причем, дополнительные напряжения и нагрузки возникают в рельсах локально по длине пути в местах сверхнормативных отступлений по параметрам рельсовой колеи.

Рельсовая колея железнодорожного пути характеризуется тремя основными параметрами: шириной рельсовой колеи, возвышением одной рельсовой нити над другой и подуклонкой рельсов в пути. Дополнительные параметры, называемые отводами, характеризуют интенсивность изменения основных параметров и определяют качество рельсошпальной решетки. По интенсивности изменения основных параметров рельсовой колеи и по полю допусков можно судить о качестве рельсошпальной решетки. Например, качество рельсошпальной решетки с шириной колеи 1520±10 мм, 1520±5 мм, 1520 + 0,5 мм будет разное и определяется полем допусков на изменение номинального размера.

Велико влияние на поле допусков сверхнормативных отступлений ко-леюобразующих размеров железнодорожных шпал и элементов рельсового скрепления, которые создают сверхнормативные отступления в параметрах рельсовой колеи путевой решетки. Рельсошпальную решетку железнодорожного пути со сверхнормативными отступлениями по параметрам рельсовой колеи следует характеризовать как некачественную и укладку ее в путь на ответственных направлениях железных дорог - не допускать.

Однако, такого понятия как «Качество рельсошпальной решетки», собираемой из новых материалов на звеносборочных базах путевых машинных станций в настоящее время не существует. Не существует и критериев по которым бы оценивалось качество новой рельсошпальной решетки.

Дефекты рельсов, возникающие при эксплуатации, а также отказы и изломы рельсов в пути под поездами являются отрицательными показателями безопасности перевозочного процесса, рабочего ресурса рельсов и железнодорожного пути, экономической эффективности работы железнодорожного транспорта. Качественная путевая решетка снижает многие дополнительные перегрузки рельсов и элементов рельсошпальной решетки, чем устраняет причины зарождения и развития усталостных дефектов в рельсах.

Следовательно, качественная рельсошпальная решетка с минимальными отклонениями по параметрам рельсовой колеи - это путь к увеличению рабочего ресурса рельсов, элементов рельсового скрепления и железнодорожного пути в целом.

Для повышения качества рельсошпальной решетки нами была предложена система контроля качества путевой решетки, которая в настоящее время внедряется на ГЖД.

Система контроля качества рельсошпальной решетки железнодорожного пути является составной частью программы «Ресурсосбережение» и направлена на снижение количества дефектов рельсов, возникающих при эксплуатации, на увеличение рабочего ресурса рельсов и пути, а следовательно на повышение безопасности и надежности перевозочного процесса.

На Горьковской железной дороге, в опытном порядке, была собрана и уложена в путь рельсошпальная решетка с рельсовым скреплением КБ-65, которая имела ширину рельсовой колеи в 1520+0,5 мм, измеренную над каждой шпалой. Такая путевая решетка железнодорожного пути характеризуется как высококачественная, обеспечивающая минимальное ударное воздействие колесных пар подвижного состава о боковую рабочую грань рельсов на прямых участках пути при равномерном движении поездной нагрузки. В настоящее время эта путевая решетка пропустила тоннаж в 200 млн. т. км. брутто и никаких дефектов контактно-усталостной природы в рельсах не появилось.

Прогнозируя работу высококачественной рельсошпальной решетки можно сказать, что ее ресурс при прочих равных условиях повышается в 2,5 -3 раза!

Гипотеза о дополнительных напряжениях в рельсовых плетях железнодорожного пути при отступлениях в рельсошпальной решетке.

В основу настоящих исследований кинетики зарождения и развития дефектов рельсов контактно-усталостного происхождения были положены статистические данные по дефектам рельсов и методика натурного обследования участков пути, где максимально проявились эти дефекты и где происходили изломы рельсовых плетей под поездами.

Принципиально, любой излом рельса в пути может произойти по двум причинам, либо из-за некачественного рельса, либо из-за перегрузки рельса в пути Проведенные многочисленные металлографические исследования срезов разрушенных рельсов показали, что рельсовая сталь не имеет никаких сверхнормативных отклонений по химическому составу и физико-механическим свойствам, по термообработке. Следовательно, версия о некачественных рельсах была отклонена.

Обследование мест излома рельсовых плетей по контактно-усталостным дефектам на прямом участке пути и при отличном его состоянии выявило схему нагружения рельса и характер взаимодействия пути и подвижного состава. Обследуемые изломы рельсов могли произойти только при действии дополнительных ударных нагрузок. Обследование мест излома рельсовых плетей под поездами по различным дефектам привело к гипотезе в действии дополнительных напряжений и нагрузок в рельсах, возникающими на рельсошпальной решетке с искажениями.

Для подтверждения этой гипотезы были спроектированы и изготовлены специальные шаблоны и устройства, точно фиксирующие параметры рельсовой колеи в местах обнаружения контактно-усталостного дефекта в головке рельсов.

Большое количество отказов рельсов бесстыкового пути связано с дефектами контактно-усталостного происхождения в головке рельса (Дефекты 10,11, 21, 30 и др.)

В результате наших исследований было установлено, что основной причиной их зарождения и развития является ударное воздействие колесных пар подвижного состава о боковую рабочую грань рельса при рыскании (вилянии) подвижного состава в колее. Неустойчивое движение подвижного состава в горизонтальной плоскости вызывается разной подуклонкой рельсовых нитей в колее.

В ряде случаев, при отступлениях в параметрах рельсовой колеи, рельсовая плеть испытывает продольное кручение с действием дополнительных касательных напряжений.

Появление продольного кручения рельсовой плети наблюдается на некачественной рельсошпальной решетке со сверхнормативными отклонениями по геометрическим размерам железобетонных шпал и элементов рельсового скрепления. (РШР с искажениями).

Наиболее значимым параметром железобетонных шпал существенно влияющим на продольное кручение рельсов является подуклонка подрельсовых площадок и сверхнормативные отклонения других геометрических колеюобра-зующих размеров шпал и элементов рельсовых скреплений.

Таким образом, по данной гипотезе в рельсовой плети могут возникать дополнительные ударные нагрузки и касательные напряжения из-за искажений рельсошпальной решетки.

Отсюда, в теоретическом и экспериментальном планах возникла задача по исследованию влияния подуклонки рельсовых плетей на виляние подвижного состава в рельсовой колее, которое также связано с качеством рельсошпальной решетки.

Таким образом, гипотеза о дополнительных напряжениях в рельсовой плети и ударном взаимодействии пути и подвижного состава на рельсошпальной решетке с отступлениями по параметрам рельсовой колеи потребовали натурного, теоретического и экспериментального подтверждения.

Методика НИЦ-ПУТЬ по натурному обследованию участков пути с отказами и изломами рельсов

Изломы рельсов под поездами по контактно-усталостным дефектам происходят локально по длине пути. Для обследования мест излома рельсовых плетей выбирались прямые участки пути с отличной или хорошей оценкой по балльности вагона-путеизмерителя.

Методика обследования мест излома рельсовых плетей, разработанная НИЦ-ПУТЬ, предусматривала следующие операции:

1. Измерение ширины колеи путевым шаблоном Ц08-808, выполненное над каждой шпалой, с высотой измерительных лапок 13 мм.

2. Измерение ширины колеи шаблоном НИЦ-ПУТЬ с высотой измерительных лапок 25 мм, выполненное над каждой шпалой.

3. Измерение фактической подуклонки рельсов по его подошве в каждом шпальном ящике с помощью шаблона НИЦ-ПУТЬ.

4. В каждый шпальный ящик в месте излома рельсовой плети, устанавливаются два прогибомера, снаружи и внутри колеи. Упоры подводятся под подошву рельса и фиксируются на стойке.

5. После прохода поезда производится измерение упругой деформации рельса по двум точкам подошвы.

6. После измерения упругой деформации рельса упоры ослабляются, подводятся под подошву рельса и фиксируются на стойки для повторного измерения.

7. Измерение вертикальных и крутильных деформаций с помощью прогибомеров повторяются не менее 7-8 раз под поездной нагрузкой.

8.Фиксируется перегон, километр, пикет, план и профиль кривой, выемка (насыпь) и состояние пути.

9.Фиксируется завод- изготовитель рельсов, месяц и год их выпуска, ж/б. шпалы, завод изготовитель и год выпуска, тип балласта и его состояние, а также состояние рельсовых скреплений.

10. Все сведения заносятся в ведомость обследования мест излома рельсовых плетей.

Натурное обследование мест излома рельсовых плетей на Горьковской железной дороге, проведенное по методике, разработанной НИЦ-ПУТЬ, показали, что рельсошпальная решетка в местах излома рельсов имеет значительные отклонения по параметрам колеи. Сверхнормативные отклонения в рельсо-шпальной решетке приводят к нерасчетным схемам взаимодействия колеса и рельса и появлению локальных перегрузок в рельсовых плетях. В результате в рельсах возникают дополнительные касательные напряжения, связанные с кручением рельсовой плети.

Для измерения вертикальных и крутильных деформаций рельсовой плети под поездной нагрузкой были разработаны и изготовлены специальные проги-бомеры. Схемы измерения деформации рельсов железнодорожного пути на асбестовом и щебеночном балласте представлены на Рис.5.

Прогибомеры устанавливаются в середине шпального ящика с внутренней и наружной стороны рельса, и измерение производится в режиме ожидания. После прохода поезда упоры на стойке или движки штангенциркулей перемещаются вниз, и между подошвой рельса и упорами образуется зазор, равный упругой деформации пути в точке установки прогибомера. Если рельс испытывает только вертикальную деформацию, то показания флексометров будут одинаковы Если же показания прогибомеров отличаются, то рельс испытывает кручение, причем при уширении колеи показания наружного прогибомера больше показаний внутреннего прогибомера, а при заужении колеи показания внутреннего прогибомера больше наружного. После прохода поезда и фиксирования упругой деформации винты ослабляются, упор подводится под подошву рельса, закрепляется винтом на стойке и прогибомер готов к последующему измерению.

Для измерения вертикальных и крутильных деформаций рельсовых плетей были изготовлены комплекты прогибомеров по 50 штук

Рис. 5 Схемы измерения вертикальных и крутильных деформаций рельсовой плети на

щебеночном и асбестовом балласте

« Р, М и -► - 0 А

Хп ^71 1 X X, х

Хд

ч +у Л + У

Рис. 6 Одиночная силовая система.

Таким образом, впервые удалось зафиксировать продольное кручение рельсовой плети под поездной нагрузкой в реальных условиях эксплуатации бесстыкового пути и на этом основании ввести в расчет напряженно-деформированного состояния рельсовой плети касательные напряжения, возникающие локально по длине пути на рельсошпальной решетке с искажениями.

Условия зарождения и развития дефектов контактно-усталостного происхождения в головке рельса

Дефекты по головке рельса контактно-усталостного происхождения, возникающие при эксплуатации железнодорожного пути, достигают 90-92 процентов от всех полных и частичных отказов рельсов, ежегодно снимаемых с путей на сети железных дорог РФ. В таблице 3 представлено количество дефектных и остродефектных рельсов, снятых с путей на ГЖД в 2004 году с разбивкой по тоннажу в млн. т. км. брутто на км пути. Аналогичная картина наблюдается и на других железных дорогах. Из приведенных сведений таблицы 3 возникает вопрос: Почему же отечественные объемнозакаленные рельсы Р65 не обеспечивают наработку по пропущенному тоннажу в 1 миллиард т. км брутто без дефектов контактно-усталостного происхождения и без изломов рельсов под поездами?

Для ответа на поставленный вопрос необходимо разобраться с условиями зарождения и развития массовых контактно-усталостных дефектов в головке рельса. (Дефекты 10, 11, 21, 30 и др.).

Известно, что при движении колесной пары в прямом участке пути её центр совершает в горизонтальной плоскости колебательные поперечные смещения, согласно уравнению Клингера

где: х - абцисса центра колесной пары вдоль оси пути;

У - поперечные смещения колесной пары относительно продольной оси пути;

'о - подуклонка поверхности катания колеса к оси вращения колесной пары;

У о' У о - соответственно поперечное смещение и угол поворота

Отсюда, варируя подуклонку рельсов в колее при неизменной подуклонке бандажей, получаем поперечное расчетное смещение колесной пары в несколько десятков миллиметров.

(2.1)

колесной пары вокруг вертикальной оси в начале движения. При У о ~ 0, будем иметь:

(2.2)

Если фактический зазор между колесом и рельсом меньше потребного поперечного смещения колесной пары, то взаимодействие колеса и рельса происходит с ударом.

Исходными данными для расчета ударного воздействия колесных пар подвижного состава о боковую рабочую грань рельсов железнодорожного пути являются результаты натурного обследования параметров рельсовой колеи по методике НИЦ-ПУТЬ.

В местах зарождения и развития усталостных дефектов в головке рельсовых плетей имеет место смещение полосы наката по поверхности катания головки рельса.

Длина волны, характеризующая смещение полосы наката в поперечном направлении обозначим как Ь [м].

Длина полуволны Ь/2 [м].

Расстояние поперечного смещения колесной пары, фиксируемое по полосе наката, обозначим через Д [мм].

Скорость движения поезда У[км/час].

Скорость поперечного смещения колесной пары в рельсовой колее V = сек]

Осевая нагрузка подвижного состава Р [тс].

Расстояние по рабочей грани головки рельса, где колесные пары наносят удар по рельсу - £[м, см].

Время удара колесной пары о боковую грань рельса -1 [сек].

Ускорение при ударе колесной пары о боковую рабочую грань рельса обозначим как а [м/сек2].

Силу удара колесной пары о рельс обозначим через И [Н, кГс].

Все геометрические параметры колесных пар считаем номинальными без отклонений.

Расчет ударного воздействия производится в следующей последовательности:

1. Время движения колесной пары подвижного состава по длине полуволны Ь/2 определяется соотношением: Т = -^[сек].

2. Скорость поперечного смещения колесной пары на полуволне Ь/2 будет равна: V = ^ [м / сек].

