ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНОСА РЕЛЬСОВ В КРИВЫХ

Цикл статей:

Глава 1 – Природа и причины износа рельсов и колес подвижного состава            

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи:

• изучение процесса и основных факторов, влияющих на интенсивность износа рельсов и колес подвижного состава в кривых;
• анализ влияния параметров рельсовой колеи и ходовых частей подвижного состава на интенсивность их износа на основе математических моделей взаимодействия в системе “колесо-рельс”;
• установление влияния параметров рельсовой колеи, осевых нагрузок, радиуса кривых на интенсивность износа колес и рельсов на основе натурных наблюдений, корреляционного и регрессионного анализа статистических данных;
• технико-экономическая оценка мероприятий по рациональному ведению рельсового хозяйства и обеспечению безопасности движения поездов в кривых.

Методы исследований включают анализ результатов ранее выполненных исследований и отчетных данных, теоретические исследования взаимодействия в системе “колесо-рельс” в кривых, эксплуатационные наблюдения за износом рельсов и колес подвижного состава со статистической обработкой их результатов, технико-экономическую оценку эффективности применения рельсов различного эксплуатационного качества при замене наружной нити кривых.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• выборе, обосновании, и исследовании математической модели износа рельсов в кривых;
• исследовании основных факторов, и прежде всего параметров рельсовой колеи, влияющих на интенсивность износа с использованием данных вычислительного эксперимента по принятой математической модели;
• анализе и обобщении результатов многолетних экспериментальных исследований износа рельсов и уширения рельсовой колеи в кривых, расположенных в различных эксплуатационных условиях, со статистической обработкой результатов;
• получении и анализе эмпирических зависимостей интенсивности износа рельсов и уширения рельсовой колеи на основе корреляционного анализа полученных экспериментальных данных;
• в разработке и апробации частной методики технико-экономической оценки мероприятий по использованию рельсов различного эксплуатационного качества на наружной нити кривых.

Практическая значимость работы:

Основные научные положения и выводы диссертации направлены на решение важной прикладной задачи железнодорожного транспорта – увеличения срока службы рельсов и снижения затрат на регулировку ширины колеи в кривых за счет:

• обоснования рациональных параметров устройства и содержания рельсовой колеи и мер по их стабилизации;
• прогнозирования срока службы рельсов в кривых по предложенной математической модели, учитывающей конкретные условия эксплуатации;

технико-экономического обоснования сфер применения рельсов различного эксплуатационного качества в кривых.

На защиту выносится:

• методический подход к оценке интенсивности износа рельсов и расстройства рельсовой колеи, основанный на теоретических и экспериментальных исследованиях, в том числе с применением видеосъемки процессов взаимодействия в системе “колесо-рельс”;
• качественные и количественные оценки влияния параметров рельсовой колеи на интенсивность износа рельсов в различных эксплуатационных условиях;
• эмпирические зависимости интенсивности износа рельсов и уширения рельсовой колеи в кривых в зависимости от основных эксплуатационных факторов;
• методика технико-экономической оценки мероприятий по рационализации ведения рельсового хозяйства в кривых;
• комплексная система мер по продлению срока службы рельсов и поддержанию параметров рельсовой колеи для обеспечения безопасности движения.

Личный вклад автора:

Осуществлен выбор математических моделей для исследования взаимодействия в системе “колесо-рельс” при движении по кривым грузовых вагонов на тележках модели 18-100 и интенсивности износа рельсов в зависимости от параметров рельсовой колеи и ходовых частей подвижного состава;

• выполнен анализ результатов вычислительного эксперимента по выбранной модели и даны качественные и количественные оценки влияния параметров рельсовой колеи на величину поперечных сил и интенсивность бокового износа рельсов в кривых;
• проведены эксплуатационные наблюдения и в результате обработки статистических данных получены эмпирические зависимости интенсивности износа рельсов в кривых в функции наработанного тоннажа при учете радиуса кривых и осевых нагрузок подвижного состава;
• выполнено технико-экономическое обоснование сфер применения рельсов различного эксплуатационного качества для укладки на наружных нитях кривых;
• даны предложения по совершенствованию системы ведения рельсового хозяйства в кривых.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются сопоставлением результатов исследований, полученных автором и другими исследователями, применением адекватного математического аппарата, обработкой большого объема статистических данных по износу рельсов в кривых и колес подвижного состава; удовлетворительной сходимостью результатов расчетов и натурных наблюдений за износом рельсов и колес подвижного состава.

ПРИРОДА И ПРИЧИНЫ ИЗНОСА РЕЛЬСОВ И КОЛЕС ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Износ как результат взаимодействия твердых тел при трении

Изнашивание – это процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и его остаточной деформации. Изнашивание может сопровождаться коррозией и является сложным физико-химическим процессом. Его изучению посвящена обширная как отечественная, так и зарубежная литература.

При контакте двух сопряженных поверхностей и их относительном перемещении в поверхностных слоях возникают механические и молекулярные взаимодействия, которые в конечном итоге и приводят к разрушению микрообъемов, то есть к износу. Согласно современным представлениям, опирающимся на достижения в области физики твердого тела, теории вязкого и хрупкого разрушения металлов, представлений физико-химической механики, теории поверхностных явлений и специальных исследований износа, можно оценить основные факторы, определяющие характер и интенсивность протекания процесса изнашивания.

Исходным положением является представление о дискретном касании шероховатых тел и, как следствие этого, возникновении отдельных фрикционных связей, определяющих процесс изнашивания. Это положение, развитое проф. И.В. Крагельским /1/, позволяет связать износ поверхности с процессами, происходящими в деформированном микрообъеме материала, напряженное состояние которого зависит от нагрузки, вида трения, геометрического очертания микронеровностей и физических свойств материала. Дискретный характер касания и наличие большого числа пятен контакта и соответственно фрикционных связей – результат того, что реальные поверхности имеют сложный рельеф, с шероховатостью и волнистостью.

Основное влияние на процесс изнашивания оказывают постоянное возникновение и нарушение фрикционных связей, имеющих двойственную молекулярно- механическую природу. В работе /1/ дана классификации этих связей, в которой выделено пять основных видов в зависимости от характера взаимодействия материалов: упругое или пластическое оттеснение материала, микрорезание, разрушение окисных пленок или разрушение основного материала в результате адгезии (молекулярного взаимодействия). Износ связан с многократным нарушением фрикционных связей.

