CC BY
28Б01 10.52170/1815-9262_2021_56_12 УДК 625.172
Г. К. Щепотин
Влияние грузонапряженности и осевых нагрузок на долговечность рельсов в регионах с холодным климатом
Поступила 04.09.2020
Рецензирование 23.10.2020 Принята к печати 13.01.2021
Полигон укладки бесстыковой конструкции пути в регионах с холодным климатом расширяется. Вместе с тем большие суточные и годовые перепады температуры в этих климатических условиях сильно усложняют эксплуатацию рельсовых плетей. Растет грузонапряженность данных участков. Очевидно, будет изменяться и долговечность рельсов. Отсюда несомненна актуальность исследований надежности рельсовых плетей в регионах с холодным климатом.
Опыт эксплуатации пути на грузонапряженных участках Западно-Сибирской и соседних с ней железных дорогах позволяет сделать определенные выводы об изменении сроков службы рельсов при росте грузонапряженности и осевых нагрузок. Максимальное число изломов рельсов под поездами наблюдается в зимние месяцы при отрицательной температуре воздуха. Чем холодней зима, тем больше изломов. Вместе с увеличением осевых нагрузок существенно сокращается срок службы рельсов. Наблюдается ощутимо большой суммарный выход рельсов - до 22 шт./км. Нормативная периодичность выполнения капитальных работ нарушается в ущерб безопасности движения поездов.
Исследования надежности рельсов на Транссибе показывают, что снижения долговечности рельсовых плетей с ростом грузонапряженности ожидать не следует (при реализуемых в настоящее время средних осевых нагрузках). Однако увеличение осевых нагрузок вызовет существенное сокращение долговечности рельсов.
Причину недостаточной долговечности рельсов в Сибири следует искать в качестве продукции заводов-изготовителей. Для повышения качества рельсов с учетом требований, которые предъявляются к их надежности в суровых климатических условиях на участках с высокими осевыми нагрузками, необходима организация нового производства.
Ключевые слова: долговечность рельсов, низкие температуры, грузонапряженность, осевые нагрузки, бесстыковой путь, качество рельсов.
Эксплуатация железнодорожных дорог в Сибири происходит в неблагоприятных условиях. Низкие температуры, сложные инженерно-геологические условия, план и профиль линий существенно сокращают срок службы рельсов. Величина одиночного изъятия рельсов Р65 в районах с очень холодным климатом в два раза выше, чем в районах с умеренным климатом [1, 2].
При этом нормативы на периодичность капитальных работ одинаковы для всех климатических районов и не учитывают исследований долговечности рельсов, сроки службы которых в Сибири на 20-40 % меньше, чем в европейской части сети. Отсюда несомненна актуальность исследований долговечности рельсовых плетей в регионах с холодным климатом [3].
Рост грузонапряженности по-разному сказывается на долговечности рельсов в зависимости от климатических условий. Для бесстыкового пути надежность рельсовых плетей -определяющий показатель успешности ис-
пользования данной конструкции пути в условиях Сибири.
Участок Транссиба в пределах ЗападноСибирской дирекции инфраструктуры самый грузонапряженный на сети. Поэтому он является уникальным полигоном для испытания бесстыковой конструкции пути на надежность в суровых климатических условиях.
Впервые на данном направлении бесстыковой путь был уложен в 1970-е гг. Однако от этого достаточно быстро отказались, так как плети из-за дефектов теряли свою целостность, и бесстыковой путь превращался в звеньевой на железобетонных шпалах. Этот процесс сопровождался интенсивным нарастанием выправочных работ и ростом числа предупреждений об ограничении скорости движения поездов.
Выяснилось, что эксплуатационную надежность пути во многом определяет состояние подшпального основания. Внедрение бесстыкового пути делает усиление подшпального осно-
вания длительно эксплуатируемых линии актуальной задачей [4, 5].
Большие суточные и годовые перепады температуры сильно усложняют эксплуатацию рельсов на дорогах Сибири. При этом растет интенсивность отказов рельсов, что сдерживает распространение бесстыковой конструкции пути в условиях с холодным климатом [6, 7].
