Канд. техн. наук А. И. НИКОЛИН, инж. А. В. ГУДКОВ, д-р техн. наук В. М. ФЕДИН,
инженеры Д. И. БЕЛЯЕВ, А. В. БОНДАРУК, канд. техн. наук А. И. БОРЦ

Перспективы развития парка
путевых рельсосварочных машин

В техническом комплексе путевого хозяйства бесстыковой путь представляет собой сложнонапряженную дорогостоящую конструкцию, на содержание и эксплуатацию которой затрачиваются большие экономические, технические и человеческие ресурсы. Повышение эффективности эксплуатации бесстыкового пути является одним из важных факторов, лежащих в основе нормального функционирования сети железных дорог Российской Федерации.

Неотъемлемой составляющей бесстыкового пути являются рельсы и их сварные стыки. К качеству рельсовой стали предъявляются высокие требования особенно в современных условиях неукоснительного роста грузонапряженности железных дорог, скорости движения и нагрузок на ось. К сварным стыкам рельсов предъявляются не менее жесткие требования. Выход из строя сварного стыка рельсов ведет к большим экономическим затратам. Общий срок службы бесстыкового пути непосредственно зависит от долговечности элементов его конструкции, из которых одними из наиболее ответственных являются сварные стыки рельсов.

Количество остродефектных сварных стыков рельсов, обнаруживаемых в эксплуатации средствами дефектоскопии, с каждым годом увеличивается. Также ежегодно увеличивается количество изломов рельсов в области сварных стыков по дефектам сварки.

Ярко выраженный рост количества изломов по дефектам сварки наблюдается в последние годы при использовании для бесстыкового пути рельсов из электростали. Новые рельсовые стали отличаются большей чистотой по неметаллическим включениям и содержанием ряда примесей легирующих элементов по верхнему пределу, регламентированному ГОСТ Р 51685 – 2000. Поэтому при сварке рельсов электропечного производства имеется склонность к образованию неметаллических включений в шве, преимущественно алюмино-кальциевых, и к подкаливанию металла в зоне сварного шва после сварки. Это приводит к тому, что при контактной сварке таких рельсов требуются более концентрированный нагрев металла и высокая начальная скорость осадки (минимально около 35...40 мм/с).

Исследование комплекса прочностных и эксплуатационных свойств сварных стыков рельсов из новых марок сталей показало, что применяемая в настоящее время технология сварки непрерывным оплавлением рельсов в большинстве случаев не обеспечивает необходимого уровня конструкционной прочности и приводит к образованию в металле сварного стыка дефектов сварочного характера. Это ведет к уменьшению срока службы сварного рельса и соответствующим затратам на ремонт. Только в 2002 г. МПС России затратило около 1 млрд. руб. на замену дефектных сварных стыков рельсов в путевых условиях.

Сварку рельсов для бесстыкового пути выполняют на рельсосварочных предприятиях (в стационаре) контактными стыковыми машинами типа МСР-6301 и К-1000 и в пути подвесными контактными стыковыми сварочными головками типа К-355, К-900 и К-922, входящими в состав ПРСМ (путевых рельсосварочных машин).

Проблему сварки рельсов из электростали удалось решить с помощью внедрения контактной стыковой сварки пульсирующим оплавлением. Этот способ контактной сварки оплавлением разработан в ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины. В России этот метод применяется с 1997 г. на стрелочных заводах для сварки деталей стрелочных переводов. С 2001 г. данный способ начал применяться для сварки рельсов в стационаре. В срок с 2001 по 2003 г. на данный способ сварки были переведены контактные машины типа К-1000, имеющие микропроцессорное управление. На контактных машинах типа МСР-6301 с системой управления на базе промышленного компьютера также реализован режим пульсирующего оплавления. (Во внедрении новой технологии в РСП наряду с сотрудниками комплексного отделения «Сварка» ВНИИЖТа принимали участие сотрудники Каховского завода электросварочного оборудования, Псковского завода тяжелого электросварочного оборудования, ИЭС им. Е. О. Патона, НПФ «Элсвос».)

Наряду с применением пульсирующего оплавления для повышения параметров конструкционной прочности и эксплуатационной надежности сварных рельсов в технологических линиях рельсосварочного поезда (РСП) применяется их индукционная дифференцированная термическая обработка в зоне сварки стыков. Необходимость применения данного способа термообработки доказана десятилетиями работы ученых ВНИИЖТа и работников РСП. В этой области также проведена модервки старого поколения типа ИТТ3-250/2,4, которые применялись только в отдельных РСП, повсеместно заменяются на новые типа УИН-001-100/РТ с пониженной потребляемой мощностью (в 2 раза ниже) и более простые в эксплуатации. В качестве закалочной среды на новых установках используется сжатый воздух, что устраняет вероятность образования неблагоприятных закалочных структур в металле поверхности катания головки сварного стыка рельсов. На установках старого типа применяется технология упрочнения металла головок сварных стыков рельсов с тепла индукционного нагрева воздушно-водяной смесью.