Основными характеристиками, определяющими вид фрикционной связи, являются отношение глубины внедрения (или величины сжатия) единичной неровности /г к ее радиусу г, а также градиент механических свойств йт/сМг, определяющий различие между прочностью адгезионной связи и прочностью нижележащих слоев (т- сопротивление на сдвиг).

Основа элементарных фрикционных связей может разрушаться при различном числе циклов, в зависимости от характера разрушения. Если разрушение в зоне пятна контакта связано с усталостью, то число циклов должно достигнуть критического значения п_1ф, соответствующего пределу усталости материала.

При различных видах фрикционных связей износ может возникнуть в результате следующих причин:

• фрикционной усталости;
• малоцикловой фрикционной усталости;
• микрорезания при первых актах взаимодействия;
• разрушения (в том числе усталостного) пленок;
• когезионного (адгезионного) отрыва материала при первых актах взаимодействия.

Отметим, что адгезионное схватывание – недопустимо, оно является следствием нарушения нормальной эксплуатации объектов или ошибок при подборе материалов. Необходимо также избегать микрорезания, так как при этом значительно возрастает интенсивность процесса разрушения поверхностных слоев. Следовательно, основные причины разрушения микрообъемов связаны с усталостными процессами.

Основным процессом, возникающим при трении материалов и приводящим к износу, является упругопластическая деформация как результат взаимодействия микрорельефов поверхностей. В свою очередь, этот процесс порождает целую гамму производных физических, химических и механических процессов, протекающих на поверхностях и в поверхностных слоях трущихся тел. Это окисление, теплофи- зические и коррозионно-механические процессы, усталостное разрушение, поверхностные явления (адсорбция) и др. /2/.

Изнашивание (взаимодействие микрорельефов и возникновение фрикционных связей) сопровождается следующими наиболее характерными процессами и явлениями:

1. Возникновением высоких локальных температур, которые при больших местных давлениях могут достигать значений, соответствующих фазовым превращениям в поверхностных слоях или приводящих к расплавлению металла (появлению «мостиков сварки»). Сочетание повторных механических и термических напряжений может вызвать появление микротрещин, смыкание которых на глубине ведет к отделению материала.
2. Химико-термическими процессами, такими, как образование пленок окисла или других химических соединений; растворение одного из трущихся тел под влиянием механохимических процессов, протекающих в зоне контакта; охрупчива- ние поверхностного слоя под действием атомарного водорода, выделяющегося из смазки или одного из трущихся тел, – приводящие к резкому изменению свойств поверхностного слоя в отличие от свойств основного материала – именно этот слой и подвергается разрушению.
3. Влиянием на трение смазки, которая играет исключительную роль и во многом определяет интенсивность износа. Следует иметь в виду, что, кроме положительного эффекта, смазка, попадая в микротрещины, может оказать расклинивающее действие, способствующее разрушению поверхностных слоев.
4. Переносом материалов с одной поверхности на другую. Это перенос пленки более пластичного тела на твердое в результате молекулярного схватывания (намазывание) и так называемый избирательный атомарный перенос.

Последнее явление происходит при трении пары «сталь-сплав меди» и заключается в выделении меди из сплава при разрушении межатомных связей, переносе меди на поверхность стали и образовании тончайшего слоя меди, который не уносится из зоны контакта и переходит с одной поверхности на другую, что придает износостойкость узлу трения.

В последние годы все большее распространение получает усталостная (кумулятивная) теория износа, которая основную причину разрушения поверхностных слоев связывает с возникновением усталостных трещин и отделением микроскопических чешуек материала или его окислов. При этом процесс изнашивания рассматривается как кумулятивный, то есть суммирующий действия отдельных факторов при многократном нагружении фрикционных связей, что приводит в итоге к отделению частиц износа. Как правило, наличие пленки смазки, возникновение окислов, тепловой эффект и ряд других факторов влияют на интенсивность развития усталостного процесса, не изменяя его природы.

Классификация видов изнашивания

Все виды изнашивания можно разделить на основные группы:

5. Механическое изнашивание – происходит в результате только механических взаимодействий материалов изделия; молекулярно-механическое изнашивание сопровождается также воздействием молекулярных или атомарных сил; коррозионно-механическое изнашивание происходит при трении материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой. Разновидности этих процессов характеризуются специфическими явлениями, вызывающими разрушение микрообъемов материалов при трении, и неодинаковой интенсивностью.
6. Абразивное изнашивание, при котором трущиеся поверхности разрушаются абразивными частицами за счет резания и царапанья с отделением стружки. Хотя, как правило, чтобы избежать износа этого вида, обладающего большой интенсивностью, принимаются меры, часто имеются причины для его возникновения. Абразивные частицы являются продуктами износа – твердыми образованиями структурных составляющих разрушенных микрообъемов.
7. Усталостное изнашивание – является следствием циклического воздействия на микровыступы трущихся поверхностей, о чем было сказано выше. Отделение частиц может также происходить и результате наклепа поверхностного слоя, который становится хрупким и разрушается (изнашивание при хрупком разрушении).
8. Адгезионное изнашивание – связано с возникновением в локальных зонах контакта поверхностей интенсивного молекулярного (адгезионного) взаимодействия, силы которого превосходят прочность связей материала поверхностных слоев с основным материалом. Образование адгезионных связей происходит в процессе механического взаимодействия микровыступов контактирующих тел и сопровождается, как правило, значительным изменением потенциальной энергии поверхностных слоев. При трении металлических пар адгезионное изнашивание приводит к схватыванию контактирующих участков, глубинному вырыванию материала, переносу его с одной поверхности трения на другую и воздействию возникших неровностей на сопряженную поверхность.
9. Изнашивание в условиях избирательного переноса, – наоборот, характеризуется атомарными явлениями в зоне контакта и приводит к практически безыз- носным парам. Образовавшийся на поверхности в результате своеобразных меха- нохимических процессов мягкий, тонкий слой, обогащенный медью, обеспечивает минимальное трение и способствует равномерному распределению давления на поверхности трения.
10. Окислительное изнашивание – происходит при наличии на поверхности трения защитных пленок, образовавшихся в результате взаимодействия материала с кислородом. Следует иметь в виду, что окисные пленки не исключают возможности усталостного разрушения рельсов, а лишь вносят в процесс свою специфику – разрушается более хрупкий материал.