3. Время удара колесной пары о боковую грань рельса определяется соотношением:

4. Ускорение при ударе колеса о боковую грань рельса, будет равно:

Ду а = — Д1

За время удара колесной пары о боковую грань рельса на расстояние С, скорость бокового смещения колесной пары изменяется от V до о.

5. Сила удара колеса о рельс рассчитывается по формуле Ньютона:

Р = ш а Кд [Н, кГс]

где Кд <1 - коэффициент демпфирования.

Расчетная сила удара колеса о рельс достигает нескольких тонн и ведет к наклепу зоны взаимодействия, зарождению и развитию трещин, вплоть до разрушения рельса. Результаты расчета представлены в таблице 16 раздела 4 настоящей работы.

В результате многократного соударения в головке рельса зарождаются трещины, которые затем приводят к разрушению рельса. Это наглядно представлено на фото 1 (приложения), где совмещены трещины по дефектам 10, 11, 21,30.

Следовательно, основная причина зарождения и развития указанных дефектов рельсов заключается в ударном воздействии колеса о рельс при вилянии подвижного состава в рельсовой колее.

Для снижения количества дефектов контактно-усталостного происхождения в головке рельса необходимо снизить процесс виляния подвижного состава в рельсовой колее. Это может быть достигнуто за счет повышения качества рельсошпальной решетки, собираемой на звеносборочных базах ПМС, при введении предлагаемой системы качества.

Контактно-усталостные дефекты в головке рельсов - последствия ударного взаимодействия колеса и рельса

Натурное обследование участков железнодорожного пути с дефектами и изломами рельсов подтвердило гипотезу о действии дополнительных ударных нагрузок на рельс от подвижного состава при его вилянии в колее. Главными параметрами, определяющими виляние подвижного состава являются разная подуклонка рельсовых плетей, ширина колеи и их отводы.

При разной подуклонке рельсов колесная пара смещается в рельсовой колее к рельсу с большей подуклонкой и это взаимодействие происходит либо с прижатием колесной пары к рельсу, либо с ударном колеса о рельс.

В случае, если колесная пара прижимается к рельсу, то при таком взаимодействии идет интенсивный износ рабочей грани рельса (дефект 44) и подрезка гребней колесных пар. Если же взаимодействие колеса и рельса происходит с ударом, то в головке рельса зарождаются горизонтальные, вертикальные, поперечные и другого рода трещины, которые при их развитии могут привести к полному разрушению рельса. Аналогичные процессы при ударном взаимодействии происходят и в гребне, и в ободе колеса подвижного состава.

Локальные отступления в параметрах рельсовой колеи приводят к тому, что колесные пары наносят удар по рельсу, именно в этом месте. Особенность ударного взаимодействия колеса и рельса заключается в том, что взаимодействуют две криволинейные поверхности - боковая выкружка головки рельса и выкружка гребня колеса, выполненные радиусом 15 мм. При разной подуклонке рельсов эти выкружки расходятся на высоте 3-5 мм от поверхности катания рельса. То есть, при ударе колеса о рельс зарождение трещин в рельсе должно происходить на этой высоте.

В таблице 7 представлены сведения из журнала учета дефектных рельсов по форме ПУ-2а. Статистическая обработка этих сведений, по ряду дистанций пути ГЖД, указывает на то, что абсолютное большинство трещин на рабочей грани рельсов по дефекту 11, а также трещина по поверхности катания головки по дефекту 10 имеют глубину залегания от 4 до 5 мм. Как правило, эти дефекты проявляются одновременно и зачастую накладываются, с дефектами 30Г, ЗОВ, 21 и другими. На этой же глубине в головке рельса проявляются дефекты 17, 18,41.

Следовательно ударный характер взаимодействия колеса и рельса на рельсошпальной решетке с отступлениями в параметрах рельсовой колеи является основной причиной зарождения и развития трещин в головке рельсов.

По результатам работы, представленным в данном разделе можно сделать следующие выводы:

1. Качество рельсошпальной решетки, собираемой на звеносборочных базах ПМС, оказывает решающее воздействие на кинетику контактно-усталостных дефектов в головке рельсов, рабочий ресурс рельсов и железнодорожного пути.

2. Предложена рабочая гипотеза о дополнительных нагрузках в рельсовых плетях при отступлениях в рельсошпальной решетке, объясняющая природу контактно-усталостных дефектов в головке рельсов.

3. Методика натурного обследования пути с дефектами и изломами рельсов подтвердила рабочую гипотезу о дополнительных нагрузках рельсов в местах их разрушения.

4. Расчетная величина ударного воздействия колеса о рельс при отступлениях в параметрах рельсовой колеи достигает нескольких тысяч кгс.

5. Подавляющее большинство массовых контактно-усталостных дефектов в головке рельсов (дефекты 10, 11,21, ЗЗГ, ЗОВ) связаны с ударным характером взаимодействия колеса и рельса при вилянии подвижного состава в рельсовой колее.

6. Статистическая обработка сведений журнала учета дефектных рельсов по форме ПУ-2 подтвердила, что большинство трещин имеет глубину залегания 4- 5 мм.

28

Таблица 7 Ьрщл учет» дееектам рельсов Л?-?«

15/01/0!

Дат* Кто о6лаоу-|лро»элодвл-келвл I оскотр

Игстоп.рельса

Ки I Лк Зл'Л,

я 1 Год Н' Тал Дллва N'рве. |лвна Глубвла Про- Скор

/ |лрок/ ЛЛаЛКВ вел рельс де». тяж • лрв-

3 | укл ьед дер. каау

0грн|0г.СЕ.пред Лрвчв-СЕ001-- И« ОГР

ни |ласс гру» скорое

ОЮЛОТОК 1/2

Налраалеаае Ирасл»« УмлЧааае

Путь 1

08/04/00 Бурлакоа 1 5В 8 1 »»1.! 78/78 344» Р45 25.0« 11.2 75.0 4.2 «ест 40 ллаа/л т/р

09/04/00 Бурлакоа 58 8 2 ле 78/78 380« Р45 24.90 44.3 100.0 2.9 «ест 40 70 ллаа/а т/о

14/10/02 Скатлеа 1 58 В 3 ле 78/78 378л Р45 24.90 44.3 2.7 «ест 40 70 ллав/а т/о

07/09/00 Бурлаков 1 58 10 3 ле 78/78 342х Р45 24.94 11.2 120.0 4.1 л/ас 40 олаа/л т/о

23/05/01 Бурлакоа 58 10 2 •р 78/78 344к Р45 24.94 14 1.5 а/ас 40 120 ллаа/л т/о

21/05/84 Бурлакоа 59 1 1 ле 78/78 340« Р45 24.94 11.1 120.0 4.2 «ест 40 ллаа/л т/о

23/04/01 Бурлаков 59 2 3 ле 78/78 398а Р45 24.92 11.1 120.0 4.9 «ест 40 ллаа/л т/о

04/04/00 Бурлаюа 59 2 4 ле 78/78 358« Р45 18.45 11.2 70.0 5.2 «ест 40 ллаа/а т/о

И/02/02 Сатоа 59 8 4 ле 78/78 2020а Р45 12.50 11.2 125.0 10.0 «ест 40 ллак/л т/о

05/05/00 Бурлакоа 59 9 1 ле 78/78 382« Р45 24.95 11.2 42.0 4.1 •ест 40 алаа/в т/о

15/11/99 Бурлакоа 59 10 1 ЛЕ 78/78 348х Р45 19.70 11.2 45.0 4.9 мест 40 ллан/а т/о

15/11/99 Бурлакоа 59 10 2 ле 78/78 344и Р45 15.90 11.2 40.0 4.5 «ест 40 ллаа/а т/о

00/07/02 Деавсоа 59 5 4 лр 78/78 345л Р45 24.95 14 1.4 «ест 40 120 ллаа/л т/о

05/05/00 Бурлакоа 59 9 1 пр 78/78 279а Р45 24.90 44.3 2.2 «ест 40 70 ллав/л Т/|-

25/04/02 Сиарлоа 40 2 2 ле 80/98 513> Р45 3.70 17.2 10.0 5.8 «ест 40 ллав/а т/о

10/0" Ч Смариоа 40 3 2 ле 74/98 919а Р45 5.42 11.2 73.0 4.8 «ест 40 ллаа/а т/о

Л/С £ Паралеакоа 40 1 4 пр 79/9В 743а Р45 9.25 11.2 50.0 5.8 «ест 40 100 алал/а т/о

53/07/02 Иарааеакоа 71 10 4 ЛР 92/94 8739 Р45 25.00 17.1 42.0 3.5 «ест 100 ллал/л -

>5/04/02 (пш 73 4 2 ле 92/94 712р Р45 24.92 10.1 50.0 4.5 «ест 100 ллаа/а -

)4/07/Г арааеаш 74 10 3 ле 94/94 484« Р45 25.00 11.1 ЛИ' ' 5 «ест 100 ллав/л -

'5/05/0« 1иар>01 74 3 2 ле 94/94 484* Р45 23.04 10.1 130.0 4.9 «ест 100 100 ллаа/а -

10/07/02|Сито« 74 8 3 ле 94/95 »09772« Р45 25.00 18 28.0 3.7 «ест 100 олаа/л т/о

кего дееектоа по околотку: копоток 1/3

22 «т.

1ссго |И«Ш1 рельсов но околотку:

22 I

(раса«! Увеп-Каяав

Путь

■9/10/02 Скатаеа 78 7 1 лг Т 94/95 384т Р45 24.92 10.1 37.0 4.2 «ест 100 плал/я т/о1

4/09/97 (лакав 79 7 1 ле Т 95/95 104 Р45 25.00 10.2 135.0 4.2 «ест 40 120 т/о|

0/01/02 Сеаеаоа 84 4 3 ле Т 95/95 352 Р45 24.94 14 1.6 «ест 100 ллаа/л т/с'1

5/04/02 Грачев 84 4 3 лр Т 95/95 3457 Р45 24.94 14 1.8 «ест 100 120 алал/а Т/01

9/07/01 грачеа В9 3 4 ло Т 93/95 «79В Р45 23.50 11.2 45.0 4.5 «ест 100 ллам/а т/о

сего дефектов по околотку: копоток 1/4

5 вт.

5 «т.

Краса«! Укл-Каак

Путь 1

1< Л 4/К/01 4/10/01

Заяиее Завиел Сатоа 101 104 104 5 4 9 4 1 4 ае ле лр I Т I 95/94 94/94 94/94 Р45 Р45 Р45 25.00 25.00 25.00 11.2 17.1 17.1 40.0 40.0 34.0 4.2 3.5 4.1 «ест ■ест «ест 40 100 40 100 70 вяаа/а ллаа/а ллаа/а т/о т/о т/о

гктоа ао околотку: т.

солоток 1/}

1(КН| ГиНш!

Путь 1

>/04/02 Сатоа 110 1 2 ле Т 82/97 Р65 20.00 44.3

1/05/01 (кязев 110 7 2 лр I В2/97 Р45 4.59 44.3

1/07/01 Завчеа 111 3 1 ле А 78/78 Р45 15.95 18 115.0

'/09/02 Саара» 111 4 2 ле Т 78/99 Р45 14.15 44.3

1/05/02 Паравелкоа 111 9 2 ле I 78/78 Р45 24.88 11.2 48.0

'/10/01 За!иеа 111 10 3 ле Т 78/78 Р45 12.50 11.2 95.0

1/11/00 Скарлое 111 2 2 пр А 78/78 Р45 25.00 10.2 130.0

./04/01 Савраоа 111 3 5 лр I 78/78 Р45 12.38 18 120.0

/10/00 Писал 111 8 3 лр Т 78/78 Р45 12.50 17.1 24.0

/09/02 Скараоа 111 10 2 лр т 78/78 ?45 12.3В 17.1 27.0

/11/00 Сеаеаоа 112 1 4 ле т 78/78 Р45 21.43 44.3

/07/01 ЗаНцеа 112 1 5 ле I 78/78 Р45 24,94 11.2 41.0

/11/00 Завиеа 112 4 3 ле т 78/7В Р45 25.00 14

/11/00 Завиеа 112 4 5 ле 78/78 Р45 12.50 10.2 135.0

/11/00 Смармоа 112 4 1 лр 1 78/78 Р45 24.99 11.2 41.0

/11/00 Скатлеа 112 4 3 пр 1 78/78 Р45 24.97 14

/04/02 Сатоа из 8 2 ле I 78/78 Р45 12.45 18 70.0

/10/02 Скатлеа из В 3 ле I 78/78 Р45 7.05 11.2 130.0

/11/00 Сеаеаоа из 8 4 ле т 78/78 Р45 24.98 11.2 55.0

2.1 2.9

9.0 2.0 5.в

4.2

4.3

4.В

5. Ь

4.4 2.0 4.} 1.8

9.1

5.0 1.8

4.1 5.3 4.3

«ест мест пест «ест пест мест нет пест пест пест пест мест л/ее «ест мест п/рс «ест пест пест

3. ВЛИЯНИЕ ИСКАЖЕНИЙ РЕЛЬСОШПАЛЬНОЙ РЕШЕТКИ НА КАЧЕСТВО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПУТИ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Дифференциальные уравнения взаимодействия в системе «Колесо-рельс»

Основой теоретического анализа условий зарождения и развития дефектов рельсов является расчетный уровень напряжений, возникающих в них, при взаимодействии с поездной нагрузкой. Характер силового взаимодействия пути и подвижного состава описывается системой дифференциальных уравнений, решение которых позволяет найти линейные и угловые деформации, а от них перейти к напряжениям, возникающим в рельсах.

Рельс будем рассматривать как балку, лежащую на сплошном упругом основании. Пусть по балке с постоянной поступательной скоростью и движется одиночная силовая система, состоящая из различных масс М1 и сил Р1, упруго связанных между собой пружинами. Условно обозначим эту систему Р, М (Рис. 6).

