Научная статья на тему 'Исследование механических свойств материала рельсов на поверхности катания'

Исследование механических свойств материала рельсов на поверхности катания Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
113
31
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОВЕРХНЮ КАТАННЯ / РЕЙКИ / МЕТРОПОЛіТЕН / TREAD / RAILS / SUBWAY / ПОВЕРХНОСТЬ КАТАНИЯ / РЕЛЬСЫ / МЕТРОПОЛИТЕН

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Кебиков А. А.

Исследовано состояние материала на поверхности катания рельсов, эксплуатирующихся в условиях метрополитена.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Кебиков А. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INVESTIGATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF THE MATERIAL OF THE RAILS ON THE SURFACE OF THE ROLLING

The conditions of the material on the rolling surface of rails, maintained in the underground conditions, are investigated.

Текст научной работы на тему «Исследование механических свойств материала рельсов на поверхности катания»

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.