Дополнительные исследования и развитие материально-технической базы для укладки и эксплуатации бестыкового пути сняли часть ограничений, это позволило рекомендовать расширение укладки данной конструкции в регионах с холодным климатом [1].
Интерес к использованию бесстыковой конструкции пути в Сибири и далее на БАМе будет только возрастать. Вместе с тем увеличится и грузонапряженность данных участков. Опыт эксплуатации пути на высокогрузо-напряженных участках Западно-Сибирской железной дороги позволяет сделать некоторые прогнозы относительно изменения долговечности рельсов.
На рис. 1 приведены графики суммарного выхода рельсов Р75, завод-изготовитель - Кузнецкий металлургический комбинат (КМК) на главных путях Транссиба в зависимости от эксплуатационных условий (участок без кривых).
Из приведенных графиков видно, что рельсы Р75 показывают хорошие эксплуатационные показатели долговечности. Несмотря на высокую грузонапряженность, пропущенный тоннаж до их замены превышает 1 200 Мт.
В связи с постепенным увеличением грузонапряженности и осевых нагрузок на Транссибе следует ожидать и роста интенсивности отказов рельсовых плетей бесстыкового пути [8-10].
Для получения количественных оценок прогноза было обследовано 42 участка с рельсами типа Р65 и Р75, шпалы деревянные, длина рельсов 25 м (план и профиль без больших подъемов и кривых малого радиуса) [3-5]. Данные статистических экспериментов разбивались на группы в зависимости от уровня средних осевых нагрузок Qср, т: 10-12, 12-14, 14-16, 16-18, 18-20, 20-22, а также грузонапряженности Г, Мт: 80-100, 100-120, 120-140, >140.
Следует уточнить, что наибольшее количество составляли участки с нетермоупрочнен-ными рельсами типа Р65 и Р75. Данные рельсы являются основой для изготовления термо-упрочненных, и в них отсутствуют наблюдаемые недостатки технологии закалки, что позволяет повысить точность прогноза [6, 7, 10, 11].
Для анализа зависимости долговечности рельсов от эксплуатационных условий построено поле корреляции в координатах Qср, Тт, где Тт - наработка до заданного уровня отказов рельсов т. При этом для рельсов Р65 т = 5 шт./км, а для Р75 т = 4 шт./км.
На рис. 2 и 3 приведены эмпирические зависимости наработки Тт от Qср для участков с различной грузонапряженностью Г.
Из анализа графиков следует, что с ростом грузонапряженности наблюдается увеличение наработки Тт. Так, при среднеосевых нагруз-
Рис. 1. Суммарный выход т рельсов Р75 в зависимости от пропущенного тоннажа Т: 1 - грузонапряженность Г = 159 Мт (средняя осевая нагрузка Qср = 16,7 т); 2 - Г = 114 Мт = 11,5 т)
<2
ср Т
20
15
16
14
12
10
400
\
\ 1. \ ■
\
\ \ \
\ \
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
, Мт
Рис. 2. Зависимости фактической наработки Тт рельсов Р65 до заданного уровня отказов (т = 5 шт./км) от средней осевой нагрузки Qср при различной грузонапряженности Г участков пути: 1 - 80-100 Мт; 2 - 100-120 Мт; ■ - свыше 140 Мт
е
ср Т
20
18
16
14
12
10 400
^
V
\ / X
\ \ 4
\ ч \
\ о
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Мт
Рис. 3. Зависимости фактической наработки Тт рельсов Р75 до заданного уровня отказов (т = 4 шт./км) от средней осевой нагрузки Qср при различной грузонапряженности Г участков пути: 1 - 80-100 Мт; 2 - 100-120 Мт; о - 120-140 Мт; х - свыше 140 Мт
ках Qср = 16 т увеличение наработки Тт составляет от 30 до 50 % при росте грузонапряженности Г от 80-100 до 100-120 Мт.
Таким образом, при имеющихся на Транссибе средних осевых нагрузках существенного снижения долговечности рельсовых плетей с ростом грузонапряженности ожидать не следует. Вместе с тем их увеличение может существенно сократить срок службы рельсов [10-14].
Графики зависимости наработки до капитального ремонта Тк от нагрузки Qср при эксплуатации рельсов Р75 и Р65 в условиях большой грузонапряженности представлены на рис. 4 и 5.