Таким образом, для решения вопросов свариваемости рельсов из электростали в РСП применен комплексный технологический подход, включающий использование новых технологий сварки и термической обработки.

Вопрос контактной стыковой сварки рельсов из электростали в пути до недавнего времени оставался открытым. Анализ причин изломов и образования остродефектных рельсов (ОДР) в зоне сварных стыков показал, что около 70 % таких рельсов были сварены машинами ПРСМ.

По данным Департамента пути и сооружений ОАО «РЖД», в настоящее время машинами ПРСМ осуществляется сварка около 3000 км в год плетей из новых рельсов и около 1500 км в год плетей из старогодных рельсов. Парк ПРСМ на сети дорог составляет 80 единиц. Из них ПРСМ-2 — 5 шт., ПРСМ-3 — 25 шт., ПРСМ-4 — 47 шт., ПРСМ-5 — 3 шт. Машины оснащены подвесными контактными рельсосварочными аппаратами в количестве 80 шт. Из них К-355 — 50 шт., К-900 — 17 шт., К-922 — 13 шт. На одну подвесную рельсосварочную головку приходится сварка от 320 до 930 стыков в год.

Большинство работ выполняется головками типа К-355, разработанными более 30 лет назад. Они не имеют гидроаккумуляторов (максимальная начальная скорость осадки 25 мм/с) и не обладают возможностью выполнять сварку методом пульсирующего оплавления.

Рельсосварочные головки типа К-900 с системой управления на базе микропроцессора имеют возможность сваривать рельсы методом пульсирующего оплавления, однако невысокая начальная скорость осадки (до 25 мм/с) из-за отсутствия гидроаккумуляторов часто служит причиной образования неметаллических включений (окислов) в металле сварного шва рельсов из электростали.

Рельсосварочные головки типа К-922 являются машинами нового поколения. Пульсирующее оплавление является основным методом сварки рельсов на данных машинах. Эти головки предназначены для сварки рельсовых плетей с растяжением, подтяжкой и по «классической» технологии с выгибом петли. Машина К-922 в настоящее время в основном используется при строительстве новых путей для сварки плетей в междупутье, где головка имеет явное техническое и экономическое преимущество перед другими машинами.

Еще одной причиной возникновения дефектов в области сварных стыков рельсов является применение упрочнения их головок воздушно-водяной смесью. Данная технология является ненадежной по причине частого засорения форсунок закалочных устройств и попадания на охлаждаемый металл струй воды, что приводит к образованию в металле головки сварного стыка рельсов неблагоприятных закалочных структур со свойствами, отличающимися от свойств основного металла рельса. Такая структурная неоднородность по поверхности катания сварного рельса бесстыкового пути приводит к выкрашиванию этих областей металла.

Из анализа изложенного выше следует, что перед ОАО «РЖД» стоит вопрос обеспечения качественной сварки рельсов из электростали машинами ПРСМ в пути. При решении данной задачи может быть применен тот же комплексный технологический подход, который дал положительные результаты в организации сварки рельсов из электростали в РСП. Необходимо внедрение метода пульсирующего оплавления при контактной сварке плетей в пути машинами ПРСМ наряду с дифференцированной термической обработкой сварных стыков рельсов.

Для решения проблемы сварки рельсов в путевых условиях без единовременной замены устаревшего оборудования существует техническое предложение, не требующее больших капиталовложений. Это модернизация действующих контактных машин К-355 (гидросистемы и системы управления) для обеспечения сварки рельсов методом пульсирующего оплавления и оснащение ПРСМ индукционными установками для термической обработки сварных стыков рельсов.

 

Рис. 1. Общий вид модернизированной контактной рельсосварочной машины типа К-355-1М

Первый опыт модернизации головки К-355 проведен на заводе ЗАО НПК «Техэлектро» (г. Псков) совместно с сотрудниками ВНИИЖТа и НПФ «КЭСПО». На рис. 1 представлена сварочная головка К-355-1М, имеющая систему управления и контроля на базе промышленного компьютера, обеспечивающая сварку пульсирующим оплавлением и оснащенная гидроаккумулятором для получения высоких скоростей осадки. Модернизация выполнена в соответствии с техническим заданием, утвержденным Департаментом пути и сооружений ОАО «РЖД» и ВНИИЖТом.

Основные технические характеристики модернизированной машины К-355-1М представлены в табл. 1.

 