В подвижной системе координат хОу, неизменно связанной с указанной выше одиночной силовой вертикальной системой, ось х совпадает с положением прямого незагруженного рельса, а положительное ее направление - с направлением движения; ось у расположена вдоль силовой системы, положительное ее направление принято вертикально вниз. Рассмотрим движение этой системы по рельсу, имеющему неровности. Обозначим ординаты неровности незагруженной балки т|; отсчитывать эти ординаты будем от оси х, сохранив за ней прежнее направление; просадки рельса в результате его загружения обозначим у. В связи с этим осью ординат будет ось ц + у (Рис. 6). Пусть подвижная система координат хО (ц + у) находится в переносном движении со скоростью и относительно неподвижной системы координат хО(т! + у) с произвольно выбранным на оси X началом О координат.

Будем считать положительными вертикальные силы, действующие вверх, горизонтальные продольные силы - в сторону положительных абсцисс, а изгибающие моменты - создающие изгиб балки выпуклостью в сторону положительных ординат. При малых деформациях, которым подвергается балка, изгибающий момент М = - ЕГс^у/ д х2. Выделим элемент балки а, б, г, в длиной ДХ (Рис. 6) на участке между сосредоточенными силами. После загрузки балки он примет положение абгв. Пусть элемент находится под воздействием моментов М, а также горизонтальных продольных и вертикальных поперечных сил N и С?„ На элемент действуют распределенная по длине балки нагрузка р ( в том числе вес балки), вертикальные упругий q и неупругий г отпоры оснований балки, а также вертикально распределенные вдоль балки силы инерции ¡, возникающие вследствие ее колебаний. В основании балки (на расстоянии Ь от упругой линии) развиваются также распределенные вдоль ее подошвы продольные погонные силы сопротивления со.

Составим уравнения равновесия сил и уравнения моментов; моменты возьмем относительно правого конца упругой линии элемента:

N + соАХ - (N + AN) = 0; (а)

Qn + (q + г + I - р) ДХ - co(At) + Ду)/ ЛХ*ЛХ - (Qn + Д Q„) = 0; (б)

М + Qn ДХ + N (Ar] + Ду) + [q + r + I- p- со(Дт1 + Ду)/ ДХ] *

* АХ /2 + соДХ ((Ar) + Ау)/2 - h) - аДХ - (М + ДМ) = 0.

(в)

(3.1)

При составлении этих уравнений косинус по малости угла наклона упругой линии изогнувшегося элемента принято считать равным единице, а синус -приближенно равным тангенсу, то есть Ду : ДХ. Имея в виду, что Г|2 - *п! = Дт| и у2 - У1 = Ду, переходя к бесконечно большим величинам и пренебрегая бесконечно малыми второго порядка, получим:

дЫ/дХ = со;

dQJdX = q + г +1 - р - со(дг\/8Х + ду/дХ); дМ/дХ = Q„ + N(ön/aX + ду/дХ) - ю h - а.

Определим производные второго порядка с^М/дх2, имея в виду, что д2М/дх2 = - Е1д*у/дх4.

д2Ы1дх2 - dQJdX + 5N/5X (сЦ/ЗХ + ду/дХ) + N(0^ /öx2 + tfy/dx2) -

- d((oh)/dX - да/дХ,

или, используя первые два условия равновесия,

л

Е1д*у/дх4 +q + r + I — р + + /дх2 + д*у/дх2) - d(coh)/ ЭХ -

- да/дХ = 0; а) [ (3.2) N = Н + J o)dX. (б)

В уравнении (3.2а) q = иу - упругий реактивный отпор; и - модуль упругости подрельсового основания, неупругий реактивный отпор г = ^ ду/ск -э^пду/сй - приблизительно зависит от вязкого трения, пропорционального скорости колебания сечения, и от сухого трения (второй член). Обычно для упрощения расчета ограничиваются первым членом управления для г и принимают такое значение параметра Г0, которое давало бы в рассматриваемом

интервале действия сил результаты, практически эквивалентные применению двучленной формулы для г. Вертикально распределенные силы инерции i = тд2y/di2, где m - распределенная масса балки и ее основания, приведенная к расположению ее на упругой линии изгибаемой балки. Сопротивление со обычно зависит от значения X - смещения подошвы балки по своему основанию - или принимается постоянной величиной, как это указано в уравнении (3.2а), где вместо со показано р (при этом р = b V или р = const).

Значение N определяется через продольную силу Н (температурная сила, сила торможения и т. п.), которая считается положительной, когда она оказывает сжимающее действие. Момент а учитывает силы инерции, возникающие при повороте поперечных сечений рельса при его изгибе. Уравнения (3.2) являются основными уравнениями колебания балки.

Учтем, что оси X и х (Рис. 6) геометрически совпадают. Если не учитывать со и а, то уравнение (3.2а) примет вид

д'у/дх + m/EI*d2y/dt2 + Н/ЕРдУдх2 + VEPdy/dt + U/EI*y = = p/EI — H/EI*^2!) /бх2; (a)

N = H. (б)

(3.3)

Для сечения А (Рис. 6), которое находится на расстоянии ХА от начала неподвижной системы координат и на расстоянии х от начала подвижной системы координат (то есть от движущейся силовой системы), будет х = ХА - ut и dx = - udt, где и - постоянная скорость движения системы. Следует помнить, что полные производные у по t равны:

dy/dt = dy/dt - v dy/dx;

d2y/dt2 = tfy/dt2 - 2u tfy/dtdy + v2 cfy/dx2.

В случае движения постоянной во времени силовой системы и отсутствия несовершенств на колесе и рельсовой нити форма упругой линии колеблющейся балки в подвижной системе координат не будет зависеть от времени; смещения у в сечении А балки будут зависеть только от расстояния х этого сечения до движущейся силовой системы. Это означает, что для рассматриваемого случая при постоянном и

dy/dt = - и dy/dx и d2y/dt2 = и2 cfy/dx2.

В связи с этим уравнение (3.2) превращается (при Я = const) в обыкновенное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами

d4y/dx4 = (mv2 + H)/EI* d2y/dx2 - f0u/EI*dy/dx + Uy/EI = p/EI (3.4)

Ввиду сложности точного решения уравнения (3.2а) в общем случае в работе [3] дано его приближенное решение. Оно получено введением рабочей гипотезы о том, что в каждый момент времени форма упругой линии изгиба балки, колеблющейся от динамической нагрузки (с учетом несовершенства колеса и пути), соответствует форме, определяемой уравнением (3.4) колебания балки от воздействия движущейся постоянной нагрузки. Это означает, что решение у можно представить в виде произведения двух функций, то есть у = yo(t)F(x).

Здесь у0 - упругий прогиб в сечении под грузом от произвольной динамической нагрузки с учетом несовершенства колеса и пути; F(x) - уравнение упругой линии при движении постоянной силовой системы в условиях отсутствия несовершенств на колесе этой системы и пути при у0= 1.

Вследствие наличия неупругих сопротивлений наибольшая ордината прогиба балки оказывается не под грузом, а на некотором расстоянии X сзади него. Чем выше скорости движения поездов, тем больше оснований учитывать влияние колеблющихся масс и неупругих сопротивлений пути. Неучет колеблющихся масс и, особенно, неупругих сопротивлений ведет к весьма существенным завышениям воздействия на путь различных несовершенств его и колеса.

В случае статического воздействия нагрузок уравнение (3.2) принимает

вид

d4y/dx4 + H/EI* dy/dx + U/EI*y = p/EI

• H/EI*d2t| /dx2.

(3.5)

Введем обозначения:

п = Л/Н/4Е1; к = 4л/и/4Е1; при положительном (сжимающем) Я

а = Vк2 - п2 и р = Vк2 + п2; при отрицательном (растягивающем) Я а = V к2 + п2 и р = л/ к2 - п2.

(3.6)

Здесь к - коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса. Однородное уравнение, соответствующее уравнению (3.5), и характеристическое уравнение будут следующими:

d4y/dx4 + 4n2d2y/dt2 + 4k4y = 0; г4 + 4n2r2 + 4k4 = 0. В конструкциях пути n < к, поэтому все корни г комплексные.

Частное решение уравнения (3.5) найдем, представляя любую неровность т] на пути в виде тригонометрического ряда

т| = ао + На, cos ш,х + b, sin cö,x.

Не приводя промежуточных выкладок, запишем окончательные формулы для частного случая четности функций неровности, то есть при Ь, = 0. В этом случае у становится четной функцией, симметричной относительно начала координат, и поэтому достаточно рассмотреть значения искомых величин лишь для положительной части абсцисс:

у = Р т)о/ 4Е1а (а2 + ß2) + P/U + H/EI*А0; q = Uy; Q = ql; M= - EI d2y/dx2 = Рцо/4Е1а + H/EPA,; op = ±M/W-H/F;

Ло = e_ax (cos ßx + а/ß sin ßx); /(3.7)

-0.x / „ Ho=e (cos ßx

a/ß sin ßx);

A0 = Ico2i a¡ cos cüjX / (co¡4 - H/EI* со2, + U/EI).

Нормальные напряжения в рельсе, возникающие в результате совместного действия вертикальной и горизонтальной продольной сил Р и Н при наличии неровностей и эксцентриситетов обозначены ор В приведенном расчете сжимающие силы Я считаются положительными, сжимающие напряжения в рельсах - отрицательными; Р - площадь поперечного сечения рельса; I - момент инерции относительно горизонтальной нейтральной оси; - соответствующий ему момент сопротивления; <3 - сила давления на опору; 1 — расстояние между осями опор.

При Н = 0 формулы (3.5) и (3.7) превращаются в известные формулы статического расчета для случая воздействия только вертикальных сил. Приблизительно можно оценить влияние исключения силы Н, определив добавочный момент от нее М„ = #(умах + е). Здесь умах - определяется по формуле:

у = Р к т]/2и +р/и, при т| = 1, где е - максимально возможная глубина неровности рельсовой нити.

Представленные зависимости (3.7) характеризуют расчетное взаимодействие пути и подвижного состава на рельсошпальной решетке без искажений.

Влияние параметров рельсовой колеи на качество взаимодействия колеса с рельсом

Нерасчетные схемы взаимодействия пути и подвижного состава со значительной перегрузкой рельсов возникают на рельсошпальной решетке с отступлениями в параметрах рельсовой колеи. Наиважнейшим параметром в этом плане является ширина гпттпт нпшншпмигг чиаппш" который для железных

' ¡'ОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ |

дорог РФ составляет 1520 м

1

библиотека

Резкое увеличение количества дефектных рельсов, максимум которых пришелся на 1995 год (Рис. 2), связано именно со сверхнормативными зауже-нием ширины рельсовой колеи.

Многие специалисты локомотивного и вагонного хозяйства усматривали причину интенсивного износа рельсов и колес в изменении номинального размера ширины рельсовой колеи с 1524 мм на 1520 мм. Но фактическая ширина рельсовой колеи в массовом объеме достигала значении в 1510 мм и менее, причем на железобетонных шпалах. В 1995 году ГОСТ на железобетонные шпалы был отменен, как ошибочный, но эта ошибка дорого стоила отрасли. Начиная с 1994 года на сети дорог шла напряженная работа по переводу колеи с 1510-1512 мм на колею 1520 мм допускаемыми отклонениями. Результаты этой работы оказались положительными. При ширине рельсовой колеи в 1510 мм и менее никакая лубрикация не поможет, поскольку взаимодействие колесной пары и рельсовой колеи происходит с подрезкой металла и рельса и гребня.

При взаимодействии пути и подвижного состава, колесная пара при движении вдоль пути должна, в любом случае, размещаться в рельсовой колее с зазором. Нарушение этого положения создало предпосылки для увеличения износа рельсов и колес с негативными последствиями для рабочего ресурса этих взаимодействующих между собой элементов и безопасности движения поездов. Величина минимально допустимого зазора между колесами и рельсами на расчетном уровне определяется номинальными размерами рельсовой и колесной колеи и предельными отклонениями в поле допусков, но никак не фиксируется в ПТЭ. В результате получается следующее: ПТЭ определяют минимально допустимый шаблон - 1512 мм, однако не фиксируют, на каком уровне от поверхности катания головки рельса измеряется ширина колеи, а она будет различной при разной высоте измерительных лапок у путевого шаблона. ПТЭ также фиксирует (п. 10.2): «расстояние между внутренними гранями колес у нена-груженной колесной пары должно быть 1440 мм ... с допусками ± 3» и «не допускается ... толщина гребня более 33 мм или менее 25 мм у локомотивов при измерении на расстоянии 20 мм от вершины гребня при высоте гребня 30 мм, а у подвижного состава с высотой гребня 28 мм - при измерении на расстоянии 18 мм от вершины гребня».

Таким образом, в ПТЭ, размер колесной пары на расчетном уровне не зафиксирован. Расчетный уровень, на котором измеряется толщина гребня равен 10 мм от поверхности катания. Номинальный размер колесной колеи для локомотивов и вагонов по ПТЭ равен: 1440 + 33*2 = 1506 мм. Но это неверно, так как гребень колеса на расчетном уровне по внутренней поверхности колесного диска уменьшается на 1 мм. Следовательно, номинальная ширина колесной колеи на расчетном уровне ровна 1508 мм. Для колесной пары с максимальным допуском ширина колесной колеи - 1508 + 3 = 1511 мм.

Если рельсовая или колесная колея имеет сверхнормативные отклонения взаимодействие колеса с рельсом происходит с заклиниванием, с подрезкой металла колеса и рельса, а стало быть и с их интенсивным износом и значительной перегрузкой.

При продольном кручении рельса и боковом смещении головки во внутрь колеи происходит локальное дополнительное нагружение рельсов и колес.

В учебниках и в энциклопедии «Железнодорожный транспорт» (Москва, БРЭ, 1994) сказано: «Шириной рельсовой колеи называется расстояние между внутренними рабочими гранями рельсов, измеренное ниже поверхности катания на 13 мм». Такое определение не совсем верно, так как при измерении ширины колеи путевым шаблоном с высотой лапок 13 мм, измеряемая величина существенно зависит от подуклонки рельсов. Если высота измерительных лапок 13 мм, а подуклонка рельсов 1:20, то ширина рельсовой колеи фиксируется в 10 мм от поверхности катания, то есть в зоне боковой выкружки головки рельса, что несколько увеличивает результат измерения.

