Канд. техн. наук В. С. ЛЫСЮК

Оптимизация конструкции пути
по критерию минимизации потенциальной энергии
в рельсах Р65

Критерием истины при оценке причин повреждения рельсов в процессе эксплуатации являются практика (статистика отказов) и целенаправленные натурные эксперименты, в том числе износные испытания рельсов на кольце ВНИИЖТа при загрузке существующих полувагонов до осевых нагрузок 23,0; 25,0 и 27 т/ось вместо 20,5 т/ось. В течение 31 года лабораторией прочности и устойчивости пути ВНИИЖТа проводились такие эксперименты и испытания, а также исследования повреждений рельсов при обращении грузовых поездов повышенной массы и длины.

В результате всестороннего анализа и осмысления результатов указанных экспериментов, а также аналогичных исследований отечественных и зарубежных ученых автор настоящей статьи выявил ряд вопросов, на которые современные научные разработки не давали ответа. Это следующие вопросы:

1. Почему на железных дорогах России накопление статической разуклонки рельсов в процессе эксплуатации происходит быстрее по внутренней рельсовой нити крутых кривых, чем по наружной?

2. Почему при изношенных колесах, т. е. приработанных к поверхности головки рельсов конформных профилях, контактно-усталостные повреждения рельсов в несколько раз больше, чем при новых?

3. Почему типичные трещины отрыва деф. 21, причиной возникновения которых являются растягивающие напряжения, возникают в зоне рабочего закругления головки рельса, где по законам сопромата при изотропном материале головки действуют сжимающие напряжения?

4. Почему при избытке возвышения наружного рельса в кривых, когда подавляющее большинство грузовых поездов следуют по кривым с перевалкой кузовов на скользуны, расположенные над внутренней рельсовой нитью, а наружная рельсовая нить существенно обезгружена, интенсивность бокового износа головки наружного рельса и гребней колес существенно увеличивается и облегчается сход порожних вагонов в средней части поезда из-за накатывания гребня на головку наружного рельса кривых?

5. Почему при избытке возвышения угон наружных рельсов кривых происходит по направлению движения, а при недостатке возвышения угон внутренних рельсов происходит против движения?

6. Почему многие годы не решается проблема оптимизации конструкции стыковых и промежуточных рельсовых скреплений?

За 46-летний период работы во ВНИИЖТе в основном по проблеме повышения прочности и надежности пути автор на основе всесторонних исследований сформулировал новый принцип оптимизации конструкции железнодорожного пути, позволяющий ответить на поставленные вопросы и разработать практические решения по оптимизации конструкции пути на железных дорогах России.

Суть нового принципа состоит в следующем: основой оптимизации конструкции железнодорожного пути в целом является минимизация потенциальной энергии в рельсах, обусловленной монтажом конструкции пути, его эксплуатацией (воздействием поездов и климата) и накоплением остаточных эксплуатационных напряжений наклепа в головке.

Изложенный принцип оптимизации (постепенного изменения) конструкции железнодорожного пути прежде всего необходимо использовать при оптимизации:

1) подуклонки рельсов;

2) профилей контактирующих поверхностей головки рельсов и колес, в том числе при их шлифовке и обточке;

3) возвышения наружного рельса в кривых;

4) конструкции промежуточных и стыковых рельсовых скреплений;

5) системы диагностики рельсов;

6) системы шлифования рельсов в пути;

7) системы перекладки рельсов с боковым износом головки;

8) конструкции рельсовых опор (шпал, рам, плит и т. п.);

9) системы текущего содержания пути;

10) системы планирования ремонтов пути и в ряде других случаев, которые еще не выявлены.

Дальнейшее изложение будет подчинено обоснованию оптимизации основных параметров конструкции железнодорожного пути на основе сформулированного нового принципа минимизации потенциальной энергии в рельсах и повышения вследствие этого и безотказности, и долговечности.

Основной принцип оптимизации производства рельсов и их монтажа в кривых. Известно [1, 2, 3], что при производстве рельсов (прокатке, термообработке, правке) не удается получить полностью изотропный материал (без остаточных напряжений) по всему объему рельса. Уменьшения уровня указанных остаточных напряжений (внутренней потенциальной энергии в рельсе) добивались методом проб и ошибок. Так, в конце 1960-х годов при испытании на кольце ВНИИЖТа очередной партии термоупрочненных рельсов под средней частью поезда в кривой R = 392 м произошел отрыв головки от шейки на протяжении 2 м со сходом груженных щебнем полувагонов. Причина — чрезмерно большие остаточные напряжения из-за неравномерного остывания шейки и головки. Рельсы с такими остаточными напряжениями были забракованы (их назвали взрывоопасными).

Современные рельсы Р65 по технологии производства доведены до совершенства. Однако и у современных рельсов имеются незначительные очаги нереализованной внутренней потенциальной энергии в виде остаточных внутренних напряжений.

