Научная статья на тему 'Обеспечение надежности рельсов, имеющих коррозионно-усталостные повреждения'

Обеспечение надежности рельсов, имеющих коррозионно-усталостные повреждения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
477
54
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Известия Транссиба
ВАК
Ключевые слова
РЕЛЬСЫ / RAILS / КОРРОЗИОННАЯ УСТАЛОСТЬ / CORROSION FATIGUE / УСТАЛОСТНЫЕ ТРЕЩИНЫ / FATIGUE CRACKS / ДЕФЕКТ 69 / DEFECT 69 / ОСЕВЫЕ НАГРУЗКИ / AXIAL LOADINGS

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Карпущенко Николай Иванович, Быстров Антон Викторович, Труханов Павел Станиславович

Представлены данные о коррозионно-усталостных повреждениях подошвы рельсов (дефект 69) на железных дорогах России. Установлено, что причиной изломов рельсов по дефекту 69 является коррозионная усталость, возникающая в результате увлажнения подошвы в зоне контакта с подрельсовой прокладкой в сочетании с высоким уровнем растягивающих напряжений в подошве рельса. Анализ статистических данных об отказах рельсов по дефекту 69 в Западно-Сибирской дирекции инфраструктуры показал, что интенсивность отказов растет до наработки тоннажа 800 млн т брутто и носит усталостный характер. На участках пути со сложным планом и профилем интенсивность отказов в три четыре раза выше, чем на спокойном Транссибирском ходу. Показаны итоги анализа данных и предложены меры по повышению надежности рельсовых плетей, имеющих склонность к образованию дефектов по коду 69.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Карпущенко Николай Иванович, Быстров Антон Викторович, Труханов Павел Станиславович

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

ENSURING RELIABILITY OF THE RAILS HAVING CORROSIONFATIGUE DAMAGES

Data on corrosion fatigue damages of a sole of rails (defect 69) on the railroads of Russia are submitted. It is established that 69 the corrosion fatigue resulting from moistening of a sole in a zone of contact with subrail laying in combination with the high level of the stretching tension in a rail sole is the reason of breaks of rails on defect. The analysis of statistical data on refusals of rails on defect 69 in the West Siberian management of infrastructure showed that failure rate grows to an operating time of the tonnage of 800 million t gross and has fatigue character. On sites of a way with a complicated plan and a profile failure rate is 3 4 times higher, than on quiet Trans-Siberian to the course. Results of the analysis of data are shown and measures for increase of reliability of the rail lashes having tendency to formation of defects on a code 69 are offered.

Текст научной работы на тему «Обеспечение надежности рельсов, имеющих коррозионно-усталостные повреждения»

6. Cheremisin V. T., Ushakov S. U., Kashtanov A. L. Edinaya avtomatizirovannaya sistema ucheta elektroenergii na elektropodvizhnom sostave (EASUE EPS) postoyannogo toka [The uniform automated system of electricity metering in electric rolling stock (EASA EPS) DC]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2013, no. 3, pp. 108 - 113.

7. Cheremisin V. T., Pashkov D. V., Ushakov S. U. Avtomatizirovannyy monitoring energet-icheskoy effektivnosti raboty elektropdvizhnogo sostava OAO «RZhD» [Automated monitoring of energy efficiency ehlektropodvizhnogo of the JSC «RZD»]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2014, no. 3, pp. 87 - 91.

8. Ozhegov A. N. Sistemy ASKUE: Uchebnoe posobie (AMR system: study guide). Kirov: Vi-atSU, 2006, 102 p.

9. Sistemy ASKUE (AIIS) dlia rynka elektroenergii. Shetchiki elektroenergii, vody, tepla [AMR system (AIIS) for the electricity market. Electricity meters, water and heat] / The Company «Elster Metronica»: Available at http://www.izmerenie.ru/ (accessed 1 May 2015).

10. Nikiforov M. M., Okishev A. S., Chizhma S. N. Printcipy postroenia system ucheta elektroenergii na fiderah kontaktnoy seti postoyannogo toka [Principles of electric power metering systems at feeder catenary DC]. Elektrifikatcia i razvitie infrastruktury energoobespechenia tyagipoezdov skorost-nogo i vysokoskorostnogo zheleznodorozhnogo transporta: Tezisy dokladov sedmogo mezhdunarod-nogo simpoziuma «Eltrans'2013» (Electrification and infrastructure development of traction power supply high-speed trains and high speed rail: Abstracts of the Seventh international Symposium «Eltrans'2013»). Sankt-Petersburg, 2013, pp. 74 - 79.