Основные закономерности изнашивания

Показателями износа в соответствии с общим методическим подходом к оценке степени повреждения являются:

• линейный износ Я (изменение размера поверхности, измеренное в направлении, перпендикулярном к поверхности трения);
• скорость изнашивания у = (XX/дХ (отношение величины износа ко времени, в течение которого он возник);
• интенсивность изнашивания ) = йХ/йз (отношение величины износа к относительному пути трения б, на котором происходит изнашивание).

Закон изнашивания материалов должен в общем виде выражать в аналитической форме зависимость Я или ) от следующих факторов:

• силовых и кинематических параметров, и в первую очередь от давления на поверхности трения Р и скорости относительного скольжения;
• параметров, характеризующих состав, структуру и механические свойства материалов пары (например, их твердость Н, предел текучести а₅, модуль упругости Е и др.);
• свойств поверхностного слоя (его шероховатости, жесткости, напряженного состояния);
• вида трения и смазки;
• внешних условий – температуры, наложения вибраций и др.

Кроме того, все закономерности должны описывать изменения износа от времени X. или наработки Т в миллионах тонн груза, пропущенного по участку.

Получение таких зависимостей является чрезвычайно сложной задачей. Поэтому часто используют зависимости, основанные на эмпирических данных для определенного вида изнашивания, при установленных условиях его протекания для выбранного сочетания материалов.

Давление на поверхности трения Р и скорость относительного скольжения V являются основными параметрами, связанными с конструкцией и кинематикой сопряжении.

Анализ большого числа исследований износа различных материалов в условиях граничного трения и трения без смазки показывает, что в общем случае скорость изнашивания может быть выражена зависимостью

у = кР^ту^п, (1.2)

где ш = 0,5…3 и для большинства пар трения п = 1; к – коэффициент износа, характеризующий материал пары и условия изнашивания.

Для абразивного и ряда других видов изнашивания т = п =1,

у = кРу (1.3)

На значение коэффициента к влияют характеристики применяемых материалов пары, условия в зоне контакта, и в первую очередь смазка поверхностей.

Исследования показали /3/, что основной характеристикой абразивной износостойкости является твердость металлов и сплавов. Для чистых металлов и термически не обработанных сталей зависимость между их твердостью и износостойкостью линейная:

£ = ЬН, (1.1)

• где е – относительная износостойкость абразивного изнашивания;
• Н – твердость по Виккерсу;
• Ь – коэффициент пропорциональности.

Для термически обработанных сталей износостойкость также возрастает с увеличением твердости, но в меньшей степени. Если твердость повышена путем механического наклепа поверхности, то это практически не скажется на абразивной износостойкости материала.

Влияние смазки на интенсивность изнашивания пар трения общеизвестно. При сухом трении скорость изнашивания наибольшая, так как создаются условия для возникновения молекулярного взаимодействия и таких явлении, как повышение температуры, концентрация давлений на отдельных участках, что интенсифицирует процесс разрушения поверхностных слоев.

Наиболее желательным, с точки зрения предотвращения износа, является

жидкостное трение или газовая смазка. Слой смазки устраняет непосредственный контакт двух поверхностей, благодаря чему не только значительно уменьшаются силы трения, но и создаются условия для ликвидации или резкого уменьшения износа поверхностей.

В условиях граничного трения смазка, во-первых, создает прочную поверхностную пленку, что связано с явлениями смачивания и налипания, и, во-вторых, взаимодействуя с поверхностными слоями материала, изменяет их структуру и свойства (модифицирует).

В качестве смазочных материалов в машинах используются жидкие минеральные масла, густые (консистентные), а в ряде случаев и твердые смазки. Преимущественно применяются минеральные масла быстроходных сопряжении, которые облегчают централизованную смазку. Выбор того или иного вида смазки зависит в первую очередь от скоростей относительного скольжения и нагрузок, действующих в сопряжениях. При прочих равных условиях, чем выше скорость относительного скольжения и чем меньше давление в сопряжении, тем меньшей вязкостью должно обладать масло.

Обзор исследований по износу рельсов и гребней колес

Одной из первых работ по износу рельсов является исследование известного русского ученого Н.П. Петрова по изнашиваемости рельсов на Николаевской и Варшавской железных дорогах. Автор на основании статистических данных пришел к такому важному выводу, что износ рельсов прямо пропорционален количеству перевезенного по ним груза, а их изнашивание возрастает с увеличением нагрузок, передаваемых колесами подвижного состава, причем при двойном увеличении нагрузок износ рельсов возрастает более чем в два раза. Вопрос об удельном износе и сроках службы рельсов, как один из наиболее актуальных вопросов железнодорожной науки, рассматривался первой Рельсовой комиссией под председательством В.М. Верховского (1882-1888 гг.), Русским техническим обществом и Рельсовой комиссией, возглавляемой талантливым русским ученым Л.Ф. Николаи(1890 г.)/4/.

Из материалов Международного железнодорожного конгресса 1954 г. /4/, где были приведены данные по 39 странам мира, следует, что боковой износ рельсов усилился и распространился в связи с переходом на тягу поездов тепловозами и электровозами, то есть локомотивами с экипажной частью в виде ходовых тележек, тяговые двигатели которых работают не всегда синхронно.

Усиление и распространение бокового износа рельсов для разных стран имеет различное значение. Для стран, большая часть дорог которых расположена в горах и имеет много кривых, такой износ может стать бедствием; для стран с равнинным рельефом местности боковой износ рельсов представляет меньшую угрозу. Однако с появлением износа на кривых среднего и большого радиуса и для дорог этих стран боковой износ является достаточно обременительным явлением.

В 40-50-е годы основным направлением при изучении износа (и вообще работы) рельсов и, следовательно, изнашивающего воздействия подвижного состава на рельсы являлось изучение путем планомерных наблюдений за износом рельсов на дорогах с различными условиями их работы. На основании таких исследований, изготавливались партии различных опытных рельсов, которые затем испытывались на железных дорогах в эксплуатационных условиях. Этот метод изучения считался наиболее правильным и надежным, так как результаты испытаний отражают все действительно происходящие процессы взаимодействия пути и подвижного состава, которые ввиду их сложности в теоретическом анализе не могут быть отражены с необходимой полнотой.