Таблица 1
Наименование параметра	Норма
Номинальное напряжение питающей сети, В	380
То же, от дизель-электростанции, В	400
Число силовых фаз питающей сети	2
Число фаз вспомогательной сети	3
Частота, Гц	50
Наибольший первичный ток короткого замыкания, кА, не менее	1,1
Мощность при ПВ = 50 %, кВ·А, не менее	170
Режим работы сварочных трансформаторов при номинальной нагрузке (ПВ), не более	50
Схема включения сварочных трансформаторов в сеть	Фаза — фаза
Коэффициент трансформации сварочных трансформаторов	60±0,5
Номинальный длительный вторичный ток, кА
Наибольший вторичный ток, кА, не менее	63
Сопротивление короткого замыкания, мкОм, не более	105
Наибольшая мощность при коротком замыкании, кВ·А, не более	600
Сопротивление вторичного контура машины постоянному току, мкОм, не более	20
Номинальное усилие осадки при давлении 10 МПа (100 кгс/см2), кН	450±36
Максимальное сечение свариваемых рельсов, мм2	10 000
Переключение ступеней автотрансформатора в процессе сварки	Бесконтактное, тиристорным контактором
Наибольшее рабочее давление в гидросистеме, МПа (кгс/см2)	10 (100)
Усилие зажатия максимальное при давлении 10 МПа (100 кгс/см2), кН	1250±100
Величина осадки, мм, в пределах	7,5...15
Наибольшая скорость осадки, мм/с, не менее	20
Скорость оплавления, мм/с	0,07...3,0
Масса сварочной машины, кг, не более	2600
Масса шкафа управления, кг, не более	150
Масса шкафа силового, кг, не более	550
Масса насосной станции, кг, не более	590
Габаритные размеры сварочной машины, мм, не более	1800ґ1030ґ1195

Известно, что в области стыковой контактной сварки качество сварки обеспечивают технология и сварочное оборудование, которое эту технологию реализует. Задача же системы управления сварочной машиной состоит в том, чтобы обеспечивать воспроизводимость процесса сварки в обусловленных технологией границах и контролировать состояние оборудования. При выходе контролируемых или регулируемых параметров за допустимые границы система управления должна вовремя привлечь внимание сварщика к этому факту для предотвращения появления брака и предоставить исчерпывающую диагностическую информацию в концентрированном виде, понятном и привычном обслуживающему персоналу. Все остальные функции системы управления следует считать лишь способом решения этой главной задачи. Таким образом, система управления должна не только управлять сварочной машиной, но и контролировать качество труда (технолога, наладчика, сварщика). Система также должна позволять технологу, используя объективную информацию, воспроизводить необходимую технологию, гарантирующую получение качественных сварных изделий.

На базе изложенной концепции и была спроектирована система управления сварочной машиной К-355-1М для контактной стыковой сварки рельсов пульсирующим оплавлением, представляющая собой компьютерную структуру с распределенными вычислительными ресурсами.

Центральным ее элементом является промышленный панельный компьютер TРС-126OT (Advantech), выполненный на базе процессора Transmeta Crusoe 5400 (533 МГц). В компьютер встроен цветной экран, состоящий из активной цветной жидкокристаллической матрицы и сенсорной насадки. Компьютер имеет в своем составе до 64 мегабайт оперативной памяти и накопитель на жестком диске (Compact-Flash). Контроллер системы управления собран на базе высоконадежного с расширенным температурным диапазоном эксплуатации модуля микроконтроллера CPU188-5MX фирмы Fastwel (процессор Am188ES 40 МГц).

Реализуемые функции системы управления:

• прямое цифровое управление сварочной машиной в трех режимах — ручном, наладочном, тактовом. Тактовый режим является основным рабочим, а ручной и наладочный режимы используются для регулировки и наладки сварочной машины;
• задание в цифровом виде, контроль и регулирование параметров процесса и режима сварки (более 20 параметров);
• контроль технического состояния оборудования сварочной машины по состоянию датчиков и концевых выключателей;
• прямое цифровое управление включением вентилей силового тиристорного контактора;
• прямое цифровое управление скоростью перемещения условно подвижной колонны в процессе оплавления;
• измерение параметров процесса сварки: эффективного значения сварочного тока в первичной обмотке сварочного трансформатора, эффективного значения напряжения на первичной обмотке сварочного трансформатора, перемещения условно подвижной колонны, давления масла в гидроцилиндре осадки;
• вычисление параметров процесса сварки и технического состояния сварочного оборудования;
• вычисление и представление оператору (сварщику, наладчику и технологу) информации о воспроизводимости технологического процесса сварки и параметров сварочной машины;
• накопление и хранение информации о протекании процесса сварки каждого сваренного изделия и паспортных данных на него с возможностью их распечатки на принтере;
• создание сменного рапорта по результатам работы машины за смену с выдачей заключения по каждому стыку (годен/негоден) с распечаткой после окончания смены;
• обеспечение самоконтроля и самодиагностики оборудования системы управления.

В сменный рапорт записываются данные о месте сварки (железная дорога, № РСП), сварочной машине, фамилиях сварщика и сменного мастера, времени проведения сварки, а также параметры процесса сварки, по которым выдается заключение о годности сварного стыка: номер стыка, величина осадки, усилие осадки, скорость осадки, скорость форсировки, наличие или отсутствие проскальзывания рельсов в зажимах машины при осадке, наличие или отсутствие короткого замыкания на форсировке, величина оплавления металла рельсов при сварке, время сварки, сварочное напряжение, сопротивление короткого замыкания вторичного контура машины, работа сил сжатия при осадке и количество энергии, затраченной на процесс сварки. На каждый стык выдается заключение о его годности или негодности. В конце рабочей смены подводится итог общего количества сваренных стыков, соответствующих и не соответствующих норме.