11. Chizhma S. N., Okishev A. S., Lavruhin A. A., Kildibekov A. B. Sistema ucheta elektroenergii na fiderah kontaktnoi seti [The metering system on the catenary feeders]. Informatcionnye i upravlyauchie sistemy na transporte i v promyshlennosty: materialy vserossisiskoy nauchno-tehnicheskoy internet-konferencii s mezhdunarodnym uchastiem (Information and control systems in transport and industry: proceedings of all-Russian scientific and technical Internet-conference with international participation). Omsk, 2014, pp. 179 - 184.

12. Chizhma S. N., Kondratiev Y. V., Chriakov A. A., Onufriev A. S. Primenenie system sinhronizacii v setiah elektrosnabzhenia zheleznodorozhnogo transporta [Application of systems time synchronization in power networks of the railway transport]. Innovatcionnye proekty i novye tehnologii v obrazovanii, promyshlennosti i na transporte: materialy nauchno-prakticheskoy kon-ferecii [Innovative projects and new technologies in education, industry and transport: materials of scientific-practical conference]. Omsk, 2011. pp. 263 - 266.

УДК 625.143

Н. И. Карпущенко, А. В. Быстров, П. С. Труханов

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РЕЛЬСОВ, ИМЕЮЩИХ КОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ

Представлены данные о коррозионно-усталостных повреждениях подошвы рельсов (дефект 69) на железных дорогах России. Установлено, что причиной изломов рельсов по дефекту 69 является коррозионная усталость, возникающая в результате увлажнения подошвы в зоне контакта с подрельсовой прокладкой в сочетании с высоким уровнем растягивающих напряжений в подошве рельса. Анализ статистических данных об отказах рельсов по дефекту 69 в Западно-Сибирской дирекции инфраструктуры показал, что интенсивность отказов растет до наработки тоннажа 800 млн т брутто и носит усталостный характер. На участках пути со сложным планом и профилем интенсивность отказов в три - четыре раза выше, чем на спокойном Транссибирском ходу. Показаны итоги анализа данных и предложены меры по повышению надежности рельсовых плетей, имеющих склонность к образованию дефектов по коду 69.

104 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №„3(253)

1. Общие положения.

Коррозионные повреждения подошвы рельсов (дефект 69) особенно опасны, потому что современные дефектоскопы даже при нормальной работе могут обнаруживать только те трещины, которые развиваются в средней части подошвы в зоне проекции шейки (рисунок 1). Испытания показали, что каверны глубиной 1,5 - 1,8 мм понижают усталостную прочность рельсов в несколько раз [1]. В связи с этим рельсы с глубиной каверн более 1,5 -2,0 мм следует заменить и отремонтировать. Подобный дефект имеется в каталогах дефектов рельсов других стран [2].

Рисунок 1 - Поперечный излом рельса вследствие образования в подошве коррозионно-усталостной трещины от коррозионной каверны на нижней поверхности подошвы рельса

2. Анализ причин изломов рельсов по дефекту 69.

В настоящее время на сети железных дорог России более 200 рельсов в год выходят из строя по дефекту 69, существенная часть из них ломается под колесами поездов [1]. По отношению к общему числу дефектных и остродефектных рельсов, ежегодно изымаемых из пути в одиночном порядке по всем причинам, доля дефектов 69 невелика - 2 %. Однако если рассматривать только случаи излома рельсов под поездами, исключив рельсы, обнаруженные средствами дефектоскопии до излома, то картина резко меняется. В связи с объективными трудностями по выявлению дефекта 69 в начальной стадии путем дефектоскопирования доля пораженных им рельсов доходит до 20 - 30 %. В настоящее время на ряде участков этот дефект стал основной причиной разрушений рельсов под колесами поездов. Задача предотвращения излома рельсов по дефекту 69 продолжает оставаться актуальной с точки зрения обеспечения безопасности движения поездов.

Повреждаемость дефектом 69 на железных дорогах России может расти и в дальнейшем. Это связано как с увеличением протяженности полигона бесстыкового пути, так и с ростом средней наработки рельсов, лежащих в пути. Последнее определяется уменьшением объемов капитальных ремонтов пути и поставок новых рельсов, а также проведением ряда мероприятий, направленных на предотвращение раннего выхода из строя рельсов в результате износа и контактной усталости.

Вероятность образования дефекта 69 заметно увеличивается с ростом наработки рельсов. До пропуска по рельсам 200 - 300 млн т груза такие изломы практически не возникают, до 300 - 400 млн т груза их мало. Основная доля изломов по дефекту 69 приходится на рельсы, по которым прошло более 400 млн т груза. Максимальное количество рельсов, вышедших из строя по дефекту 69 в 1994 - 1996 гг., приходится на рельсы со сроком службы 10 -12 лет, пропустившие 500 - 900 млн т груза [1].

