CC BY
32
УДК 625.1.032.3
А. А. КЕБИКОВ (БелГУТ, Беларусь)
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА РЕЛЬСОВ НА ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ
Дослщжено стан матер1алу на поверхш катання рейок, яш експлуатуються в умовахметрополггену.
Исследовано состояние материала на поверхности катания рельсов, эксплуатирующихся в условиях метрополитена.
The conditions of the material on the rolling surface of rails, maintained in the underground conditions, are investigated.
Проблема обеспечения требуемой эксплуатационной долговечности системы колесо-рельс и особенно главного ее элемента - рельса является одной из самых злободневных для железнодорожного транспорта во всех странах мира. Известно огромное количество литературы, посвященной ее обсуждению с разных позиций [1-6] и мн. др.; систематически проводятся специальные международные научно-технические конференции. И хотя общими усилиями достигнуты впечатляющие успехи в разрешении многих задач, сама проблема как была, так и остается: выход, например, рельсов из строя - это бич современного железнодорожного транспорта.
Действующими нормативными документами по текущему содержанию пути в условиях метрополитенов рекомендуется: независимо от того, есть или нет дефекты в рельсах типа Р50, они должны заменяться сплошь после пропуска 300 млн т в прямых и кривых радиусом более 600 м; 210 млн т - в кривых радиусом 600...301 м.
За 20 лет эксплуатации первой линии Минского метрополитена по рельсам первого участка пропущено более 338 млн т, а за 18 лет на втором участке - более 317 млн т. Таким образом, по всей первой линии пропущен сверхнормативный тоннаж, и все рельсы должны были заменены новыми.
Для продления существующих нормативов срока службы рельсов в прямых и кривых участках Минского метрополитена был выполнен комплекс исследований. Особое внимание было уделено изучению состояния материала поверхностных слоев головки нетермоупрочнен-ных рельсов типа Р50 после пропуска нормативного тоннажа в сравнении с состоянием до эксплуатации. Кроме того, проанализировано изменение свойств в процессе эксплуатации.
Объектами для исследований служили три отрезка рельсов:
— не бывший в эксплуатации (исходное состояние);
— вырезанный из прямого участка пути, после эксплуатации, в течение которой пропущен нормативный тоннаж 300 млн т;
— вырезанный из кривого участка пути радиусом 500 м, после эксплуатации, в течение которой пропущен нормативный тоннаж 210 млн т.
Было выполнено исследование твердости по Виккерсу (НУ) по поверхности катания и по боковой поверхности головки рельса. Схема измерения твердости представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема измерения твердости на поверхности катания головки рельса
Систематизация и обобщение статистических данных для поверхности катания рельса из прямого участка выполнены на рис. 2.
Обнаруживаются четыре (I, II, III, 1У) характерные зоны деформирования головки рельса на ее поверхности катания.
В зоне I твердость достигает наибольших значений порядка 500.600 НУ и (редко) более.
Рис. 2. Обобщенное распределение твердости по поверхности катания головки рельса из прямого участка, пропустившего нормативный тоннаж, и твердость до эксплуатации (ломаная линия)
Эта зона неравномерна по ширине головки катания и периодична по ее длине, другими словами, она - нестационарна. Поскольку твердость исходного материала не превышает 300 HV, то имеет место более чем двукратный рост твердости. Такое повышение твердости означает сильное упрочнение пластической деформацией тонкого поверхностного слоя. Но в результате большой остаточной деформации развиваются и процессы разупрочнения - она предвестник охрупчивания и разрушения материала. Понятно, что именно в зоне I следует ожидать в будущем образования ямок выкрашивания и интенсивного износа отслаиванием.
В зоне II твердость достигает значений порядка 450... 460 HV и (редко) несколько выше, это примерно на 25 % ниже, чем в зоне I. Это тоже зона интенсивного остаточного деформирования, но ясно, что здесь можно говорить больше об упрочнении, чем разупрочнении пластической деформацией.
В зоне III твердость не превышает значений 400 HV; но в среднем она составляет
340.350 HV, т. е. немногим больше (примерно на 25.30 %) исходной твердости. Это, конечно, зона, где эксплуатационные повреждения в обозримом будущем не предвидятся.