Существенным недостатком этого метода изучения является длительность (несколько лет). За период испытаний часто меняются условия работы рельсов, и испытываемые рельсы по своим исходным данным могут уже не удовлетворять из-, менившимся условиям и в связи с этим возросшим требованиям. Такие исследования позволили решить ряд важных для железнодорожного дела вопросов. Необходимо отметить работы в этой области канд. техн. наук О. Н. Усковой, профессоров А. Ф. Золотарского, Г. М. Шахунянца, П. Г. Козийчука, Н.П. Щапова, В. Н. Дани

лова, М. Ф. Вериго, кандидатов техн. наук С. А. Линева, П. П. Цуканова, Л. П. Мелентьева, доктора техн. наук А.И. Скакова и ряда специалистов металлургической промышленности /5-13/.

Этими исследованиями было выяснено влияние плана и профиля пути на вертикальный износ рельсов, количества прошедшего по рельсам груза, а также химического состава рельсовой стали и технологии производства рельсов. Влияние на износ отдельных видов подвижного состава специально не изучалось. Такой задачи не ставилось, потому что на сети дорог практически был один вид локомотивной тяги, а износ рельсов, в том числе и боковой в кривых, считается результатом воздействия колес вагонов.

Естественно, что таким путем ответ на вопрос о причинах возникших явлений с рельсами не мог быть дан. Неотложность решения задачи потребовала теоретического анализа изнашивающего воздействия колес на рельсы. Впервые математические модели процессов износа рельсов предложили проф. Г. М. Шахунянц /11/, д-р техн. наук С.М. Андриевский /14/ и канд. техн. наук Л. П. Мелентьев /12,13/.

Работа С.М. Андриевского /14/ стала крупным вкладом в решение проблемы бокового износа рельсов в кривых.

По существующим на тот момент представлениям износ рельса считался пропорциональным работе силы трения колеса о рельс. В соответствии с этим боковой износ рельса принимался пропорциональным направляющему усилию колеса экипажа, с которым гребень прижимается к боковой грани рельсовой головки, и скольжению гребня по ней.

По мнению С.М. Андриевского /14/, критерий износа должен и иметь следующий вид:

Ф = Б-~со₀, То (1.4)

• где Б – интенсивность износа рельса;
• / и /о — коэффициенты трения, при смазанных и сухих колесах и рельсах;
• ю₀ – полное скольжение колеса по рельсу.

Зависимость интенсивности износа рельса от величины удельного давления в контакте а была получена автором экспериментальным путем:

Б ~ 30tg³(0,00125а). (1.5)

А величину полного скольжения колеса по рельсу С.М. Андриевский определял по формуле:

Юп = ОС² + 0,5 и СОБ² у^ (1.6)

• где и – поперечное скольжение колеса по рельсу
• а – относительное продольное скольжение колеса по рельсу при действии на них крутящего момента
• у₁ – углы набегания гребней колес к поверхности катания, где Р_окр – предельное окружное усилие на ободе колеса.

Для оценки величины бокового износа рельсов и колес подвижного состава в кривых проф. А .Я. Коган предложил свою математическую модель /15,16/.

Оценку площади сечения рельса, теряемую при проходе одной колесной пары, предлагается определить по формуле, где С – коэффициент, учитывающий сопротивление износу рельса;

(i₀ – коэффициент трения между боковыми поверхностями гребня и рельса;

Yi – направляющая сила;

т – угол наклона рабочей поверхности гребня колеса относительно горизонта;

ос_£ – угол набегания колеса на рельс.

Изучению размеров контактного пятна, его расположения на рельсе, распределения деформаций в зоне контакта посвящены работы В.А. Молодикова /17/, A.B. Лукьянов /18/, Г.Г. Ядрошниковой /19/ и др.

H.A. Панькин установил /20/, что для того чтобы колеса могли катиться без проскальзывания по рельсам, колесной паре необходимо из симметричного состояния, при котором зазоры между гребнем и рельсом одинаковы для обоих колес, переместиться поперек пути в сторону внешнего колеса на величину Y , определяемую соотношением.

Вследствие того, что все величины, входящие в формулу (1.10) имеют существенные отклонения от нормативных значений, идея проф. H.A. Панькина не имеет перспектив для реализации.

Повышение массы поездов и мощности локомотивов, широкое распространение рекуперативного торможения привело в начале 70-х гг. к новой вспышке износа рельсов и гребней колес подвижного состава. Обстоятельные исследования износа рельсов на перевальных участках Закавказской, Львовской и Южно-Уральской железных дорог провели ученые ДИИТа под руководством проф. М.А. Фришмана /21/. На основании выполненных исследований авторы приходят к выводу, что при рекуперативном торможении поездов коэффициент удельного износа рельсов на перевальных участках увеличивается примерно на 15-20 %. Износ объемно-закаленных рельсов в условиях перевала примерно в 2 раза меньше, чем обычных рельсов, а для увеличения срока службы рельсов целесообразно ограничение продольной сжимающей силы в составе до 550 кН.

К аналогичным результатам пришли научные работники НИИЖТа Н.И. Карпущенко, Ю.Н. Ликратов, Г.Г. Ядрошникова, И.А.Котова /22,23/ выполнившие большой комплекс исследований износа рельсов на перевальных участках Восточно-Сибирской и Западно-Сибирской железных дорог. Ими установлено, что при двойной и тройной тяге поездов удельный износ рельсов колесами локомотивов может достигнуть 40-60 % от общего износа.

Последняя вспышка интенсивности бокового износа наблюдается начиная с 1985 г. Причем, если раньше барьерными местами были перевальные участки с затяжными подъемами и спусками, то в последние годы износ стал распространенным явлением по всей сети железных дорог страны. На ряде участков сети фактическая интенсивность износа в 3…6 раз выше предусмотренной нормами эксплуатации пути и подвижного состава /24/.