Поверхность катания головки рельса Р 65 имеет выпуклое криволинейное очертание. Ее средняя часть прокатана по радиусу 500 мм, Радиусы переходной части и боковой выкружки равны соответственно 80 мм и 15 мм. Даже при вертикальном расположении рельса, то есть без подуклонки, боковая выкружка заканчивается на высоте 15.7 мм, а при подуклонке рельса 1:20 - на высоте 19 мм, считая от вертикальной базы шаблона.

Фактически зауженная ширина рельсовой колеи искажается и вагоном-путеизмерителем в сторону уширения, так как его измерительные лыжи расположены с заглублением 22-24 мм от поверхности катания, настройка или сверка ширины колеи выполняется путевым шаблоном с высотой измерительных лапок 13 или 16 мм. Расхождения в измерениях представлены в таблицах 8 и 9.

Таким образом, одна из причин, способствующая сверхнормативному заужению рельсовой колеи, которая приводит к значительной перегрузке рельсов - это измерение ширины рельсовой колеи на уровне боковой выкружки головки рельсов, а именно на расстоянии 13 мм или 16 мм от измерительной базы шаблона.

Для подтверждения изложенного на Горьковской железной дороге был организован опытный проход вагона-путеизмерителя со сверкой ширины колеи по трем поверенным путевым шаблонам с высотой измерительных лапок 13 мм, 16 мм и 25 мм. Измерение рельсовой колеи выполняли под нагрузкой вагона-путеизмерителя, поочередно размещая шаблоны около предохранительных роликов. Полученные результаты представлены в таблицах 8 и 9, из которых видно, что наибольшее различие в измерении ширины рельсовой колеи на звеньевом пути достигает 3 мм, а на бесстыковом превышает 6 мм. Максимальное расхождение ширины рельсовой колеи, измеренное шаблонами с высотой лапок в 13 мм и 25 мм, достигало 8 мм.

Далее были проведены метрологические исследования ширины рельсовой колеи на лабораторном тарировочном стенде (Рис.7). Рельсы, в виде рубок, устанавливаются на единой опоре с заданной подуклонкой и жестким креплением на опоре с помощью струбцин.

подуклонке рельсов

вания ширины колеи

Таблица 8. Измерение ширины колеи (Звеньевой путь с деревянными шпалами и костыльным скреплением)

Шаблон Ширина колеи, мм

1 2 3 4 5 6

Ц08-808 1527.0 1536.5 1515.0 1520.0 1518.0 1516.5

ЦУП-2Д 1526.5 1534.0 1514.0 1518.5 1517.5 1516.0

НИЦ-ПУТЬ 1525.2 1533.5 1512.0 1518.2 15167 1513 5

Разница в измерениях: НИЦ-ПУТЬ и Ц08-808 1.8 3.0 3.0 1.8 1.3 3.0

НИЦ-ПУТЬ и ЦУП-2Д 1.3 0.5 2.0 0.3 0.8 2.5

Таблица 9. Измерение ширины колеи (Бесстыковой путь с ж/б шпалами и скреплениями КБ-65)

Шаблон Ширина колеи, мм

1 2 3 4 5 6

Ц08-808 1519.2 1516.0 1516.0 1519.5 1521.0 1517.0

ЦУП-2Д 1516.0 1514.0 1513.5 1517.5 1518.0 1515.0

НИЦ-ПУТЬ 1514.0 1511.0 1510.5 1512.8 1515.3 1511.5

Разница в измерениях: НИЦ-ПУТЬ и Ц08-808 5.5 5.0 5.5 6.7 5.7 5.5

НИЦ-ПУТЬ и ЦУГ1-2Д 2.0 3.0 3.5 4.2 2.7 3.5

Таблица 10. Результаты измерений ширины колеи при различной подуклонке рельсов

Уровень, мм Подуклонка рельсов

1: оо 1 : 50 1 : 30 1 :20 1 : 10 1 :7.5

32 1519.5 1519.5 1519.5 1519.5 1519.5 1519.7

25 1520.1 1520.0 1519.7 1519.5 1519.2 1519.0

20 1520.7 1520.5 1520.0 1519.7 1519.2 1518.8

16 1521.5 1521.0 1520.6 1520.5 1519.8 1520.5

13 1522.4 1522.2 1521.9 1521.7 1521.3 1523.9

10 1524.3 1524.0 1523.9 1524.4 1525.0 1530.3

Ширина рельсовой колеи выставлялась с помощью эталонного шаблона КШ с размером 1519.5 мм и высотой измерительных упоров в 35 мм. Ширину колеи измеряли различными шаблонами с разной высотой измерительных лапок, в том числе и шаблоном НИЦ-ПУТЬ, у которого высота лапок варьировалась от 32 мм до 10 мм с интервалом в 1 мм. Часть результатов измерений представлена в таблице 10. Из нее следует, что результаты измерений ширины колеи шаблонами с разной высотой упоров и при разной подуклонке рельсов неодинаковые. Причем при упорах 13 мм и 16 мм во всех случаях получаем искажение колеи в сторону уширения. Наименьшее расхождение с эталонным значением получили при высоте лапок 25 мм.

В заключение следует отметить, что если изменение номинальной ширины колеи с 1524 мм на 1520 мм заузило колею на 4мм, то применение шаблона 1108-808 с высотой измерительных лапок 13 мм, заузило колею дополнительно, в зависимости от фактической подуклонки рельсов и, следовательно, локально по длине пути, до 8 мм.

Влияние подуклонки на взаимодействие колеса с рельсом

Рельсовая колея железнодорожного пути характеризуется тремя параметрами, а именно - шириной рельсовой колеи, положением рельсовых нитей друг относительно друга по уровню и подуклонкой рельсов. Однако, все существующие до настоящего времени путевые шаблоны, путеизмерительные тележки и путеизмерительные вагоны позволяют измерять и контролировать только ширину рельсовой колеи и возвышение одного рельса над другим, и не имеют контрольных приспособлений для измерения подуклонки рельсов в пути.

В «Правилах технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации» (Москва, МПС, 2002г.) определены только два параметра рельсовой колеи - это п. 3.9. о номинальном размере ширины колеи и п. 3.10. о возвышении одной рельсовой нити над другой. Понятие о подуклонке рельсов и ее предельных отклонениях в ПТЭ упущены. В Инструкции по текущему содержанию пути (Москва, «Транспорт», 2001 г.) также нет требований к отступлениям по подуклонке рельсов в пути. Изложенные сведения позволяют утверждать, что потерян важнейший параметр рельсовой колеи - подуклонка рельсов. Она стала свободной и неконтролируемой величиной рельсовой колеи.

Подуклонка рельсов в 1 : 20 является обязательным элементом конструкции железнодорожного пути и важнейшей характеристикой рельсовой колеи. Этот параметр в значительной степени определяет характер взаимодействия пути и подвижного состава, в том числе, и плавность хода поезда. Однако, допускаемые отклонения подуклонки рельсов от номинального не оговорены в нормативно-технической документации, что позволяет считать подуклонку рельсов свободным и неконтролируемым параметром железнодорожного пути и рельсошпальной решетки. В результате неконтролируемая подуклонка рельсов железнодорожного пути является основной причиной, создающей условия для зарождения и развития усталостных дефектов в головке рельсов железнодорожного пути и колесах подвижного состава.

Не достаточно полно уделено изучение влияния подуклонки рельсов в колее на характер взаимодействия пути и подвижного состава и условия зарождения и развития дефектов в головке рельса.

При разной подуклонке рельсов в колее, что обусловлено полем допусков на элементы рельсошпальной решетки и современной технологией сборки путевой решетки в ПМС, грузовой вагон «мечется» в колее с ударным взаимодействием колесной пары о боковую грань рельса на прямых и кривых участках пути.

Последствия ударного взаимодействия «плачевны» для рельсов и пути, а также для колес вагонов и конструкций подвижного состава. И никакая лубри-кация или шлифовка рельсов этого явления не устранит.

Большинство дефектов в рельсах и колесах, элементах колесных тележек и вагонов возникают при эксплуатации и проявляются в виде трещин усталостного происхождения. Усталость стали следует понимать как свойство материала к трещинообразованию при перегрузках, когда возникающие напряжения в элемент их взаимодействия превышают предел выносливости. Если же возникающие напряжения в рельсах и колесах ниже предела выносливости стали, то они служат неограниченно долго без разрушения.

Отсюда следует главный вывод, что наработка усталостного дефекта в рельсах и колесах не зависит от пропущенного тоннажа, а зависит от уровня дополнительных напряжений возникающих при перегрузках.

Основная задача исследователей условий зарождения и развития усталостных дефектов в элементах пути и подвижного состава заключается в определении характера перегрузок и их устранения. Эти положения теории прочности были использованы первоначально на Горьковской ж.д., а позднее и на сети дорог, что привело к трех-пятикратному снижению общего количества дефектных рельсов в пути, предотвращению многих изломов рельсов в пути под поездами, увеличению срока службы рельсовых плетей и другим положительным результатам.

Металлургическое качество выпускаемых рельсов является только необходимым условием бездефектной работы рельсов в пути, но не достаточным. Работа рельсовой комиссии по контролю за качеством выпускаемых и поставляемых МПС рельсов является наиважнейшей, но только качеством рельсов затронутые проблемы отрасли не решить. А к достаточным условиям бездефектной работы рельсов в пути относятся требования по качеству рельсошпальной решетки, качеству шпал и рельсовых скреплений, которые сегодня перечеркиваются действующими НТД/ЦП-93 по дефектам рельсов.

Так что же происходит с рельсом в пути при его взаимодействии с подвижным составом?

Почему в качественных рельсах появляются усталостные дефекты и происходят изломы под поездами? Почему мы не можем прогнозировать дефекты и изломы в рельсах? Как повысить рабочий ресурс объемнозакаленных рельсов Р 65 в пути? Ответы на эти и многие другие вопросы, связанные с дефектами рельсов, поможет специальная методика НИЦ-ПУТЬ по натурному обследованию мест зарождения и развития усталостных дефектов и мест излома рельсов в пути под поездами. Методика предусматривала проведение металлографических исследований срезов сломавшихся рельсов, точное (с погрешностью 0,1 мм) и сверхточное (с погрешностью 0,01 мм) измерение всех параметров рельсовой колеи, в том числе измерение подуклонки рельсов по обеим рельсовым нитям.

Для измерения подуклонки рельсов в пути нами использовался шаблон ВНИИЖТа, схема которого представлена в кн. «Путевое хозяйство» под редакцией И.Б. Лехно (Москва, «Транспорт», 1990г.) на стр. 45 и шаблон НИЦ-ПУТЬ, описание которого представлено в Информационном листке ГЖД, 1998 г. и в журнале 111IX № 4 и 5 за 1998 г. Шаблон НИЦ-ПУТЬ для измерения подуклонки рельсов в пути представляет собой изолирующую рейку- брусок, на концах которого установлены и выверены металлические измерительные

башмаки, опорные площадки которых представляют единую поверхность. При измерении подуклонки рельсов в пути шаблон размещается в шпальном ящике и башмаками прижимается к подошвам рельсов. Зазоры между башмаками и подошвами рельсов измеряются зазорником с наружной стороны колеи. Измерительная база в данном случае равна ширине подошвы рельса и для Р 65 составляет 150 мм. При его подуклонке в 1:20 зазор между башмаком и наружной кромкой подошвы рельса составляет 7,5 мм.

Исследования были сконцентрированы на прямых участках пути при отличном и хорошем его состоянии, без просадок, перекосов и выплесков. Количество фиксируемых параметров не так уж велико — это ширина рельсовой колеи, возвышение одного рельса над другим, подуклонка рельсов в колее по каждой рельсовой нити, отводы рельсовой колеи, вертикальные и крутильные деформации рельса под поездной нагрузкой и некоторые другие. Отличительной особенностью методики, является то, что измерения производились над каждой шпалой и в каждом шпальном ящике. Для измерения перечисленных параметров НИЦ- ПУТЬ разработаны ряд шаблонов и приспособлений.

Фактические значения подуклонки рельсов, измеренные нами в пути на деревянных и железобетонных шпалах, изменялись в пределах от 1,5 мм до 30 мм, что соответствует подуклонке рельсов от 1/100 до 1/5. Здесь следует отметить, что существовавший ранее норматив по подуклонке рельсов на деревянных шпалах допускал ее изменение от 1/60 до 1/12.

На рельсошпальной решетке с отступлениями, при взаимодействии с поездной нагрузкой, в рельсах возникают дополнительные циклические напряжения, превышающие поездные изгибные в 10 и более раз, или происходит соударение колесной пары с рабочей гранью рельса на пути с разной подуклонкой рельсов в колее. Причем, ударное воздействие колесной пары о боковую грань рельса происходит и на прямом участке пути из-за разной подуклонки рельсов в колее, практически не фиксируемой визуально.

Закон Ньютона (Р = ша) позволяет рассчитать силу удара проходящей колесной пары о боковую рабочую грань рельса при известных значениях осевой нагрузки и скорости движения поезда. Величина рыскания или поперечного смещения колесной пары в горизонтальной плоскости и длина волны сверхнормативного изменения подуклонки рельсов фиксируется натурными измерениями. Для новой колесной пары с номинальными размерами по колесной колее, сила удара колесной пары о рельс при осевой нагрузке в 25 Тс и скорости поезда в 60 км/час и при ее боковом смещении на 6 мм достигает значения в 1000 КГс. При сверхнормативных отклонениях в рельсовой колее и колесной пары и при повышенных параметрах воздействия величина удара колеса о рельс может достигать значений в 2000+3000 КГс и более. Последствия ударного воздействия колесной пары подвижного состава о боковую рабочую грань рельса хорошо фиксируется статистикой дефектов рельсов на дорогах. В настоящее время наибольшее количество усталостных дефектов в головке рельса развивается по рисункам 10, 11, 21, 30. Причем очень часто, особенно при поперечных изломах рельсов, наблюдается наложение этих дефектов.