■■И ИЗВЕСТИЯ Транссиба 105

Причиной излома рельсов по дефекту 69 является коррозионная усталость, возникающая в результате длительного увлажнения подошвы в зоне контакта с подрельсовой прокладкой в сочетании с высоким уровнем напряжений (рабочих и остаточных).

Конструкция, размеры и материал (резина, особенно резинокорд) подрельсовых прокладок не обеспечивают сухость поверхности подошвы рельсов: на ней сохраняется влага. Гигроскопичность резины и образующийся в результате щелевой коррозии слой гигроскопичных продуктов коррозии также способствуют увеличению длительности увлажнения подошвы.

Увеличение осевой нагрузки несомненно влияет на рост вероятности появления дефекта 69, так как она увеличивает растягивающие напряжения в подошве рельса [3]. Растягивающие остаточные напряжения, образующиеся в процессе изготовления рельсов, особенно при таких операциях, как закалка и холодная правка на роликоправильных машинах, доходят у объемно-закаленных рельсов типа Р65 до 2000 - 2500 кгс/см2. Суммируясь с рабочими растягивающими напряжениями в подошве рельса и изменяя в неблагоприятную сторону коэффициент асимметрии цикла R, остаточные напряжения существенно снижают в средней части подошвы сопротивление образованию поперечных коррозионно-усталостных трещин, их развитию и переходу в полный долом всего поперечного сечения.

Роль этих напряжений в образовании усталостных трещин весьма велика, поскольку они соизмеримы с действующими здесь рабочими напряжениями. Значительное снижение их в средней части подошвы рельсов кардинально повысит долговечность рельсов или полностью исключит образование усталостных трещин в подошве. Достичь этого можно, создав специальные термоупрочненные рельсы, обладающие повышенной стойкостью к коррозионной усталости подошвы.

3. Анализ статистических данных отказов рельсов по дефекту 69 в Западно-Сибирской дирекции инфраструктуры ОАО «РЖД».

Для проведения анализа были получены данные по выходу рельсов по коду 69 за шесть лет - с 2008 по 2014 г. включительно. По этим данным составлена сводная таблица, в которую внесли следующие параметры: дата и место обнаружения, характеристика дефектного рельса, пропущенный тоннаж. Данные этой таблицы сгруппированы по трем эксплуатационным направлениям и приведены в таблице 1: Транссибирскому протяженностью 1097 км с грузонапряженностью по первому пути 116 млн т брутто, по второму пути 74,6 млн т брутто. Среднесибирскому протяженностью 758 км с грузонапряженностью по первому пути 106,9 млн т брутто, по второму пути - 40,7 млн т брутто. Третье характерное направление Арты-шта - Укладочный протяженностью 187 км с грузонапряженностью по первому пути 111,7 млн. т брутто с осевой нагрузкой подвижного состава 200 кН. По второму пути грузонапряженность составила 37,4 млн т брутто с осевой нагрузкой 70 кН/ось.

Графическое изображение данных таблицы 1 представлены на рисунках 2 и 3. Анализ данных отказов рельсов по дефекту 69 показал, что интенсивность их по первому пути, где более высокие грузонапряженность и осевые нагрузки, в целом на 29 % выше. Отказы носят усталостный характер и до наработки тоннажа 800 млн т брутто увеличиваются. При более высокой наработке тоннажа численность отказов снижается из-за уменьшения в пути рельсов с такой наработкой.

На Среднесибирской магистрали (см. рисунок 3) картина более сложная из-за того, что на втором, менее нагруженном пути лежат переложенные старогодные рельсы. В целом интенсивность отказов рельсов по дефекту 69 в 1,44 раза выше, чем на Транссибирской магистрали.

На третьем эксплуатационном направлении Укладочный - Артышта кроме высокой грузонапряженности и высоких осевых нагрузок по первому пути имеет место сложный план с кривыми радиусом до 300 м и профиль с уклонами крутизной до 15 %о. Интенсивность отказов здесь по первому пути в 3 раза выше, чем по второму, где грузонапряженность и осевые нагрузки в три раза ниже.

106 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(23) 2015

1

Если учесть, что протяженность участка Укладочный - Артышта составляет всего 17 % от протяженности Транссиба в пределах Западно-Сибирской дирекции инфраструктуры, то интенсивность отказов их по 69 дефекту в целом здесь оказалась в четыре раза выше.