Причинами массового отказа верхнего строения пути и ходовых частей подвижного состава М.Ф. Вериго и В.Б. Каменский /25/ считают нарушение норм устройства и содержания рельсовой колеи, и особенно тележек грузовых вагонов. В статье /26/ Каменский приходит к выводу о том, что основным факторами, приведшими к ускорению бокового износа рельсов и гребней колес, стали постоянно повышающиеся загрузка вагонов и техническая скорость движения поездов. В результате возможности опорной системы кузова были исчерпаны уже в конце 80-х годов. Повышение нагрузок сверх проектных без изменения конструкции опирания кузова ограничило возможности самоустановки колесных пар в радиальное положение, увеличился угол набегания колеса на выкружку головки рельса, что привело к интенсивному износу колеса и рельса.

При исправных подпятниках и отсутствии валки кузова у грузового вагона момент сил поворота тележки относительно кузова равен 10 кН ■ м. При опоре на скользуны, по данным М.Ф.Вериго, он может составлять от 50 до 240 кН ■ м , что на короткое время превращает вагон в экипаж с четырьмя осями в единой жесткой базе длиной 6 -10 м. Для его свободного вписывания не хватает даже колеи шириной 1550 мм. При этом возникают силы, достаточные для снятия гребнями колес стружки с боковой рабочей грани головки рельса /27/.

В своей работе В.С. Лысюк /28/ выделяет два основных фактора, влияющих на интенсивность износа рельсов в кривых. Первый – скольжение гребня по боковой грани головки рельса и второй – удельное давление гребня на боковую грань головки рельса, определяемое делением силы прижатия на площадь его контакта с рельсом. По мнению Лысюка, на дорогах России на большинстве кривых имеется избыток возвышения для грузовых поездов и гребни всех колес первой по ходу оси тележки в кривых скользят по боковой грани наружного рельса одновременно по кругу контакта и вдоль рельса. Это происходит из-за того, что при избытке возвышения сопротивление скольжению меньше на наружном рельсе. Для существенного уменьшения бокового износа рельсов и гребней колес предлагается перенести продольное проскальзывание колес с наружной на внутреннюю рельсовую нити за счет понижения возвышения в кривых или увеличения скорости движения.

Доктор техн. наук Д. П. Марков /29,30/ считает, что из 11 факторов, влияющих на износ твердость, давление, проскальзывание и состояние поверхностей вызывают наибольший интерес. Увеличение твердости колес на 1 HB в эксплуатационном интервале приводит к увеличению их износостойкости на 1%. Смазка рельсов способна снизить износ в десятки раз. Давление и проскальзывание входят в так называемый фактор износа – зависимость, применяемую обычно для оценки скорости изнашивания колес и рельсов.

В результате экспериментов Д.П. Марков доказал, что зависимость скорости изнашивания от твердости закономерно изменяется при изменении величины проскальзывания:

• при проскальзывании менее 5% суммарная скорость изнашивания не зависит от твердости колесных и рельсовых роликов;
• при проскальзывании 10% суммарную скорость изнашивания можно – снизить, если увеличить твердость обоих элементов;
• при проскальзывании 100% суммарная скорость изнашивания уменьшается, даже если увеличивать твердость лишь одного из элементов пары трения.

Для того, чтобы ни при каких условиях не возникал самый опасный III тип износа (задир) необходимо закаливать гребни колес и боковые поверхности рельсов на твердость свыше 400 HB Закалка гребней колес и рельсов на высокую твердость снизит износ как колес, так и рельсов.

Большое влияние по мнению Д.П. Маркова на износ и контактную усталость колес оказывает взаимодействие с тормозными колодками. Проблема здесь заключается, однако, не в том, чтобы снизить износ колес при трении о колодку, а напротив, увеличить его. Как показали лабораторные исследования, скорость изнашивания колесного ролика чугунной колодкой сравнима со скоростью бокового износа рельса, композиционной – практически равна нулю. После перехода с чугунных колодок на композиционные прокат колес резко снизился. Колеса практически перестали браковаться по предельному прокату.

Колодка изнашивает колесо в центральной части поверхности катания в виде сегментообразного углубления. Это увеличивает фактическую толщину гребня и устраняет зародыши контактно-усталостных выщербин, тем самым как бы частично заменяя обточку. В процессе торможения чугунными колодками происходила постоянная корректировка профиля не только колес, но и рельсов. Интенсивный износ поверхности катания колес колодками является не только полезным, но и необходимым. При правильном выборе скорости изнашивания колес колодками можно значительно увеличить их пробег и уменьшить съем металла при обточках.

В.Г.Альбрехт, A.A. Шиладжян /31/, изучая экспериментальные данные с Забайкальской, Дальневосточной, Северо-Кавказской и других дорог приходят к выводу, что интенсивность бокового износа рельсов в значительной мере определяется углами набегания колес грузовых вагонов. Наименьшие значения угла ос имеют место при свободном вписывании двухосных тележек типового четырехосного вагона. При повороте тележки под действием сил и моментов в процессе движения поезда и поперечных перемещений ее задней оси наступает перекосное вписывание, при котором углы набегания °с_{перек0С} ^в несколько раз превышают значение ^свободы.^–

Ещё один вывод авторов /32/ состоит в том, что излишнее возвышение наружного рельса в кривых и образование значительного отрицательного непогашенного ускорения способствуют поперечному перемещению задней оси тележки. Соответственно происходит возрастание угла набегания и резкое возрастание интенсивности бокового износа рельсов.

В последнее десятилетие при переводе тележек грузовых вагонов с подшипников скольжения на подшипники качения у них была изменена внешняя форма корпусов букс. Это существенно увеличило возможные величины угловых и продольных перемещений букс в буксовых проемах и углов перекоса колесных пар в боковинах. За счет этого перекоса, т. е. увеличения угла набегания колесной пары на рельсы, такие колесные пары превращаются в «износный инструмент» для гребней колес и рельсов по всему пути их следования. Этот эффект еще больше усиливается в кривых участках пути малого радиуса, где к углам перекоса колесных пар добавляются дополнительные углы, обусловленные неровностями рельсов в плане, особенно в стыках наружного рельса. Исходя из этого допуски в содержании пути и подвижного состава нужно пересмотреть. Допуски для кривых Я < 400 м по параметрам неровностей пути в плане надо устанавливать не только по разности стрел прогиба от хорды в смежных точках Д/_СЛ„ но и по разности ЛГ_СМ = Гф — где /ф – фактическая, а /_п – проектная стрела прогиба /32/.