Следовательно основной причиной, вызывающей зарождение и развитие перечисленных дефектов в головке рельсов является удар колесной пары о боковую грань рельса при движении поезда, за счет разной подуклонки рельсов в колее. А как на это ударное воздействие реагирует грузовой вагон с максимальной осевой нагрузкой и без амортизаторов в горизонтальной плоскости? Удар колесной пары о боковую грань рельса воспринимается тем или иным колесом и передается через ось колесной пары на буксы, затем на зев боковин и надрес-сорные балки и далее через подпятник, шкворень, на хребтовую балку и автосцепки. Все перечисленные элементы пути и подвижного состава претерпевают перенапряжения при ударном взаимодействии, что ведет к зарождению и развитию в них усталостных трещин с последующим разрушением. Вот поэтому последствия ударного взаимодействия колеса и рельса при рыскании (вилянии) подвижного состава в горизонтальной плоскости в колее, столь «плачевны» как для пути, так и для вагона.

Отсюда, главная причина, заставившая грузовой вагон «метаться» в колее и работать на износ элементы взимодействия заключаются в том, что была потеряна физическая сущность явления, характеризующая процесс взаимодействия пути и подвижного состава, связанная с отступлениями в параметрах рельсовой колеи и особенно по подуклонке рельсов.

По данному разделу можно сделать следующие выводы:

1. Расчетные схемы и дифференциальные уравнения взаимодействия пути и подвижного состава не учитывают перегрузки возникающих в системе «колесо-рельс» при сверхдопустимых отклонениях в параметрах рельсовой колеи.

2. Резкое увеличение количества дефектных рельсов в пути, максимум которых пришелся на 1995 год, связано со сверхнормативным заужением ширины рельсовой колеи.

3. Подуклонка рельсов в пути является важнейшим параметром рельсовой колеи, с которым связаны условия зарождения и развития большинство контактно-усталостных дефектов в головке рельсов.

4. Ширину рельсовой колеи необходимо измерять путевым шаблоном с высотой измерительных лапок 25 мм.

5. Путевой шаблон Ц08-808 с высотой измерительных лапок 13 мм следует изъять из применения.

7. В путевой хозяйство железных дорог необходимо внедрить шаблон, измеряющий три параметра рельсовой колеи.

8. Требования по подуклонке рельсов в колее должны быть включены в «Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации».

4. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОЙ ПЛЕТИ ПРИ ИСКАЖЕНИЯХ РЕЛЬСОШПАЛЬНОЙ РЕШЕТКИ

Механика разрушения рельсовых плетей по усталостным дефектам в головке рельса

Контактно-усталостные дефекты в головке рельса являются главной составляющей всех дефектов рельсов, так как их доля ежегодно доходит 95 процентов общего изъятия рельсов. Наиболее опасным и массовым дефектом в головке рельса является дефект 21, доля которого по изъятию рельсов достигает 20 процентов. Данный дефект характеризуется поперечной усталостной трещиной в головке рельса в виде светлых или темных пятен и изломами рельсов из-за них под поездами вследствие недостаточной контактно-усталостной • прочности металла (По НТД/ЦП-93).

Настоящий раздел посвящен оценке влияния напряжений и дополнительных нагрузок на рабочий ресурс рельсовых плетей железнодорожного пути. Основные допущения, принятые в рассмотрении, заключаются в изучении взаимодействия пути и подвижного состава на прямом участке пути, при отличном его состоянии и исправным подвижным составом.

Для оценки способности материала сопротивляться действию циклических напряжений и для изучения различных стадий усталостного разрушения в технике широко используют кривые усталости, которые устанавливают связь между уровнем переменного напряжения и числом циклов до разрушения (кривые Велера). Кривые усталости строят в координатах а = Г (Ы) или <т = Г по результатам испытаний,

где <Т - характерное напряжение;

N - число циклов до разрушения. В общем случае, поездная нагрузка характеризуется знакопеременными асимметричными циклами, которые оцениваются коэффициентом асимметрии цикла г: г = ат|п/Отах

Коэффициент асимметрии является важной характеристикой цикла и для полной оценки характера циклической нагрузки достаточно знать коэффициент асимметрии и одно из характерных напряжений цикла. Для большинства сталей (сплавов) можно установить такое максимальное напряжение цикла, при котором материал не разрушается при неограниченно большом числе циклов работы. Такое напряжение называется физическим перелом усталости или пределом выносливости ог. На Рис. 8 в общем виде показана полная кривая усталости в диапазоне напряжений от предела прочности Оь до предела выносливости Ог.

Кривая усталости разделяется на области малоцикловой усталости (линия АБВГ) и многоцикловой усталости (линия ГДЕЖ). Между областями малоцикловой и многоцикловой усталости находится переходная область, к которой относятся усталостные разрушения с напряжениями <тр и ок. Область малоцикловой усталости разделяется на три участка, где 1-й участок - линия АБ - участок квазистатического излома. Образец разрушается с образованием шейки без образования усталостной трещины. 2-ой участок- линия БВ - участок циклической ползучести.

В этом случае разрушение по виду не отличается от квазистатического излома, но на поверхности излома уже наблюдается зародыш усталостной трещины. Третий участок - линия ВГ - участок усталостного разрушения, которому предшествует образование усталостной трещины.

Многоцикловая усталость - линия ДЕ - характеризуется изменением механических и физических свойств металлов и сплавов. Причем, первый инкубационный период усталостного разрушения характеризуется тем, что накопленные в материале повреждения носят обратимый характер - период обратимых повреждений. Далее наступает период разрыхления, который иногда называют периодом необратимых повреждений, и характеризуется ростом трещин до микроскопических размеров. Затем наступает период развития микротрещин до макротрещин критического размера, который завершается периодом окончательного разрушения. Начало окончательного разрушения происходит тогда, когда трещина достигает критической длины. Дальнейший рост трещины замедлить, или как-то регулировать его не всегда удается, т.е. разрушение носит спонтанный, неуправляемый характер.

На поверхности усталостного излома, как правило, наблюдается две зоны: одна гладкая, притертая - зона развития трещины, другая - зернистая - зона окончательного излома с признаками свежего хрупкого разрушения.

Усталостные свойства металлов существенно зависят от вида напряженного состояния. Согласно многочисленным экспериментальным данным, были установлены соотношения между пределами выносливости для симметричного цикла при различных видах деформации и, в частности, для гладких цилиндрических образцов стали: в/ = 0,4ов

о.,0 = 0,7 о/ = 0,28св (4-1)

о., = 0,55 о/ = 0,22 о,

где: о.," - предел выносливости при изгибе;

о.,° - предел выносливости при растяжении - сжатии; «т., - предел выносливости при кручении;

Ов - предел прочности при растяжении.

Приведенные расчетные зависимости (4-1) справедливы для цилиндрических стальных образцов с фиксированным нагружением. Для рельсовых плетей эти зависимости дают завышенное значение пределов выносливости. Однако, на основании статистических данных расчетными формулами (4-1) можно воспользоваться для качественной оценки пределов выносливости рельсовой стали.

Если принять для рельсовой объемнозакаленной стали о„ = 12000 кг/см2, то тогда:

<¡4 = 4800 кг/см2 О.,0 = 3360 кг/с а.,0 = 2640 кг/см2

Для условий работы рельсовой плети можно получить зависимость для определения максимально возможного значения напряжения, при котором сечение с усталостной трещиной, характеризуемое размером с1, будет ещё в равновесии. Такое напряжение возникает в подошве рельса и называется критическим напряжением (<ТКр.)

Расчетная зависимость имеет следующий вид: _ \2Е(у0+уп) ^ к Л (4"2)

где: уп = 2x106 эрг/см2 - удельная работа пластической деформации на единицу поверхности трещины;

у о = 2x103 эрг/см2 - удельная поверхностная энергия металла.

По данной зависимости можно определить величины критических напряжений в головке рельсовой плети при известном размере усталостной трещины с1.

Результаты расчета критических напряжений в головке рельсовой плети в зависимости от размере усталостной трещины сведены в таблицу 11.

Таблица 11. Зависимость критических напряжений разрушения от размера усталостной трещины.__

№ п/п Размер усталостной трещины с1 (см) Величина критических напряжений ога [кгс/см2]

1. 0.05 7388

2. 0.1 5224

3. 0.2 3694

4. 0.3 3016

5. 0.4 2612

6. 0.5 2336

7. 0.6 2132

8. 0.7 1974

9. 0.8 1847

10. 0.9 1741

11. 1.0 1652

12. 1.2 1508

13. 1.4 1396

14. 1.6 1306

15. 1.8 1231

16. 2.0 1168

17. 2.5 1045

18. 3.0 954

19. 3.5 883

20. 4.0 826

Обращает на себя внимание факт наличия высоких критических напряжений, особенно при малых размерах усталостной трещины (Таблица 11). Возникает вопрос, откуда же в головке рельсовой плети возникают высокие критические напряжения, достигающие значений 5000 кгс/см2 и более?

В результате рассмотрения работы бесстыкового пути с позицией механики разрушения, было установлено наличие очень высоких критических напряжений в рельсовой плети, что потребовало внимательного изучения напряженно-деформированного состояния рельсовой плети и оценки величин действующих напряжений.

Поездные изгибные напряжения в рельсовой плети

Расчет изгибных напряжений в рельсах определен «Правилами производства расчетов пути на прочность», утвержденными ЦП МПС в 1954 году, а затем дополненными в 1961 и 1971 годах. В расчетных схемах рельсы рассматриваются как балки бесконечной длины, лежащие на сплошном однородном упругом основании или как балки, лежащие на отдельных упругих опорах. Для расчета изгибных напряжений в рельсе примем те же допущения и предпосылки, оговоренные «Правилами расчета». Наибольшие изгибные растягивающие напряжения возникают в подошве рельса апо и находятся по общеизвестной формуле определения нормальных напряжений при изгибе:

где: Wn - момент сопротивления относительно подошвы рельса (для Р65 = 435 см3).

В случае, если рельс рассматривается как неразрезная балка бесконечно большой длины неизменного сечения, лежащая на сплошном однородном упругом основании, изгибающий момент равен:

М=—р, (4-4)

4 К

где: К= 4 коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса.

и- модуль упругости подрельсового основания и представляет собой погонный упругий отпор основания, отнесенный к единице прогиба. Для пути с железобетонными шпалами на резиновых прокладках и=1000-2000 кг/см2летом и и=2000-4000 кг/см2 зимой.

Е - модуль упругости стали, равный 2.1 106 кг/см2;

I - момент инерции рельса Р65 равный 3540 см4.

В этом случае:

Кл = 0.0135 1/см, К3 = 0.016 1/см

Эпюры сил и моментов от приложения осевой нагрузки представлены в работе [ 1 ] Для сечения приложения нагрузки ц= 1.

Тогда изгибающий момент в рельсовой плети

М (летн.) = 18.5 Р;

М (зимн.) = 15.6 Р

Результаты расчета изгибных напряжений в рельсовой плети в зависимости от осевой нагрузки сведены в таблицу 12 и представлены графически на Рис.9.

Таблица 12. Зависимость изгибных напряжений от осевой нагрузки.

№ Осевая Нагрузка от Напряжения растяжения в Напряжения сжатия в

п/п нагрузка Р (тс) колеса Р/2 (тс) подошве рельса а „о (кг/см2) головке рельса а „о (кг/см2)

летом зимой летом зимой

кг/см2 кг/см2 кг/см2 кг/см2

1. 5 2.5 106 90 129 109

2. 10 5.0 212 180 258 217

3. 15 7.5 318 270 387 326

4. 20 10.0 424 360 516 435

5. 25 15.0 636 540 775 653

6. 30 15.0 636 540 775 653

Далее, рассмотрим рельс как балку, лежащую на отдельных упругих опорах, на которых возникают сосредоточенные силы. Расчетная схема этого случая представлена также в работе [ 1 ] .

Наибольший изгибающий момент в рельсовой плети при неблагоприятном распределении сосредоточенной нагрузки от колесных пар тележки достигает величин Мтах = 0.26Р1-0.31Р1.

При 1 = 55 см Мтах = 17.05 Р [кгм]

Результаты расчета изгибных напряжений в рельсовой плети для данной расчетной схемы в зависимости от осевой нагрузки Р сведены в таблицу 13 и представлены графически на рис. 9.

Таблица 13. Результаты расчета изгибных напряжений в рельсовой плети в зависимости от осевой нагрузки.___

№ п/п Осевая нагрузка Р (тс) Нагрузка от колеса Р/2 (тс) Напряжения растяжения в подошве рельса о „о (кг/см2) Напряжения сжатия в головке рельса о „о (кг/см2)

1. 5 2.5 98 119

2. 10 5 196 238

3. 15 7.5 293 357

4. 20 10 392 476

5. 25 12.5 490 595

6. 30 15 588 714

Расчетные величины изгибных напряжений в рельсовой плети от поездной нагрузки, представленные в таблице 12, 13 и на Рис. 9 по сравнению с критическими напряжениями (таблица 11) крайне незначительны и не могут быть определяющими в усталостном разрушении рельсов под поездами.

Также если усложнить рассматриваемую задачу, учтя динамическое взаимодействие пути и подвижного состава и появление дополнительных боковых сил на прямом участке пути, то изгибные напряжения в рельсовой плети возрастут. Даже увеличение изгибных напряжений на 10, или 20, или 30 процентов не объясняет картины усталостного разрушения рельсовых плетей под поездами.

Таким образом, мы констатируем - значительное несоответствие критических напряжений в подошве рельсовой плети при разрушении и циклических изгибных напряжений от поездной нагрузки. Расхождение значительное, практически в десять раз, и никакой точностью расчетов этого объяснить нельзя.

осевой нагрузки

V

Рис.10 Схема смещения полосы наката по головке рельса

Оценка температурных напряжений в рельсовой плети

Существенным недостатком бесстыкового пути, влияющим на механизм излома рельсовых плетей по усталостным дефектам 21 и 30, являются значительные продольные усилия, вызванные изменениями температур. При повышении температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой закрепления в них возникают продольные силы сжатия, которые создают опасность выброса пути. При понижении температуры по сравнению с температурой закрепления в рельсовой плети появляются растягивающие напряжения, которые усугубляют напряженно-деформированное состояние рельсовой плети, что способствует увеличению количества изломов рельсовых плетей по усталостным дефектам в осенне-зимний период.