Внутри зоны III обнаруживается зона IV, твердость в которой наименьшая. Это почти «здоровая» область деформирования, свойства материала здесь изменились незначительно (и притом, безусловно, улучшились).
Для рельса, вырезанного из кривого участка, твердость исследовалась как на поверхности катания, так и на боковой поверхности скольжения головки рельса. Обобщение статистических данных выполнено на рис. 3.
На поверхности катания головки рельса из кривого участка твердость распределена практически равномерно в интервале 300.400 HV. Легко заметить, что интервал распределения твердости близок тому, который наблюдается в зоне III для поверхности катания головки рельса из прямого участка (см. рис. 2). Кроме того, выделяется зона, в которой твердость наименьшая - зона IV.
т
400
300
Пове[ охность ката нш 4 * *
» 1 1:1 П 11 11! • Чд! • • \Н\ ¡¡!: А. : . * I * * * ! ! 1 1 • ; * : * * 1 . 1 1: - * 111; * <
- - 1 IV к * *} ,1 к *
1 III
200
10 15 20
Профиль нового репьев
25
30
!:>, мм
Профиль рельса теле
эксплуатации
Боковая поверхность
Н\/
500
• *
400
* * • :
• *
1 * * I
» » ♦
• I
* •
300
I I ! \, .
и
I I *
I • •
* I
IV
V
II!
200
0
4
12
16
Ь, лш
Рис. 3. Обобщенное распределение твердости по рабочим поверхностям головки рельса из кривого участка, пропустившего нормативный тоннаж, и твердость до эксплуатации (ломаная линия)
На боковой поверхности головки рельса закономерность иная: рассеяние твердости достигает 200 единиц, при этом наибольшая твердость (475.520 HV) обнаруживается в районе скольжения реборды колеса по рельсу. По величине твердости этот участок соответствует I зоне. Подобным образом выделяются: зона II с твердостью до 475 HV и зона III с твердостью
до 400 НУ. Режим скольжения оказывается «тяжелее», чем режим качения с проскальзыванием - таково заключение.
Таким образом, на рабочих поверхностях головок рельсов, эксплуатировавшихся в различных условиях, обнаружены сходные зоны деформирования. Их параметры приводятся в таблице.
Таблица
Изменение твердости в характерных зонах поверхности головки рельсов
Зона Среднее повышение твердости HV, % Интервал значений твердости HV
Рельс из прямого участка Рельс из кривого участка
поверхность катания поверхность катания боковая поверхность
I 175 >475 - >475
II 150 401.475 - 401.475
III 30 325.400 325.400 325.400
IV 10 <325 <325 <325
Изучение изменения твердости в процессе эксплуатации недостаточно для оценки служебных свойств рельсов. Необходим обоснованный критерий, позволяющий установить, как далеко (или как близко) механическое состояние материала рельсов после пропуска нормативного тоннажа находится по отношению к предельному.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шур Е. А. Проверка качества рельсов // Путь и путевое хозяйство. - 2002. - № 9.
2. Проблемы взаимодействия колеса и рельса. Материалы Международной конференции, 14-17 июня 1999 г. - М.: Интекст, 1999.
3. Лысюк В. С. Исследование причин увеличения контактно-усталостных отказов рельсов с ростом износа (проката) рельсов. - В кн.: Динамические характеристики механических систем / В. С. Лысюк, В. Ф. Барабошин, А. В. Лукьянов // Сб. научн. тр. ИТМ АН УССР. Киев: Наукова думка, 1984. - С. 83-91.
4. Лысюк В. С. Износ колес и долговечность рельсов / В. С. Лысюк, В. Ф. Барабошин, А. В. Лукьянов, Н. В. Шеф // Путь и путевое хозяйство. - 1984. -№ 5. - С. 27-28.
5. Paul Barton. A review of rail wheel contact stress problems // Railroad Track. Mech. and Technol. Roc. Symp., Princeton N. J. 1975. Oxford, C.D. 1978. - pp. 323-351.
6. Kumar S., Rajkumar B. R. Laboratory investigation of wheel rail contact stresses for U.S. freight cors / Trans. ASME. - 1981. - № 2. - pp. 246-255.
Поступила в редколлегию 14.12.2005.