Необходимо контролировать и отбраковывать в эксплуатации тележки с большой интенсивностью одностороннего износа гребней колесных пар по разности толщин гребней, отнесенных к их средней толщине, и ввести допуски по этому параметру.

Одним из наиболее эффективных мероприятий по продлению сроков службы рельсов в кривых в настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом считается смазка боковой рабочей грани головки рельсов, а также применение гребнес- мазывателей, закрепляемых на локомотивах. Определено, что путевые рельсосма- зыватели целесообразно устанавливать через 3-5 км одного направления, при этом боковой износ снижается в 3-4 раза /33/. Уменьшению интенсивности износа рельсов в кривых способствуют исправное состояние рельсовой колеи в плане и рациональная подуклонка рельсов.

Начальник путеобследовательской станции Приднепровской дороги Д. П.

Сливец после многолетних наблюдений за поведением рельсов в кривых /34/ пришел к твердому убеждению, что основной причиной нарастания интенсивности их бокового износа явился перевод вагонного парка с подшипников скольжения на подшипники качения, при которых исключается разбрызгивание смазки на рельсы. При сухом трении интенсивность износа рельсов и гребней колес резко возросла. Уширение рельсовой колеи и увеличение подуклонки с 1/20 на 1/12 эффекта не дают. Автор отмечает, что на Забайкальской дороге более 130 км пути «зашили» на старую колею 1524 мм и в результате получили такой же износ колес и рельсов, как и при колее 1520 мм. Многие исследователи отмечают большое влияние твердости рельсов на интенсивность их бокового износа /35/.

В отличие от европейских железных дорог на отечественных дорогах, как и на дорогах США, основным фактором, определяющим интенсивность износа, является затрудненное вписывание в кривые грузовых вагонов на трехэлементных тележках. Поэтому главным требованием, предъявляемым к техническим средствам, технологии и смазочным материалами для лубрикации, является сохранение смазки как минимум под всеми колесами одного поезда.

При реализуемом уровне бокового воздействия колес на рельсы для получения такого эффекта целесообразно применение пластических или твердых смазочных материалов, выдерживающих до разрушения большие контактные напряжения. Технически возможны два принципиально отличных способа лубрикации гребней колес и боковой поверхности головки рельса: нанесение смазочного материала на боковую поверхность головки рельса с помощью специального передвижного устройства и нанесение смазочного материала на гребни колес подвижного состава.

Во второй половине 80-х годов прошлого столетия резкое возрастание интенсивности бокового износа рельсов связано с интенсификацией перевозочного процесса за счет внедрения тяжеловесных поездов и повышения осевой нагрузки грузовых вагонов до 257 кН, что привело к снижению скорости их движения. Одновременно была поставлена задача значительного повышения скоростей движения пассажирских поездов.

Все это привело к противоречивым требованиям к величине возвышения наружного рельса в кривых.

Большой вклад в решение проблемы снижения интенсивности износа рельсов и колес подвижного состава в кривых внес проф. В.О. Певзнер /36,37/ за счет корректировки норм устройства и содержания рельсовой колеи и совершенствования технологии смазки рельсов.

Совершенно очевидно, что основным „поставщиком энергии”, расходуемой на боковые износы рельсов и гребней колес, на железных дорогах России и стран СНГ являются грузовые вагоны на тележках типа ЦНИИ ХЗ (18-100), вследствие их многочисленности и подавляющего их удельного веса в парке подвижного состава на этих дорогах.

Чтобы иметь представление о происходящих процессах, предопределяющих боковые износы рельсов и гребней колес в процессе движения поездов в кривых участках пути, необходимо сделать сопоставительный анализ фактических параметров и данных по находящимся в эксплуатации тележкам типа 18-100 и их прототипом – тележками Барбера, эксплуатирующихся на железных дорогах США уже более 60 лет. Как известно, тележки Барбера конструктивно практически несущественно отличаются от тележек типа ЦНИИ ХЗ, а по некоторым качествам и нормам существенно превосходят их. Тележки Барбера обладают большей связевостью, по сравнению с тележками типа 18-100.

Л.И.Бартеньева /38/ считает связевость тележек типа ЦНИИ ХЗ недостаточной. Из этого следует, что взаимные забеги боковых рам тележек и углы набегания колес на рельсы у тележек ЦНИИ-ХЗ существенно больше, чем у тележек Барбера.

Если же сравнить официально установленные допуски по продольным зазорам корпусов букс в буксовых направляющих при выпуске вагонов из деповского ремонта тележек типа 18-100 с допусками в тележках Барбера, то оказывается, что допуски в наших тележках превышают американские в 5-6 раз, что во столько же раз увеличивает и углы набегания колес на рельсы, следовательно, во столько же раз увеличивает интенсивность бокового износа гребней колес и рельсов. Заметим, что фактические суммы максимальных величин зазоров между корпусами букс и буксовыми направляющими, измерявшиеся на одной и той же колесной паре, доходили до 64 мм, т.е. в 10 раз превосходили допуски размеров этих разбегов, принятые на железных дорогах США; к тому же и форма корпуса буксы в тележках 18100 может позволить колесной паре поворачиваться относительно боковой рамы тележки беспрепятственно на достаточно большие углы. По заключению канд. техн. наук В.М. Богданова и его соавторов, углы поворота колесной пары по отношению к оси пути могут достигать 5° /39/.

Современные тележки типа Барбера отличает еще и то, что они оборудованы упругими или роликовыми боковыми опорами, обеспечивающими надежный и легкий поворот тележек по отношению к кузову вагона; в тележках типа 18-100 из- носы скользунов достигают 12 мм, что приводит к необходимости преодоления тележкой больших моментов сил, чтобы на большой скорости повернуть ее по отношению к кузову при входе в кривые и при движении по неровностям пути в плане.