Из анализа этих графиков следует, что с ростом средних осевых нагрузок Qср существенно уменьшается наработка до капитального ремонта Тк.
При средней осевой нагрузке Qср = 12 т капитальный ремонт проводится при Тк > 1 200 Мт, а при Qср = 21 т уже при Тк < 600 Мт. При этом наблюдается ощутимо большой для обеспечения безопасности движения поездов суммарный выход рельсов - 13-22 шт./км [15-18].
Процесс затягивания сроков выполнения капитальных работ в ущерб безопасности движения виден также из анализа долговечности
Рис. 4. Зависимость фактической периодичности выполнения капитального ремонта пути Тк
от средних осевых нагрузок Ор с, з - сырые и закаленные рельсы Р65
Q
ср Т
20
16
12
8
С
с 3
с с
с 3
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Тт ? Мт
Рис. 5. Зависимость фактической периодичности выполнения капитального ремонта пути Тк
от средних осевых нагрузок с, з - сырые и закаленные рельсы Р75
рельсовых плетей бесстыкового пути на главных путях грузонапряженного направления И-С.
По данным на 01.01.2008 грузонапряженность данного направления по пути I на момент обследования составляла от 81 до 110 Мт (бср = 18 т), а по пути II - от 48 до 76 Мт (Ор = 11,5 т). Завод-изготовитель рельсов Р65 -Нижнетагильский металлургический комбинат (НМК).
На рис. 6 представлены результаты ускоренного статистического эксперимента по данным об отказах рельсовых плетей бесстыкового пути и полученные степенные зависимости суммарного выхода рельсов Р65 на главном пути I, а на рис. 7 - на главном пути II.
На основании эмпирических данных получены следующие зависимости: • для пути I
т = 0,0000987т1'71; (1)
• для пути II
т = 0,0000960т1,7. (2)
Зависимости (1) и (2) приведены на рис. 6 и 7 соответственно. Из анализа графиков следует, что суммарный выход рельсов (5 шт./км) достигается в рассматриваемых эксплуатационных условиях уже при 550-580 Мт, что меньше нормативной наработки.
При этом сплошная замена рельсовых плетей осуществляется при суммарном выходе 12-15 шт./км. Очевидно, что такая ситуация вызывает снижение безопасности движения поездов из-за изломов рельсов [2, 5, 15, 16].
Следует отметить, что рассматриваемые эксплуатационные условия (грузонапряженность и осевые нагрузки) не являются сложными, а план и профиль направления в целом благоприятны (без подъемов и кривых малого радиуса). Но при этом по показателю долго-
Рис. 6. Поле корреляции и зависимость отказов рельсов т от наработки Т (путь I)
О 100 200 300 400 500 600 700 SOO 900 Т, Мт
Рис. 7. Поле корреляции и зависимость отказов рельсов m от наработки T (путь II)
вечности рельсы Р65 завода НТМК уступают рельсам Р75 завода КМК. Это следует из сравнения данных, представленных на рис. 6 и 7, с данными рис. 2.
Учитывая, что на рассматриваемых направлениях существуют практически одинаковые эксплуатационные и климатические условия, причину разницы сроков службы рельсов следует искать в качестве продукции завода-изготовителя НТМК [6, 19-21].
Очевидно, что для повышения качества рельсов с учетом требований, которые предъявляются к их надежности в суровых климатических условиях на участках с высокими осевыми нагрузками, необходима организация нового производства [10].
На срок службы рельсов в Сибири влияют и сезоны года с отрицательными температурами [4]. На рис. 8 представлена зависимость отказов рельсов по месяцам, построенная по усредненным за три года опытным данным,
собранным на участке со следующими эксплуатационными условиями: грузонапряженность 80 Мт, средняя осевая нагрузка 20,5 т, рельсы Р65 (завод-изготовитель КМК).
Наименьшая интенсивность отказов рельсов наблюдается летом, а в период промерзания/оттаивания этот показатель резко возрастает.
Исследования ВНИИЖТа показали, что ежегодно до 80 % изломов рельсов под поездами происходит в зимние месяцы при отрицательной температуре воздуха. Чем холодней зима, тем больше изломов [17]. При отрицательных температурах усталостные процессы разрушения рельсового металла ускоряются, а при положительных - замедляются [22].