Рассматриваемая конструкция бесстыкового пути на железобетонных шпалах с рельсами Р65 допускает эксплуатацию рельсовых плетей без сезонных разрядок с постоянной температурой закрепления рельсовых плетей.

t3 = 20°С [2]

Приращение длины рельсовой плети Al определяется по следующей зависимости:

Д1 =0.0000118L(20-t,.)

где: t, - текущая температура рельса.

С изменениями температуры рельса на 1° С продольные температурные напряжения в рельсовой плети изменяются на 25кг/см2 (2.45 МПа). Основная расчетная зависимость температурных напряжений в неподвижной рельсовой плети имеет следующий вид:

с | = Eat

При подстановке в расчетную формулу значений Е и а а I» 25t кгс/см2

Для диапазона изменения температуры рельсов, характерного для Горьковской ж.д. [+57°С - (-47°С)], рассчитаны параметры рельсовой плети из Р65 по методике, изложенной в литературе и результаты расчета сведены в таблицу 14.

Таблица 14. Параметры рельсовой плети из рельсов Р65

Температура рельса t, С Температурные напряжения а ] кг/см 2 Продольная сила в рельсовой плети (тс) N Нереализованное приращение длины ± АЦми], L=1000m

60 -1000 -82.60 +472

50 -750 -61.95 +354

40 -500 -41.30 +236

30 -250 -20.65 +118

20 0 0 0

10 +250 +20.65 -118

0 +500 +41.30 -236

-10 +750 +61.95 -354

-20 +1000 +82.60 -472

-30 + 1250 +103.25 -590

-40 +1500 +123.90 -708

-50 + 1750 +144.60 -826

Полученные результаты справедливы при ряде допущений, и прежде всего, при отсутствии продольного смещения рельсовой плети и равномерном распределении температурных напряжений вдоль пути.

Таким образом, можно констатировать, что наибольшие растягивающие температурные напряжения в рельсовой плети возникают в самое холодное время года и достигают абсолютной величины crf « 1500 кгс/см2. Эта же цифра подтверждается и статистической зависимостью d = f (t) представленной нами анее, где наибольший температурный перепад àt = t3 - tp составляет 60°С, что также соответствует растягивающему напряжению о* « 1500 кгс/см .

Если даже, максимальные изгибные напряжения сложить с максимальными температурными напряжениям и в рельсовой плети, то суммарное напряжение все равно будет значительно меньше критических напряжений разрушения.

В качестве гипотезы, можно предположить, что в рельсовой плети бесстыкового пути возникают локальные дополнительные напряжения, природа которых до настоящего времени оставалась не раскрытой.

Дополнительные напряжения в рельсовой плети, связанные с условиями эксплуатации

Кроме поездных изгибных напряжений и температурных напряжений возникающих в рельсах при эксплуатации железнодорожного пути в рельсах возникают и дополнительные напряжения, отражающие условия взаимодействия пути и подвижного состава.

К ним относятся дополнительные динамические напряжения, связанные с состоянием пути и вписыванием подвижного состава в кривые; перегрузка рельсов от удара ползунов с предельно допустимой величиной в 2 мм; возможные напряжения, связанные с угоном пути; касательные напряжения в рельсах, связанные с термоупрочнением; собственные напряжения в рельсах, возникающие при сборке рельсошпальной решетки.

Все расчетные значения перечисленных напряжений, возникающих в рельсовых плетях, представлены в таблице 15.

Таблица 15. Дополнительные напряжения, возникающие в рельсовой плети.

№ п/п Напряжения в рельсовой плети Величина напряжений

°ч> , кгс/см От осевой нагрузки Дополнительные напряжения

1 Критические напряжения разрушения рельсовой плети До 5000 и более

2 Максимальные изгибные напряжения в головке и подошве рельса Р65 при осевой нагрузке Р=25тс 540-650

3 Температурные напряжения в плети при разрушении 250-500 до 1000

4 Динамические напряжения связанные с состоянием пути и вписыванием в кривые 150

5 Напряжения от удара по рельсу ползуном до 2 мм 100

6 Возможные напряжения, связанные с угоном пути до 200

7 Касательные напряжения бокового распора при экстренном торможении до 60

8 Остаточные напряжения в рельсах до 1000

9 Собственные напряжения в рельсах при сборке путевой решетки от 0 до 500

В таблице 15 представлено главное противоречие механики разрушения рельсов. С одной стороны, разрушения рельсов происходят при критических напряжениях 5000кгс/см2 и более, а с другой стороны, основные и дополнительные напряжения, возникающие в рельсовой плети даже в сумме, не достигают этого значения.

Во втором разделе настоящей работы рассмотрены условия зарождения и развития дефектов в головке рельсов как последствия их ударного взаимодействия и дана методика расчета силового воздействия. В местах зарождения и развития контактно-усталостных дефектов в головке рельсов имеет место смещение полосы наката по поверхности катания головки рельса, схема которого представлена на Рис. 10.

Основные параметры для расчета:

Ь/2 - длина полуволны;

Д - расстояние поперечного смещения, фиксируемое по полосе наката;

1 - расстояние по рабочей грани головки рельса, где колесные пары наносят удар по рельсу;

V - скорость движения поезда;

Р - осевая нагрузка;

Т- время движения колесной пары по длине полуволны;

о- скорость поперечного смещения колесной пары в рельсовой колее;

^ время удара колесной пары о боковую грань рельса;

а- ускорение при ударе колесной пары о рабочую грань рельса;

И- сила удара колеса о рельс;

Кд - коэффициент демпфирования.

Результаты расчета ударного воздействия колесной пары о рельс при различных параметрах взаимодействия представлены в таблице 16.

Как следует из приведенных расчетов, сила удара колеса о рельс при увеличении скорости в 2,3, 4 раза увеличивается соответственно в 4, 9, 16 раз и достигает нескольких тысяч килограмм, даже при коэффициенте демпфирования Кд = 0,5 (№ п.п. 1,2, 3,4).

Сила удара колеса о рельс при уменьшении длины волны смещения полосы наката в 2, 3, 4 раза также увеличивается в 2, 3,4 раза (№ п.п. 5,6. 7, 8).

При уменьшении расстояния поперечного смещения в 2, 3, 4 раза, сила удара колеса о рельс также уменьшается в 2. 3, 4 раза (№ п.п. 9, 10, 11, 12).

При максимальных скоростях движения поездной нагрузки на рельсо-шпальной решетке с максимальными искажениями возникают предельные ударные нагрузки (№ п.п. 13, 14, 15, 16).

Таблица 16. Результаты расчета ударного воздействия колесной пары о рельс.

№ п/п Длина волны Ь (м) Длина полуволны иг (м) Поперечное смешение Д (мм) Расстояние взаимодействия 1 (м) Скорость поезда V (км/час) Осевая нагрузка Р (тс) Время движения по п|волне г=А 2у (сек) Скорость поперечного смещения Д и = — Г (м/сек) Время удара / 1 = — V (сек) Ускорение при ударе и а =— 1 (м/сек1) Сила удара F= ma (кгс) Кд =0,5 Fya (кгс) Примечание

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14

1. 33.3 16.66 10 0.5 30 30 2.0 0.005 0.06 0.083 249 125

2. 33.3 16.66 10 0.5 60 30 1.0 0.01 0.03 0.333 999 500

3. 33.3 16.66 10 0.5 90 30 0.666 0.015 0.02 0.75 2250 1125

4. 33.3 16.66 10 0.5 120 30 0.5 0.02 0.015 1.33 3990 2000

5. 50.0 25.0 10 0.5 60 30 1.5 0.0066 0.03 0.222 666 333

6. 33.33 16.66 10 0.5 60 30 1 0.01 0.03 0.333 999 500

7. 16.66 8.33 10 0.5 60 30 0.5 0.02 0.03 0.666 1998 1000

8. 8.33 4.16 10 0.5 60 30 0.25 0.04 0.03 1.333 4000 2000

9. 33.33 16.66 8 0.5 60 30 1.0 0.008 0.03 0.266 798 400

10. 33.33 16.66 6 0.5 60 30 1.0 0.006 0.03 0.200 600 300

11. 33.33 16.66 4 0.5 60 30 1.0 0.004 0.03 0 133 399 200

12. 33.33 16.66 2 0.5 60 30 1.0 0.002 0.03 0.066 199 100

13. 16.66 8.33 10 0.5 100 30 0.299 0.033 0.018 1.833 5500 2750

14. 8.33 4 16 10 0.5 100 30 0.149 0.0671 0.018 3.727 11181 5590

15. 16.66 8.33 10 0.5 120 30 0.250 0.040 0.015 2.666 8000 4000

16. 8.33 4.16 10 0.5 120 30 0.125 0.080 0.015 5.333 16000 8000

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Максимальные величины поездных изгибных напряжений в головке рельса Р65 при осевой нагрузке в 30 Тс составляют 680-700 кгс/см2.

2. Температурные напряжения в рельсовой плети для экстремальных условий не превышает 1000 кгс/см2.

3. Величина критических напряжений в головке рельсов, при которых начинается зарождение и развитие усталостных дефектов достигает значений в 5000 кгс/см и более.

4. Сила удара колеса о головку рельса на рельсошпальной решетке с искажениями и является основной причиной зарождения и развития контактно-усталостных дефектов в головке рельса.

5. Расчетная величина силы удара колеса о рельс значительно снижается при уменьшении параметров, характеризующих искажение рельсошпальной решетки.

6. Искажения путевой решетки могут быть значительно снижены при повышении ее качества при сборке на звеносборочных базах.

5. ПОВЫШЕНИЕ РАБОЧЕГО РЕСУРСА И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Пути повышения рабочего ресурса железнодорожных рельсов Существовавшая ранее на сети железных дорог РФ и стран СНГ планово-предупредительная система ремонта пути не раскрывала природы зарождения и развития усталостных дефектов в рельсах. В соответствии с приказом Министра путей сообщения № 12Ц от 16.08.1994 года «О переходе на новую систему ведения путевого хозяйства на основе повышения технического уровня и внедрения ресурсосберегающих технологий», осуществлен переход от планово-предупредительной системы ремонта пути к ресурсосберегающей системе эксплуатации с ремонтами пути по его состоянию. В связи с приказом 12Ц вопрос о природе усталостных дефектов стал чрезвычайно актуальным, что вынудило дороги активизировать исследования в данном направлении.

В результате настоящих исследований, можно утверждать, что за счет повышения качества взаимодействия в системе «Колесо-рельс», и прежде всего за счет качества рельсошпальной решетки, рабочий ресурс объемнозакаленных рельсов Р65 может быть увеличен, при прочих равных условиях, в 2-3 раза. Гарантированный срок службы объемнозакаленных рельсов Р 65 может быть доведен до 1.0 миллиарда тонн км брутто на км пути, причем максимальный срок службы рельсов Р 65 может быть доведен до 2.0 - 2.5 миллиардов тонн км брутто, без усталостных дефектов и изломов. Для этого нужно повысить качество взаимодействия в системе «Колесо-рельс» прежде всего за счет повышения качества рельсошпальной решетки, а также пересмотреть и переработать НТД/ЦП - 93.

Исследования природы усталостных дефектов в рельсах и причин излома рельсов в пути под поездами, позволило разработать рабочую гипотезу причин возникновения дефектов в рельсах, по которой первопричиной их зарождения и развития является ударное воздействие колесной пары подвижного состава о боковую грань рельса ж.д. пути. Удар колеса о боковую грань рельса происходит при рыскании (вилянии) подвижного состава из-за отступлений в параметрах рельсовой колеи в рельсошпальной решетке. Конечно, ударное воздействие подвижного состава на рельс в одном и том же месте, приводит к зарождению и развитию усталостных дефектов в виде трещин и изъятию рельса из пути как остродефектного. Но это ударное воздействие колесной пары о рельс не может проходить без последствий для подвижного состава.

При разной подуклонке левого и правого рельсов в колее, колесная пара при движении поезда смещается в поперечном направлении и наносит удар по рабочей грани рельса с большей подуклонкой. Это хорошо фиксируется визуально на прямых участках пути по смещению полосы наката на головке рельса. Смещение полосы наката на головке рельса имеет волнообразный характер с длиной волны от 3-5 метров до 50-60 метров и амплитудой смещения в 8-12 мм. Выполнив инструментальные измерения участка пути, где проявился усталостный дефект, или где произошел поперечный излом рельса, нами проведен расчет ударной силы колесной пары о боковую грань рельса при ее боковом перемещении.

Расчетная сила удара колесной пары о боковую грань рельса - величина многофакторная и достигает значений до нескольких тысяч КГс. Многократное соударение колесных пар проходящего подвижного состава с боковой гранью рельса приводит к зарождению и развитию в головке рельса многих дефектов контактно-усталостного происхождения.

Ударную природу зарождения и развития усталостных дефектов в рельсах подтверждает статистика дефектных рельсов, фиксируемая журналом ПУ-2а, где 9095% дефектов по рисункам 10 и 11 имеют глубину от 4 мм до 5 мм и очень редко другие значения, выходящие за указанный интервал.

Основной причиной, вызывающей зарождение и развитие дефектов 10,11, 21,30 в головке рельсов является удар колесной пары о боковую грань рельса при движении поезда, за счет разной подуклонки рельсов в колее.

Следовательно, для снижения ударного воздействия колеса о рельс необходимо повысить качество рельсошпальной решетки.

Недостатки современной классификации дефектов рельсов

Действующая в настоящее время на сети дорог РФ Нормативно-техническая документация НТД/ЦП-93 [7], содержащая «Классификацию дефектов рельсов», «Каталог дефектов рельсов» и «Признаки дефектных и остродефектных рельсов», вызывает множество вопросов и нареканий поскольку содержит устаревшее воззрение на природу усталостных дефектов в рельсах, сложившиеся еще в 19 века.

Нельзя согласится с НДТ/ЦП-93, общие положения, п. 1.1, согласно которому «Рельсы в процессе эксплуатации по мере наработок тоннажа (млн. т. брутто) подвергаются естественному старению, приводящему к образованию в них дефектов вызывающих отказы рельсов». Термин «старение рельсовой стали» в далеком прошлом связывали с усталостным разрушением и еще в начале 20 века был признан ошибочным.