Аналогичным образом показана полезность, с точки зрения уменьшения бокового износа гребней колес, модернизация тележек типа ЦНИИ ХЗ установкой на них упругих или роликовых боковых опор вместо примитивных, быстро изнашивающихся скользунов с сухим трением, заклинивающихся в эксплуатации приводящих к резкому неконтролируемому возрастанию направляющих и боковых сил, воспринимаемых рельсами, и к усиленному боковому износу гребней колес и рельсов, и расстройствам пути в плане.

Выводы

1. Изнашивание – это процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и ее остаточной деформации. Основным процессом, возникающим при трении материалов и приводящим к износу, является упругопластическая деформация как результат взаимодействия микрорельефов соприкасающихся поверхностей.

Наиболее распространенным считается усталостное изнашивание, которое является следствием циклического воздействия на микровыступы трущихся поверхностей и рассматривается как кумулятивный процесс, т. е. суммирующий действие отдельных факторов при многократном нагружении фрикционных связей, что приводит в итоге к отделению частиц износа. Отделение частиц может также происходить в результате наклепа поверхностного слоя, вследствие чего он становится хрупким и разрушается.

Вторым по распространенности является абразивное изнашивание рельсов и колесных пар подвижного состава, при котором на трущихся поверхностях появляются абразивные частицы, разрушающие поверхность за счет резания и царапания. Часто абразивными частицами бывают продукты самого износа – твердые образования структурных составляющих разрушенных микрообъемов материалов.

Адгезионное изнашивание связано с возникновением в локальных зонах контакта поверхностей интенсивного молекулярного взаимодействия, силы которого превосходят прочность связей материала поверхностных слоев с основным материалом. Адгезионные связи образуются в процессе механического взаимодействия микровыступов контактирующих тел и сопровождаются значительным изменением потенциальной энергии поверхностных слоев, что приводит, как правило, к схватыванию контактирующих участков, глубинному вырыванию материала, переносу его с одной поверхности трения на другую и воздействию возникающих неровностей на сопряженную поверхность.

2. Анализ большого числа исследований износа различных материалов в условиях граничного трения и трения без смазки показывает, что в общем случае интенсивность изнашивания прямо пропорциональна скорости относительного скольжения соприкасающихся тел, удельному давлению на поверхности трения и коэффициенту износа, характеризующему материал пары и вид изнашивания. Для большинства сталей зависимость между их твердостью и износостойкостью линейная. Износостойкость термически обработанных сталей также возрастает с увеличением твердости, но в меньшей степени.

Наиболее желательным, с точки зрения предотвращения износа, является жидкостное трение. Благодаря слою смазки не только значительно уменьшаются силы трения, но создаются условия для устранения или резкого уменьшения износа поверхностей. В условиях граничного трения смазка, во-первых, создает прочную поверхностную пленку, что связано с явлениями смачивания и налипания, и, во- вторых, взаимодействуя с поверхностными слоями материала, изменяет их структуру (модифицирует).

1. Анализ результатов исследований многих авторов показал, что наиболее интенсивно рельсы изнашиваются в кривых радиусом 650 м и менее, особенно в кривых радиусом менее 400 м, протяженность которых составляет менее 2,5%, но они дают основной выход рельсов по износу (дефекты 43,44). Износ рельсов увеличивается на подъемах и спусках из-за скольжения колес локомотивов при реализации больших сил тяги или торможения. Увеличение твердости рельсов приводит к снижению интенсивности их износа.
2. Анализ публикаций показал, что многие простые и “эффективные” на взгляд авторов идеи по снижению интенсивности износа рельсов в кривых не имеют перспектив реализации, так как рассматривают, как правило, качение по идеальному пути идеальной одиночной колесной пары. В реальных условиях все параметры рельсовой колеи и колесных пар имеют существенные технологические допуски по их содержанию.
3. Многие исследователи считают основной причиной резкого повышения интенсивности износа рельсов и гребней колес в последние годы перевод вагонного парка с подшипников скольжения на подшипники качения, при которых исключается разбрызгивание смазки на рельсы, изменилась форма корпусов букс. При переводе тележек грузовых вагонов с подшипников скольжения на подшипники качения у них была изменена внешняя форма корпусов букс. Это существенно увеличило возможные величины угловых и продольных перемещений букс в буксовых проемах и углов перекоса колесных пар в боковинах. За счет этого перекоса увеличиваются углы набегания первой колесной пары тележки на наружную рельсовую нить, что повышает интенсивность бокового износа рельсов и гребней колес. Большое влияние на износ и контактную усталость колес оказывает взаимодействие с тормозными колодками. Переход с чугунных колодок на композитные привел к резкому снижению проката и возрастанию браковки колес по тонкому гребню и выщербинам.

Вместе с тем некоторые специалисты связывают рост интенсивности с переходом в 1970 г со стандарта колеи 1524 мм на 1520 мм.

Все это определяет два взаимодополняющих направления поставленной задачи: резкое снижение коэффициента трения скольжения гребня колеса по боковой поверхности головки рельса и совершенствование конструкции, норм устройства и содержания пути и ходовых частей подвижного состава для снижения величины удельных давлений и проскальзываний в зоне контакта, а также повышения износостойкости контактирующих поверхностей.