Повышение температуры металла происходит в процессе движения подвижного состава по рельсам, который сопровождается как адгезивным, так и абразивным износом рельсов и гребней колес [17, 22, 23]. Очевидно, что при этом температура взаимодей-
Рис. 8. Динамика отказов рельсов Р65 по месяцам
ствующих поверхностей колеса и рельса существенно возрастает.
Для оценки температурного режима рельсовых плетей в холодное время года при проходе поездов с различной частотой нами были проведены инициативные исследования на базе Уральского государственного университета путей сообщения в содружестве с Конструктор-ско-технологическим институтом прикладной микроэлектроники.
Цель исследований - разработка методик и аппаратуры контроля для дистанционного мониторинга технического состояния рельсовых плетей бесстыкового пути методом тепловой диагностики. Эксперименты проводились бесконтактным методом с использованием тепловизора (тепловизионный канал на микроболометрической матрице 384x288 с температурным разрешением 0,1 °К).
Выполненные наблюдения за динамикой температуры рельсов при проходе колес подвижного состава показали, что колеса поступают на экспериментальный участок пути уже в сильно нагретом состоянии. Температура рельсов при проходе колес возрастает до по-
ложительной. После удаления состава рельсовый металл постепенно остывает. При поступлении на рассматриваемый участок следующего состава процесс нагрева рельсов повторяется.
Таким образом, выполненные эксперименты по бесконтактному тепловому контролю рельсовых плетей показали: чем интенсивнее движение поездов, тем выше поддерживается температура рельсового металла. В зимнее время повышение температуры рельсового металла положительно сказывается на интенсивности образования и развитии усталостных дефектов рельсов, замедляя данный процесс. Это приводит и к замедлению нарастания отказов рельсов, что в конечном итоге благоприятно сказывается на их долговечности, так как срок службы рельсов увеличивается. Данным физическим процессом нагрева рельсового металла при интенсивном проходе колес подвижного состава в зимнее время можно объяснить наблюдаемый эффект увеличения наработки до сплошной смены рельсов с ростом грузонапряженности. Этот эффект изучен не до конца и требует дальнейших исследований.
Библиографический список
1. Бесстыковой путь / В. Г. Альбрехт [и др.] ; под ред. В. Г. Альбрехта, А. Я. Когана. М. : Транспорт, 2000. 408 с.
2. Абдурашитов А. Ю. Исследование влияния температуры и пропущенного тоннажа на возникновение изломов рельсов на железных дорогах ряда зарубежных стран и в СССР // Железнодорожный транспорт. Сер.: Путь и путевое хозяйство. 1987. Вып. 1. С. 8-17.
3. Разработка методов оценки надежности и срока службы рельсов по контактной усталости и износу в зависимости от осевых нагрузок : отчет о НИР / Новосиб. ин-т инженеров ж.-д. трансп. (НИИЖТ) ; рук. Г. И. Тарнопольский. № ГР 78009511. Новосибирск, 1978. 205 с.
4. Щепотин Г. К. Усиление подшпального основания бесстыкового пути. Екатеринбург : Изд-во Ур-ГУПС, 2008. 150 с.
5. Щепотин Г. К., Давыдов В. С. Оценка и прогнозирование надежности рельсов // Транспорт Урала. 2009. № 3 (22). С. 84-93.
6. Крысанов Л. Г. Требования к металлургам // Путь и путевое хозяйство. 2000. № 3. С. 12-15.
7. Щепотин Г. К., Машкин Н. А. Эксплуатационная надежность железнодорожных рельсов промышленного производства // Инновации в жизнь. 2015. № 4 (15). С. 21-30.
8. Тарнопольский Г. И., Шкляр В. Н. Расчеты усталостной надежности железнодорожных рельсов // Механика деформируемого тела и расчет сооружений. Новосибирск, 1970. С. 165-169.
9. Тарнопольский Г. И., Шкляр В. Н. О нормах ремонта пути с рельсами Р75 // Железнодорожный путь на грузонапряженных участках. Новосибирск, 1974. С. 18-22.