Еще больше нареканий и вопросов возникает по причинам появления дефектов, изложенных в НТД. Например, что такое «недостаточная контактно-усталостная прочность металла», по которым развиваются дефекты 11, 21, 30, 41 и другие НТД отвечает - «Недостаточное металлургическое качество рельсовой стали, определяющее недостаточную контактно-усталостную прочность метала, с. 15». Еще более сложно и запутано НТД объясняет причины появления и развития дефекта 21, а именно, «Загрязнение стали высокотвердыми неметаллическими включениями вытянутыми при прокате в виде строчек-дорожек, и недостаточная контактно-усталостная прочность металла приводит под воздействием подвижного состава к появлению и развитию дефекта».

На следующий вопрос «В чем причина излома рельсов под поездами по дефекту 69?» НТД/ЦП-93 отвечает, что это коррозия подошвы рельса и коррозионно-усталостная трещина. Далее поясняется где появляется коррозия и даются указания «При коррозии подошвы глубиной у ее края не более 7 мм для Р65 рельсы являются дефектными и подлежат замене в плановом порядке. Рельсы, у которых кромка подошвы имеет коррозию глубиной более указанных величин, являются остродефектными и подлежат замене без промедления». НТД/ЦП-93, стр.50.

Совершенно неудовлетворительный ответ дают НТД /ЦП-93 о причинах поперечного излома рельсов по дефекту 79 без видимых пороков в изломе. Излом происходит «вследствие превышения допускаемой нагрузки, особенно в сочетании с неудовлетворительным состоянием пути, а также вследствие хрупкости и хладноломкости рельсовой стали» НТД/ЦП-93.

Далее можно констатировать, что усталостные трещины, фиксируемые при изломах рельсов в головке, шейке и подошве рельса, не являются причиной излома, а характеризуют процесс разрушения, связанный с перегрузкой рельсов. НТД/ЦП-93, объясняя причины зарождения и развития большинства дефектов в рельсах только металлургическим качеством рельсовой стали, совершает грубейшую ошибку. Это положение считаем неверным и ошибочным, так как большинство дефектов в рельсах возникает при эксплуатации из-за дополнительных нагрузок.

В 1998 году НИЦ-ПУТЬ Горьковской железной дороги предложил ЦП МПС переработать действующую НТД/ЦП-93. ВНИИЖТ приступил к работе по переработке НТД/ЦП, были собраны предложения и замечания всех заинтересованных организаций, представлены три редакции новых НТД, но на настоящий момент работа не завершена.

Существующая классификация дефектов рельсов по НТД/ЦП-93 представлена в таблице 17.

Наши предложения по переработке НТД/ЦП сведены в таблицу 18, которая сохраняет структуру кодового обозначения дефектов рельсов, сложившуюся на сети дорог РФ. Но в ней все дефекты со второй цифрой 0, а именно (10, 20, 30, ...) - дефекты заводского происхождения. Все дефекты со второй цифрой 1 (11,21,31, ...)-дефекты усталостного происхождения с фиксируемой или обнаруживаемой усталостной трещиной, а дефекты (12, 22, 32, ...) без явно выраженной усталостной трещины. Все дефекты в стыке кодируются цифрами (13, 23, 33, ...), а в сварном стыке (16, 26, 36, ...). Дефекты (14, 24, ...)указывают на повышенное воздействие подвижного состава, а дефекты (15, 25,...) на последствия от механических повреждений.

Коррозия рельса проявляется в виде дефектов (59, 69, 79, ...). Группы дефектов по элементам сечения рельса остаются неизменными. Дефекты по поверхности катания - это дефекты (10, 11, 12, 13, ...) и так далее. Все поперечные изломы рельсов по всему сечению сводятся в одну группу и это дефекты (70, 71, 72,...).

Прочие дефекты и повреждения рельсов с первой цифрой 9 есть во всех разновидностях дефекта. Предлагаемая классификация дефектов рельсов имеет кодовый запас со второй цифрой 7 и 8, на случай появления в пути новых дефектов.

Для дальнейшего анализа рассмотрим статистические данные по дефектам рельсов на ГЖД представленные в Таблицах 3, 4, 5. Из них следует, что до 30% дефектов в рельсах возникает в период гарантийного срока службы объемнозака-ленных рельсов Р65. и здесь встает вопрос, с одной стороны, о качестве рельсов, а с другой стороны, почему нет претензий дорог к металлургическим заводам о качестве рельсов.

Претензии дорог к заводам, конечно, были, но в 99 случаях из 100 качество рельсовой стали соответствовало требованиям ГОСТ. Поэтому причины зарождения и развития дефектов в рельсах не связаны с качеством рельсовой стали

Таблица 17 Классификация дефектов рельсов по НТД/ЦП-93 (существующая).

Группы дефектов по элементам сечения рельса

Головка рельса

Шейка рельса

Подошва рельса

Изломы по всему сечению

Изгибы рельса в горизонтальной и вертикальной плоскостях Прочие дефекты и повреждения рельса

Разновидность (тип) дефекта по основному признаку

&

о 9 £ &

8 к

00

^ в 8

з! 2

Я о Г я з ;

ё I и

<5 I

а ч ~

В и ё |

с « §

г Ш

8.

I

код дефекта

Б7

Таблица 18 Классификация дефектов рельсов (предлагаемая)

Группы дефектов по элементам сечения рельса

Головка рельса

Шейка рельса

Подошва рельса

Изломы по всему сечению

Изгибы рельса в горизонтальной и вертикальной плоскостях

Прочие дефекты и повреждения рельса

Разновидность (тип) дефекта по основному признаку

е-&

I

а е-

а а.

£ О

с С

1 ё

| I

I I

£ I

8.1

£ *

6}

•§ г

э

8

&&

#1 £

Условные обозначения:

Металлургические и заводские дефекты

Дефекты от дополнительных нагрузок и перегрузок

Рис 11 Основные причины отказа остродефектных рельсов за 2003 год

Это положение подтверждает и статистика дефектов по заводским причинам. Так ежегодное количество дефектов по рисункам 20, 40, 50, 60, 70 на дорогах лежит в диапазоне от нуля до нескольких штук. Это говорит о высоком металлургическом качестве поставляемых рельсов.

Принципиальные отличия существующей классификации дефектов рельсов по НТД/ЦП-93 и предлагаемой НИЦ-ПУТЬ отражены на диаграммах, представленных на Рис. 11. По НТД/ЦП-93 основными причинами, поясняющими природу усталостных дефектов рельсов являются металлургические недостатки рельсовой стали, а по предлагаемой классификации - отступления в рельсошпальной решетке.

Таким образом, в настоящее время необходима существенная переработка нормативно-технической документации по дефектам рельсов.

Система контроля качества рельсошпальной решетки железнодорожного пути

В настоящее время точность и качество рельсошпальной решетки на железобетонных шпалах, собираемой из новых материалов и укладываемых в путь, характеризуется как неудовлетворительное, на которой не выдерживаются параметры рельсовой колеи по ширине, возвышению, подуклонке и по отводам. Рельсошпаль-ная решетка на бетоне с отступлениями по параметрам рельсовой колеи, уложенная в путь при капитальном ремонте, вызывает повышенную вибрацию подвижного состава при скоростном движении поездов. При взаимодействии путевой решетки с отступлениями с подвижным составом в рельсах возникают дополнительные нагрузки напряжения, вызывающие зарождение и развитие дефектов рельсов контактно-усталостного происхождения. Разная подуютонка рельсов в колее вызывает боковое смещение колесных пар с ударным взаимодействием колесных пар с боковой рабочей гранью рельсов. В результате ударного взаимодействия в рельсах и гребнях колес зарождаются и развиваются трещины, которые приводят к изломам рельсов и колес под поездами.

На конец 2003 года на ГЖД находилось в пути 10590 дефектных рельсов и было снято с пути за год 8714 остро дефектных рельсов.

По статистическим данным Центра «Диагностика» ГЖД до 30% дефектов контактно-усталостного происхождения возникают в качественных объемнозака-ленных рельсах Р65 в пределах гарантийного срока эксплуатации рельсов. Качество рельсовой стали, в которой появились дефекты, соответствует требованиям ГОСТ, поэтому ГЖД ни каких претензий к металлургическому качеству рельсовой стали и к заводам-изготовителям рельсов- не предъявляет.

Зарождение и развитие дефектов контактно-усталостного происхождения в рельсах железнодорожного пути и гребней колес подвижного состава связано с низким качеством капитального ремонта пути, и прежде всего, с низким качеством и точностью рельсошпальной решетки по параметрам рельсовой колеи.

Система контроля качества рельсошпальной решетки железнодорожного пути предусматривает комплекс организационно-технических мероприятий по программе «Колесо - рельс» на 2004 год по Горьковской железной дороге - филиале ОАО «РЖД» и закреплена приказом начальника дороги №151/Н от 22 апреля 2004 года [б]. В результате этого приказа точность рельсошпальной решетки, собираемой из новых материалов на звеносборочных базах, должна характеризоваться шириной рельсовой колеи в 1520+ 0,5 мм.

По данному разделу можно сделать следующие выводы:

1. Для повышения рабочего ресурса и эксплуатационной стойкости рельсовых плетей необходимо повысить качество и точность рельсошпальной решетки собираемой на звеносборочных базах ПМС.

2. Зарождение и развитие дефектов рельсов контактно-усталостного происхождения связано с перегрузками и перенапряжениями в качественных рельсах, возникающими на рельсошпальной решетки с отступлениями по параметрам рельсовой колеи.

3. Существующая Нормативно-техническая документация НТД/ЦП-93 по дефектам рельсов содержит устаревшие воззрение на природу дефектов, неверно объясняет причины зарождения и развития контактно-усталостных дефектов и нуждается в переработке.

4. Предлагаемая классификация дефектов рельсов по НИЦ-ПУТЬ имеет принципиальные отличия от классификации НТД/ЦП-93.

5. Система контроля качества рельсошпальной решетки железнодорожного пути обеспечивает сборку высококачественной путевой решетки с шириной рельсовой колеи в 1520 ±0,5 мм.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Зарождение и развитие усталостных дефектов в головке рельсов бесстыкового пути происходит в качественных объемнозакаленных рельсах без металлургических дефектов.

2. Количество дефектов контактно-усталостного происхождения в головке рельсов составляет 90-92 процента и более всех дефектов рельсов железнодорожного пути.

3. Резкое увеличение дефектов рельсов с 1990 г. по 1995 год на сети дорог РФ произошло за счет сверхнормативных отклонений в параметрах рельсовой колеи.

4. Срок службы рельсов в пути и их рабочий ресурс не зависят от пропущенного тоннажа.

5. Качество рельсошпальной решетки, собираемой на звеносборочных базах ПМС, оказывает решающее воздействие на кинетику контактно- усталостных дефектов в головке рельсов, рабочий ресурс рельсов и железнодорожного пути.

6. Подуклонка рельсов в пути является важнейшим параметром рельсовой колеи, с которым связаны условия зарождения и развития большинства контактно-усталостных дефектов в головке рельсов.

7. Требования по подуклонке рельсов в колее должны быть включены в «Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации».

8. Величина критических напряжений в головке рельсов, при которых начинается зарождение и развитие усталостных дефектов достигает значений в 5000 КГс/см2 и более.

9. Сила удара колеса о головку рельса на рельсошпальной решетке с искажениями достигает нескольких тысяч килограмм и является основной причиной зарождения и развития контактно-усталостных дефектов в головке рельса.

10. Существующая Нормативно-техническая документация НТД/ЦП-93 по дефектам рельсов содержит устаревшее воззрение на природу дефектов неверно объясняет причины зарождения и развития контактно-усталостных дефектов в головке рельсов и нуждается в переработке.

11. Предлагается новая классификация дефектов рельсов, которая позволяет воздействовать на срок службы рельсов в пути.

12. Система контроля качества рельсошпальной решетки железнодорожного пути обеспечивает сборку высококачественной путевой решетки с шириной рельсовой колеи 1520±0,5 мм, которая все искажения сводит к самым минимальным значениям.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Волков В.И., Иванов П.С. Опыт эксплуатации звеньевого пути с несимметричным рельсовым стыкам. Информационный листок ГЖД, ДЦИР, 1995г.

2. Волков В.И., Малов Е.В., Кулемин В.Н. О влиянии подуклонки рельсов в колее на боковой износ и подрезку гребней подвижного состава. Сборник тезисов научных докладов г. Омск, 1997 г.

3. Волков В.И., Косенко С.А., Иванов П.С. Параметры рельсовой колеи и качество рельсошпальной решетки. Информационный листок ГЖД, ДЦИР, 1998 г.

4. Волков В.И., Косенко С. А. Прогнозирование и диагностика усталостных дефектов в рельсах.. Сборник научных трудов, выпуск 2, КФЗАТК Алматы, 2003 г.

5. Волков В.И., Иванов .С., Чурашов O.A. Классификация дефектов рельсов железнодорожного пути. Научно-практическая конференция «Колесо-рельс 2003 г.». Сборник докладов ВНИИЖТ, Москва-Щербинка, 2003 г.

6. Волков В.И., Уразбеков А.К., Косенко С.А. Почему рельсы ломаются в пути под поездами. XI международная конференция «Проблемы механики железнодорожного транспорта». Тезисы докладов, Днепропетровск, ДИИТ, 2004 г.

7. Волков В.И., Уразбеков А.К. и др. О природе бокового износа рельсов на прямых и в кривых участках пути. XI международная конференция «Проблемы механики железнодорожного транспорта». Тезисы докладов, Днепропетровск, ДИИТ, 2004 г.

8. Волков В.И. Опыт внедрения бесподкладочного рельсового скрепления на ГЖД. XVII межвузовская конференция «Актуальные проблемы естествознание». Тезисы докладов, РГОТУПС, Москва-Н. Новгород, 2004 г.