Список Литературы

• Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.
• Физико-химическая механика контактного взаимодействия н фреттинг- коррозия: Научный совет по трению и смазкам АН СССР. Киев, 1973. 162 с.
• Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. М.: Наука, 1970.
  252с.
• Шахунянц Г.М., Ершов О.П. Развитие науки и техники в области пути// Очерки развития железнодорожной науки и техники. М.: Трансжелдориздат, 1953.С. 5167.
• Ускова О. Н. Работа в пути опытных рельсов. М.: Трансжелдориздат, 1936.
  240 с.
• Золотарский А.Ф. Износ и срок службы рельсов // Вопросы и исследования работы рельсов: Сб. науч. тр. М.: Трансжелдориздат, 1946. С. 4-87.
• Скаков А.И. Качество железнодорожных рельсов. М.: Металлургиздат, 1955. С. 87-127.
• Козийчук П.Г. Износ рельсов в кривых в связи с возвышением наружного вельса и уширенном колеи: Тр./Киев. ин-т инж. ж.-д. траисп. 1934. Вып. 5. С. 7-67.
• Щапов Н.П., Золотарский А.Ф., Цуканов П.П. Работоспособность рельсовой стали и пути к ее повышению // Вестн. Всесоюз. науч.-исслед. ин-та ж.- д. трансп. 1963. № 6. С. 3-7.
• Цуканов П.П. Эксплуатационная стойкость рельсов современного производства // Исследование рельсов тяжелых типов: Сб. науч. тр. / Всесоюз. науч.-исслед. ин-т ж.-д. трансп. М.: Трансжелдориздат, 1961. Вып. 220. С. 4 -32.
• Шахунянц Г.М. Расчеты верхнего строения пути. М.: Трансжелдориздат, 1959. С. 71-149.
• Мелентьев Л.П. Исследование причин бокового износа рельсов в кривых // Исследование рельсов тяжелых типов: Сб. науч. тр. / Всесоюз. науч.-исслед. ин-т ж.-д. трансп. М.: Трансжелдориздат, 1958. Вып. 154. С. 261 – 311.
• Мелентьев JI.П. Влияние формы головки рельса на интенсивность развития бокового износа и дефект 82 // Исследование рельсов тяжелых типов:: Сб. науч.тр. / Всесоюз. науч.-исслед. ин-т ж.-д. трансп. М: Трансжеддорщдат, 1961. Вып. 220. С. 123-143.
• Андриевский С.М. Боковой износ рельсов в кривых: Тр. / Всесоюз. науч.-исслед. ин-т ж.-д. трансп. М.: Трансжелдориздат, 1961. Вып. 207. 128 с.
• Молодиков В.А. О возможных путях увеличения нагрузок, возникающих в контактах колес локомотивов с рельсами // Взаимодействие пути и подвижного состава при высоких скоростях движения и повышенных осевых нагрузках: Сб. науч. тр. / Всесоюзн. науч.-исслед. ин-т ж.-д. трансп. М.: Транспорт, 1978. Вып. 592. С. 121-133.
• Лукьянов A.B., Лукьянов С. А. Методика экспериментальных исследований условий контактирования колеса и рельса при движении поездов // Повышение прочности и надежности пути: Сб. науч. тр./ М.: Транспорт, 1989. С. 3644.
• Ядрошникова Г.Г. Об интенсивности износа и изменении формы головки рельсов Р65 в процессе эксплуатации на перевальных участках // Повышение надежности и эффективности работы железнодорожного пути на грузопапряженных участках: Сб. науч. тр. Новосибирск, 1985. – 150 с.
• Панькин H.A. Причины интенсивного износа гребней колес и рельсов и пути его устранения //Ж.-д. трансп. 1991. № 11. С. 57-59.
• Исследование износа рельсов в условиях сложного плана и профиля пути на электрифицированных участках / М.А. Фришман И.С., Леванков и др. // Исследование взаимодействия пути и подвижного состава: Сб. науч. тр./ Днепропетр. ин-т инж. ж.-д. трансп. Днепропетровск, 1970. Вып. 117. С. 119-130.
• Карпущенко Н.И., Ядрошникова Г.Г., Ликратов Ю.Н. Интенсивность бокового износа рельсов в кривых малого радиуса в зависимости от схем формирования и режимов вождения поездов на перевальных участках //Ж.-д. путь на грузонапряженных участках: Сб. науч. тр. / Новосиб. ин-т инж. ж.-д. трансп. Новосибирск. 1977. Вып. 185. С. 92-103.
• Вериго М.Ф.Взаимодействие пути и подвижного состава в кривых малого радиуса и борьба с боковым износом рельсов и гребней колес – М.: ПТКБ ЦП МПС, 1997.-207 с.
• Крысанов Л.Г., Джапополадова Л.А. Работа рельсов в кривых в различных эксплуатационных условиях // Скорости движения поездов в кривых: Сб. науч. тр. / Под ред. О.П. Ершкова. М: Транспорт, 1989. 113 с.
• Вериго М.Ф., Каминский В. Б. Совершенствование норм содержания пути и подвижного состава // Ж.-д. трансп. 1994. № 11. С. 30-36.
• Каменский В.Б. Причины роста бокового износа // Путь и путевое хозяйство. 2003. №11. С. 5-8.
• Вериго М.Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава в кривых малого радиуса и борьба с боковым износом рельсов и гребней колес – М.: ПТКБ ЦП МПС, 1997.-207 с.
• Лысюк В. С. Причины и механизм схода колеса с рельса. Проблема износа колес и рельсов. – М.: Транспорт, 1997. – 188 с.
• Марков Д. П. Триботехнические свойства поверхностей колесно- рельсовой пары (лабораторная оценка)./ Вестник ВНИИЖТ, №5, 1995, С. 30-35.
• Марков Д. П. Задир боковых поверхностей рельсов и гребней колес// Вестник ВНИИЖТ, 2004, № 4
• Альбрехт В.Г., Шиладжян A.A. Влияние угла набегания колес грузовых вагонов на интенсивность бокового износа наружных рельсов в кривых// Ж.д. транспорт, серия “Путь и путевое хозяйство” ЭИ ЦНИИТЭИ МПС, 2000, №2.
• Альбрехт В.Г., Шиладжян A.A. Работа рельсов в крутых кривых // Повышение надежности работы верхнего строения пути в современных условиях эксплуатации: Сб. науч. тр./Под ред. Л. Г. Крысанова-М.: Интекст, 2000. С. 142
• Мелентьев Л.П., Порошин В.Л., Фадеев С.И. Содержание и рельсов. М.: Транспорт, 1974. С. 3-45.
• Сливец Д.П. О сплошной смене рельсов/Путь и путевое хоз-во. 1994.№ 10. С. 13.
• Рейхарт В.А. Можно ли узнать, соответствуют рельсы конкретным условиям или нет? / Путь и путевое хоз-во. 1994. № 8. С. 10-12.
• Певзнер В.О. Выправка пути в плане / Путь и путевое хоз-во.2005.№ 11. С.
• Певзнер В.О., Ромен Ю.С., Говорков O.A. Влияние ширины колеи на горизонтальные силы / Путь и путевое хоз-во. 2008. № 9. С. 20-22.
• Бартенева Л.И. Требования к конструкции двухосных тележек грузовых вагонов для перспективных условий эксплуатации // Сб. науч. тр. Вып. 483, М.: Трансжелдориздат, 1973.-96 с.