Таблица 1 - Данные об отказах рельсов по эксплуатационным направлениям

Эксплуатационное Путь Пропущенный тоннаж, при котором произошел отказ рельсов

направление 0 - 200 201 - 400 401 - 600 601 - 800 801 - 1000 1001 - 1200

Транссибирское 1 2 1 1 2 2 4 1 6 3 3 3 2 5

Среднесибирское 1 2 3 5 5 1 2 5 6 3

Артышта -Укладочный 1 2 9 2 2 6 2 1

Л 7 —

6 —

И 5 О 5 о Л

ч

а а

ч о X 3 И

4 —

2 —

1 —

22

11

I

4

1

И

3 3

1

2

I

->

200

400

600

800

1000

1200

Пропущенный тоннаж, млн т брутто - второй путь

первый путь;

Рисунок 2 - Отказы рельсов по дефекту 69 на путях Транссибирской магистрали

н Э

со о о

Л

а

«

о

X

3 «

7

6

3 --

2 --

4,3 3

7,2 5

7,2 5

7,2

8,7 6

1,4

"Г"

2,9 2

4,3

200

400

600

800

1000

1200

Пропущенный тоннаж, млн т брутто

Р

первый путь;

второй путь

Рисунок 3 - Отказы рельсов по дефекту 69 на путях Среднесибирской магистрали 4. Содержание рельсовых плетей с дефектом 69.

Усталостная природа дефекта 69 свидетельствует о том, что наиболее эффективно воздействовать на него можно, снижая напряжения, действующие в месте возникновения усталостной трещины.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6

5

3

5

5

4

3

НИИ ИЗВЕСТИЯ Транссиба 107

Уменьшение напряжений благоприятно на любых стадиях усталостного разрушения. Если на протяжении всего периода эксплуатации обеспечить напряжения в подошве ниже предела выносливости, то усталостная трещина просто не возникнет. В том случае, когда до момента зарождения усталостной трещины уровень напряжений невысок, но все же превышает предел выносливости, момент зарождения усталостных трещин отдалится. При этом достигается существенный выигрыш в долговечности рельсов - их выход по дефекту 69 будет происходить при большем пропущенном тоннаже. Однако следует помнить о том, что образование дефекта 69 - явление достаточно редкое, а снижение уровня напряжений по всей длине рельсов - достаточно дорогое мероприятие.

Более приемлемо снижать напряжения в том сечении рельса, где путем прецизионного дефектоскопирования обнаружена усталостная трещина в подошве (дефект 69) докритиче-ского размера. Опыт дефектоскопистов свидетельствует о том, что если эти трещины находятся в проекции шейки, то обнаружить их вполне возможно. После обнаружения трещины в подошве можно, установив в данном месте накладки, существенно снизить уровень растягивающих напряжений от изгиба. Шестидырные накладки устанавливают на четырех крайних болтах, чтобы не ослаблять болтовыми отверстиями сечение, близкое к плоскости трещины.

Необходимо также продолжить совершенствование подрельсовых прокладок. Конструкция, размеры и материал большинства из них пока не обеспечивают полной сухости поверхности подошвы рельсов даже в сухое время года.

Замена рельсовой плети на новую, несомненно, является наиболее кардинальной мерой по исключению дефекта 69, имеющего усталостную природу. Очень важно наладить четкий учет числа дефектов 69 в каждой рельсовой плети нарастающим итогом и после образования трех - пяти таких дефектов заменять плеть на новую.

Таким образом, основными можно считать следующие действия, направленные на предотвращение образования дефекта 69:

в рамках текущего содержания пути - переход на более совершенные подрельсовые прокладки;

установка накладок на участки рельсов с обнаруженным дефектом 69 и последующий перевод его в дефект 69Н, при котором возможно движение поездов без ограничения скорости;

замена рельсовой плети на новую после образования трех - пяти дефектов 69, при этом следует наладить четкий учет дефектов;

в рамках перспективного производства рельсов - переход на выпуск рельсов новой категории - стойких к коррозионной усталости с контролируемыми низкими внутренними остаточными напряжениями в подошве.

Список литературы

1. Шур, Е. А. Повреждение рельсов [Текст] / Е. А. Шур. - М.: Интекст, 2012. - 192 с.

2. UJC Catalogue of Rail Defects-2001 edition «Handbook of Rail Defects - UJC Cod 712R». 2001. - 108 p.

3. Карпущенко, Н. И. Обеспечение надежности железнодорожного пути и безопасности движения поездов [Текст] / Н. И. Карпущенко, Д. В. Величко / Сибирский гос. ун-т путей сообщения. - Новосибирск, 2008. - 321 с.

References

1. Schur E. A. Povrejdenie relsov (Damage of rails). Moscow: Intext, 2012, 192 p.

2. UJC Catalogue of Rail Defects - 2001 edition «Handbook of Rail Defects - UJC Cod 712R». 2001. - 108 p.

3. Karpuschenko N. I., Velichko D. V. Obespechenie nadejnosti jeleznodorojnogo puti i be-zopasnosti dvijeniya poezdov (Ensuring reliability of a railway track and traffic safety of trains). Novosibirsk, 2008, 321 p.

108 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №„3(253)

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.