9. Волков В.И. Диагностика и прогнозирование дефектов рельсов. XVII межвузовская конференция «Актуальные проблемы естествознание». Тезисы докладов, РГОТУПС, Москва-Н. Новгород, 2004г.

Ю.Волков В.И. Боковой износ рельсов на прямых участках железнодорожного пути. XVII межвузовская конференция «Актуальные проблемы естествознание». Тезисы докладов, РГОТУПС, Москва-Н. Новгород, 2004г.

П.Волков В.И. Современные проблемы железнодорожного транспорта. XVII межвузовская конференция «Актуальные проблемы естествознание». Тезисы докладов, РГОТУПС, Москва-Н. Новгород, 2004г.

12.Волков В.И., Шайдуллин Ш.Н., Иванов П.С., Косенко С.А. Способ сборки высококачественной рельсошпальной решетки железнодорожного пути. Решение на выдачу патента по заявке № 2004105001 от 20.02.2004г.

13.Волков В.И., Шайдуллин Ш.Н., Иванов П.С., Косенко С.А. и др. Способ повышения качества рельсошпальной решетки железнодорожного пути. Решение на выдачу патента по заявке № 2004105002 от 20.02.2004г.

14.Волков В.И., Косенко С.А. и др. О причинах полного разрушения рельсов в пути. Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы путевого комплекса», посвященная 100-летию профессора Шахунянца Г.М. Труды конференции, Москва, МГУПС, 2004 г.

15.Волков В.И. Иванов П.С. и др. Условия интенсивного бокового износа рельсов. Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы путевого комплекса», посвященная 100-летию профессора Шахунянца Г.М. Труды конференции, Москва, МГУПС, 2004 г. 1 б.Волков В.И. Питеев Н.И. и др. Природа контактно-усталостных дефектов в головке рельса. V научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов». Труды конференции, Москва, МГУПС, 2004г. 17.Волков В.И., Питеев Н.И. и др. Недостатки Нормативно-технической документации по дефектам рельсов (НТД/ЦП-93) и необходимость их устранения. V научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов». Труды конференции, Москва, МГУПС, 2004г.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ПРИ РАБОТЕ НАД ДИССЕРТАЦИЕЙ

1. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М., Транспорт, 1987 г., 479 с. 2 Альбрехт В.Г., Зверев Н.Б., Чирков Н.С., Шульга В.Я. Бесстыковой путь. М., Транспорт, 1982 г., 206 с.

3. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М., Транспорт, 1986 г., 559 с.

4. Яковлева Т.Г., Шульга В.Я., Амелин C.B. Основы устройства и расчетов железнодорожного пути. М., Транспорт, 1990 г., 367 с.

5. Амелин C.B., Смирнов М.П., Рязанцев В.И. и др. Устройство, ремонт и текущее содержание железнодорожного пути. М., Транспорт, 1981 г.,286 с.

6. Приказ Министра путей сообщения Российской Федерации № 12-Ц от 16 августа 1994 года "О переходе на новую систему ведения путевого хозяйства на основе повышения технического уровня и внедрения ресурсосберегающих технологий". М., МПС, 1994г.

7. Нормативно-техническая документация дефектов рельсов НТД/ЦП-93 М., Транспорт, 1993 г., 63 с.

8. Конюхов А.Д., Рейхарт В.А. Коррозионная усталость рельсов. Вестник ВНИИЖТа,№2, 1995г.

9. Лысюк B.C. Исследование причин изломов рельсов в пути по дефекту 69. Отчет по НИР, М., ВНИИЖТ, 1992 г., 118 с.

10.К.Г. Шмитт-Томас. Металловедение для машиностроения. Справочник, М., Металлургия, 1995 г., 386 с.

11 .Колесников В.А., Кадырбеков Б.А. Основы инженерных расчетов на усталость. Алма-Ата, Мектеп, 1981 г., 260 с.

12 Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути. М., Транспорт, 2000 г., 95 с.

13 Яковлев В.Ф. Исследование сил взаимодействия колеса и рельса с учетом нелинейных односторонних связей и переменных масс. Труды ЛИИЖТа, вып. 238, 1964г., с.46-75.70

14.Исследование контактной прочности рельсов. Под редакцией Амелина C.B., Л., ЛИИЖТ, 1961 г., 125с.

15. Лысюк B.C. Накопление остаточных деформаций в пути. Журнал 111IX, № 1973 г., с. 44-45.

16.Управление надежностью бесстыкового пути. Под редакцией Лысюка B.C., М, Транспорт, 1999 г., 373 с.

17. Расчеты на прочность в машиностроении. Под редакцией Пономарева С.Д.,

в трех томах, М., Машгиз, 1956-1959 г., том 1 - 884 е., том II - 974 е., том III -1118 с.

18. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М., Машиностроение, 1977 г., 230 с.

19. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович Р.Н. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М., Машиностроение, 1975 г.

20.Серенсен C.B. Динамика машин для испытания на усталость. М., Машиностроение, 1967г.

21 .Вопросы механической усталости. Сборник статей под редакцией Серенсена C.B., М> Машиностроение, 1964г.

22.Вопросы усталостного разрушения сталей. Сборник переводных статей под редакцией Серенсена C.B., M-JL, Машгиз, 1957 г.

23.Усталость и выносливость металлов. Сборник переводных статей. Под редакцией Ужика Г.В. М., издательство ИЛ, 1963 г., 497 с.

24.Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М., Металлургия, 1963г., 272с.

25.Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М., Металлургия, 1975 г., 455 с.

26.Усталость и вязкость разрушения металлов. Под редакцией Ивановой B.C., М., Наука, 1974г.

27.Усталость металлов и сплавов. Под редакцией Ивановой B.C., М., Наука, 1971г., 122с.

28.Иванова B.C. Фрактографический метод определения длительности роста усталостных трещин в образцах и деталях. М., АН СССР, 1977 г.

29. Иванова B.C. Разрушение металлов. М., Металлургия, 1979 г. 167 с.

30. Шур Е.А. Повреждаемость рельсов. М., Транспорт, 1971 г., 1 Юс.

31. Шур Е.А. Конструктивная прочность стали и термическая обработка железнодорожных рельсов. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н., М., 1980г.

32.Иванов П.С., Клочко В.А. Природа усталостных дефектов рельсовых плетей бесстыкового пути. Тезисы докладов, Днепропетровск, Украина, 2000 г.71

33.Иванов П.С., Клочко В.А. Механизм разрушения рельсовых плетей железнодорожного пути. Журнал Техническая механика, HAH Украины, № 1,2000 г.

34.Иванов П.С., Клочко В.А. Снижение касательных напряжений в рельсовых плетях бесстыкового пути. Тезисы докладов. С-П., ЛИИЖТ, 2001 г.

35.Иванов П.С., Масягин C.B., Клочко В.А. Почему заужена колея. Журнал ППХ, № 5, 2001г.

36.Иванов П.С., Малов Е.В., Кулемин В.Н. Усталостное разрушение рельсов бесстыкового пути. Журнал ППХ, №№ 2, 3, 4, 5, 1998 г.

37.Иванов П.С., Малов Е.В., Русин А.Н. Улучшить качество рельсошпальной решетки. Журнал ППХ, №11, 1998 г.

38.Иванов П.С., Галунин А.П. Системная причина. Журнал ж.д. транспорт, № 12, 1996 г.

39.Иванов П.С., Сейкетов А.Ж. и др. Способ стыковки рельсов звеньевого пути. Патент № 2037597 от 21.12.90 г., БИ № 17,1995 г.

40.Иванов П.С., Галунин А.П. и др. Устройство для очистки и подрезки щебеночного балласта. Патент 2093633 от 18.04.95 г., БИ 29,1997г.

41.Иванов П.С., Галунин А.П. и др. Рельсовое клеммно-болтовое скрепление. Патент 2105095 от 24.01.96 г., БИ 5,1998 г.

42.Иванов П.С., Кулемин В.Н. и др. Рельсовое скрепление. Патент 2112823 от 09.06.97 г., БИКо 16,1998 г.

43. Оценка степени влияния искаженной рельсошпальной решетки на возникновение трещин коррозийной усталости в подошве рельсов. Отчет ЗАО «ОНИЦ Перспективные технологии», Москва, 2001 г. 87 стр.

44. Шпалы железобетонные предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520мм ГОСТ 10629-88 Государственный стандарт Союза ССР, Москва, 1988 г.

45. Шпалы железобетонные предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520мм Российской Федерации. Стандарт отрасли ОСТ 32.152-2000. МПС РФ, 2000 г.

46. Рельсы железнодорожные типа Р65. Конструкция и размеры. ГОСТ 8161-75, Государственный стандарт Союза ССР, Москва, 1975г.

47. Рельсы железнодорожные. Общие технические условия. ГОСТ Р51685 - 2000, Госстандарт России, Москва, 2000 г.

48. Лесун А.Ф. Кинетика усталостного разрушения рельсовых плетей по дефектам в подошве рельса и меры по их предотвращению. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. в форме научного доклада, Москва, 2005г.

49. Яковлев В.Ф., Кудрявцев ИА Котакгно-усгалосшая прочность рельсовой стали при действии вертикальных и касательных сил. Вестник ВНИИЖГа, 8,1980 г., с.44-46.

50. Яковлев В.Ф., Кудрявцев ИА Влияние схемы приложения нагрузок на контактную выносливость рельсов Весшик ВНИИЖГа, 8,1971г., с. 33-35.

51. Шур Е А О выборе допускаемых напряжений при прочностных расчетах рельсов Вестник ВНИИЖГа, 8,1977г. с. 38-41.

52. Майр Р., Гроенхут ИР. Развитое поперечных усталостных дефектов в головке железнодорожных рельсов. Железные дороги мира, 10,1981 г., с. 44-53.

53. Homm Дж.Ф. Основы механики разрушения. М, Металлургия, 1978г., 256с.

54. Orowan Е.О. Fundamentals of brittle behavior of Metals-Fatigue and Fracture of Metals/NL Wiley. 1950r.,c.l39-167.

55. Jrwin G. R., Trans. Am.. Soc. Mech.Engns-Jnt Appe. Mech., 1957г.,24p.,p.361-376.

56. Rice J.R., Rosengren G.F. Plane stpain Deformation Near A Grack Tip in a Power Lamhardening Material. Journal of the Mechanics and Physics Solids, 1968,№l,p 1-12.

57. Landes J.D., Begley J.A.Fractiure Anlysis, ASTM, STP, 1974г., p 170-186.

58. Clarke GA, Andrews W.R., Paris P.C. Schmidt D.W. Single Specimen Test for Jic Determination, Mechanics of Crack Growth, ASTM STR., 1976г., p 27-42.

59. Shih C.F., Delorena H.G. Andrews W.R. Stadies on Grack .Initiation and stable Grack Grooowth Elastik-Plastic Fracture ASTM, STP, 1979г., p 65-120.

60. Paris P.C.,Tada FL.Sahoor A, Emst H. The of instability of the Tearing Mode of Elastik—Plastic Grade Grooowth. Elastik-Plastic - Fracture. ASTM, STP, 1979, p 5-36.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ................................................ 1

1. АНАЛИЗ СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ ПО КОНТАКТНО-УСТАЛОСТНЫМ ДЕФЕКТАМ В ГОЛОВКЕ РЕЛЬСОВ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ............................................................. 5

2. КИНЕТИКА КОНТАКТНО-УСТАЛОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ

ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ............................ 19

3. ВЛИЯНИЕ ИСКАЖЕННОЙ РЕЛЬСОШПАЛЬНОЙ РЕШЕТКИ НА КАЧЕСТВО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПУТИ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА........................... 29

4. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОЙ ПЛЕТИ И УДАРНЫХ НАГРУЗОК ГОЛОВКИ РЕЛЬСА ПРИ ИСКАЖЕНИЯХ ПУТЕВОЙ РЕШЕТКИ.............................................................................. 42

5. ПОВЫШЕНИЕ РАБОЧЕГО РЕСУРСА И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ.................................. 53

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.............................................................................. 61

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ.........................,............................................................... 62

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ПРИ РАБОТЕ НАД ДИССЕРТАЦИЕЙ....................................................................................... 63

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................... 67

Отпечатано в ДЦИР ГЖД Тираж 50 экз. Заказ № 15

Фото 2. Характерный излом рельсовой плети по дефекту 69.

ФЧ.

'Ж. *

Фото Излом рельса по контактно-усталостным дефектам

Фото V Излом рельса по контактно-усталостным дефектам

Фото £ Контактно-усталостные дефекты в головке рельса

Фото в Поперечный излом по усталостным дефектам

Фото 7 Изломы рельсов по контактно-усталостным дефектам

Фото £ Изломы рельсов по контактно-усталостным дефектам

Прогибомеры, установленные под подошву рельса, фиксируют продольное кручение плети в зоне обнаружения усталостной трещины и установки шестидырных накладок

В местах наибольшего количества изломов рельсов и обнаружения усталостных дефектов имеет место сверхнормативное заужение рельсовой колеи. Шаблон с фиксированным размером 1510мм не размещается в рельсовой колее.

7г

Приложение

Ширина колеи на лабораторном тарировочном стенде в зависимости от высоты измерительных упоров фиксируется штангенциркулем с точностью 0.1мм

Ширина колеи на лабораторном тарировочном стенде в зависимости от высоты измерительных упоров фиксируется индикаторной головкой с точностью 0.01мм

Очень часто изломы рельсовых плетей и зарождение усталостных дефектов происходит по одной рельсовой ниш.

Изломы рельсовых плетей по дефектам 69 и 79 происходит по сечению возле клемм рельсового скрепления КБ

200 400 ьОО 800 1000 1200 Чйлн.ТЛГМ]

65

100 120 Н 1С^рикл]

Рис. 2. Кривые усталости (усталостного разрушения) объемно-закаленных рельсов Р-65

Приложение

СХЕМА

расчетного взаимодействия колеса и рельса

Рис. Л

Приложение

СХЕМА

нерасчетного взаимодействия пути и колесной пары подвижного состава

Рис. У

^ СХЕМЫ Приложение

появления дополнительных локальных перегрузок в элементах рельс одшальной решетки

Рис. .5

РНБ Русский фонд

2006-4 13913