10. Щепотин Г. К. Влияние осевых нагрузок на срок службы рельсов Р65 и Р75 в условиях Сибири // Путь и путевое хозяйство. 2020. № 7. С. 23-24.
11. Шавырин Н. А., Моисеева Г. М., Великанов А. В. Сравнительные ультразвуковые и металлографические исследования загрязненности металла объемнозакаленных рельсов // Контроль рельсов. М. : Транспорт, 1986. С. 90-95.
12. Applications of expert systemsin railroad maintenance: scheduling rail relays / C.-D. Martland, S. McNeil, D. Acharya, R. Mishalani, J. Eshelby // Transp. Ress. 1990. № 1. Р. 39-52.
13. CP Restructures Track Maintenance // Progressive Railroading. 1985. № 11. Р. 65-67.
14. Щепотин Г. К. Повышение точности прогнозирования отказов рельсов на основе самоорганизации // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2020. № 2 (53). С. 5-11.
15. Путь и безопасность движения поездов / В. И. Болотин, В. А. Лаптев, В. С. Лысюк, В. Я. Шульга ; под ред. В. Я. Шульги. М. : Транспорт, 1994. 199 с.
16. Шульга В. Я. Будущее путевого хозяйства вызывает тревогу // Путь и путевое хозяйство. 1996. № 6. С. 14-16.
17. Лысюк В. С. Причины и механизм схода колес с рельсов. Проблема износа колес и рельсов. М. : Транспорт, 1997. 188 с.
18. Щепотин Г. К. Прогнозирование отказов рельсов и аварийных ситуаций // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2019. № 4 (51). С. 5-11.
19. Косенко С. А., Акимов С. С. Причины отказов элементов железнодорожного пути на полигоне Западно-Сибирской железной дороги // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2017. № 3 (42). С. 26-34.
20. ЗароченцевГ. В. Повышение эффективности использования ресурса рельсов // Вестник ВНИИЖТа. 1987. № 7. С. 50-52.
21. Косенко С. А., Акимов С. С. Оценка влияния промежуточных скреплений на интенсивность износа рельсов в кривых // Инновационные факторы развития транспорта. Теория и практика : материалы между-нар. науч.-практ. конф. : в 3 ч. Новосибирск : СГУПС, 2018. Ч. 1. С. 32-40.
22. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М. : Машиностроение, 1975. 488 с.
23. Механические характеристики рельсов Р65 стандартного производства / Г. М. Шахунянц, И. Я. Туровский, М. Б. Смирнова, А. М. Никонов // Экспериментальные исследования рельсов. М. : Транспорт, 1968. С. 3-104.
G. K. Shchepotin
Influence of Load-Carrying Capacity and Axial Loads on the Durability of Rails in Regions with Cold Climates
Abstract. The laying ground for the continuous welded track structure is expanding in regions with cold climates. However, large daily and annual drops in such climatic conditions greatly complicate the rail strings operation. The traffic density of these sections is growing. Obviously, the durability of the rails will also change. Hence the relevance of studies of the reliability of rail strings in regions with a cold climate.
The experience of operating the track on the heavily loaded sections of the West Siberian and neighboring railways allows us to draw certain conclusions about the change in the service life of rails with an increase in traffic and axle loads. The maximum number of fractures of the rails by a train is observed during the winter months at a negative temperature. The colder the winter, the more fractures. Together with the increase in axial loads, the service life of the rails is significantly reduced. Observed significantly high overall yield rails to 22 pcs/km. The normative frequency of capital works is violated to the detriment of train traffic safety.
Studies of the reliability of rails on the Trans-Siberian Railway show that a decrease in the durability of rail strings with an increase in load density should not be expected (with their average axial loads currently being implemented). However, the increase in axial loads will significantly affect the reduction in the service life of the rails.
The reason for the insufficient durability of rails in Siberia should be sought in the quality of the products of the manufacturers. To improve the quality of rails, taking into account the requirements for their reliability in harsh climatic conditions in areas with high axial loads, it is necessary to organize a new production.
Key words: durability of rails; low temperatures; load density; axial loads; continuous track; quality of rails.
Щепотин Георгий Константинович - доктор технических наук, профессор кафедры «Путь и путевое хозяйство» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: [email protected]