Резервы повышения безотказности и долговечности современных рельсов Р65 без дальнейшего увеличения их материалоемкости имеются, и притом значительные. Это увеличение выпуклости верха головки по типу рельсов на железных дорогах США, Канады, Японии и других стран, где радиус кривизны верха головки составляет 250...300 мм. У современных рельсов Р65 — 500 мм. Этим можно добиться разгрузки бокового рабочего закругления головки, где в основном зарождаются внутренние контактно-усталостные трещины деф. 11 и 21. Сейчас [1, 3, 4] при введении объемной упрочняющей термической обработки, связанной с ускоренным охлаждением, возникло предложение об использовании для совершенствования профиля рельсов нового технологического принципа — минимизации искривления рельсов при их производстве за счет уменьшения разномассовости головки и подошвы. Это подтверждает сформулированный основной принцип оптимизации конструкции пути по критерию минимизации внутренней потенциальной энергии в рельсах, возникающей при их производстве и монтаже.

При монтаже рельсошпальной решетки в крутых кривых (R Ј 600 м) в рельсах возникают существенные монтажные внутренние напряжения — внутренняя потенциальная энергия, которая в процессе эксплуатации постоянно проявляет тенденцию к реализации (уменьшению) за счет постепенного изменения (оптимизации) конструкции пути вследствие износа контактирующих поверхностей или их разрушения.

Потенциальная энергия в рельсах, создаваемая при их укладке (монтаже) в путь. Рассмотрим несколько причин этого явления. Современные рельсы Р65 и Р75 имеют вертикальную изгибную жесткость EI_x относительно оси х — х (рис. 1), бóльшую соответственно в 6,3 и 7,5 раза, чем их горизонтальная изгибная жесткость EI_y относительно оси у — у. Поэтому при укладке в путь рельсов Р65 и Р75 в крутых кривых на подкладки с подуклонкой 1:20 между внутренней кромкой подошвы и подкладкой будет зазор. Этот зазор был бы равен 150:20 = 7,5 мм, если бы минимальной изгибная жесткость рельса была относительно оси у — у (см. рис. 1). Но минимальной изгибная жесткость рельсов Р65 и Р75 фактически является для правых кривых относительно оси 1 — 1, для левых — относительно оси 2 — 2. Поэтому при укладке в кривых современных рельсов Р65 и Р75 на подкладки с подуклонкой 1:20 зазор под внутренней кромкой подошвы у наружного рельса кривой меньше 7,5 мм, а под внутренним рельсом больше 7,5 мм. Это при отсутствии прикрепителей (костылей или болтов), прижимающих к подкладкам внутренние кромки подошвы наружного и внутреннего рельса кривых. В пределах переходных кривых рельсовая плеть скручивается из-за различия между изгибной вертикальной и горизонтальной жесткостями.

 

Рис. 1. Эпюры распределения sш в новых деревянных шпалах под костыльными подкладками ДН65 (ГОСТ 8194 – 75) при R Ј 600 м. Оси 1 — 1 и 2 — 2 определяют направление минимальной изгибной жесткости EJ рельса Р65 соответственно для правых и левых кривых

На прямых участках после укладки рельсов на подкладки подошва рельсов опирается не всегда равномерно. Массовые обследования подуклонки подрельсовых площадок и других размеров железобетонных шпал, выполненные П. С. Ивановым, свидетельствуют, что и на прямых участках часто возникает внутренняя потенциальная энергия в рельсах при монтаже рельсошпальной решетки. Примером может служить постановка деревянных распорок внутри новой колеи (между шейками рельсов) для ликвидации недопустимого сужения ширины колеи. Это создает внутреннюю потенциальную энергию в рельсах, которая в процессе эксплуатации разряжается за счет постепенной статической разуклонки рельсов вследствие повышенной пластической деформации и износа слабых (толстых) резиновых прокладок под наружными кромками подошвы рельсов и под наружными концами подкладок.

Негативные последствия создания указанной потенциальной энергии в рельсах (плетях) при их монтаже огромны. Главные из них — быстрое разрушение резиновых (толстых) прокладок под наружными кромками подошвы рельсов и под наружными концами подкладок и статическая разуклонка из-за этого рельсов, вызывающая одноточечное контактирование рельсов с колесами и ускоренное их контактно-усталостное повреждение.

Вот это и есть обоснованный ответ на вопрос 1, почему в процессе эксплуатации накопление статической разуклонки внутренних рельсов кривых происходит быстрее, чем наружных.

Как избавиться от этого весьма негативного явления — создания внутренней потенциальной энергии в рельсах при укладке современных рельсов Р65 и особенно Р75 в крутых кривых? Прежде всего, целесообразно использовать зарубежный опыт. На железных дорогах США, Канады, Японии и других развитых стран подуклонка рельсов составляет 1:40. При такой подуклонке при монтаже рельсошпальной решетки в кривых в наружном рельсе монтажная потенциальная энергия практически не создается, а во внутреннем она незначительна. Поэтому есть уверенность, что интенсивность накопления контактно-усталостных повреждений можно существенно уменьшить, если в кривых, да и в прямых использовать подуклонку рельсов не 1:20, а 1:40. Пока существует подуклонка 1:20, необходимо удлинить наружный конец у костыльной подкладки для прямых и пологих кривых (R і 600 м) на 20 мм, а для крутых кривых (R Ј 600 м) на 40 мм.

На участках с железобетонными шпалами целесообразно, а точнее, необходимо вместо резиновых толстых (более 5 мм) подрельсовых прокладок применять жесткие прокладки малой толщины (4...6 мм) из других материалов для предотвращения изломов рельсов под поездами.

Причины и последствия создания в рельсах Р65 внутренней (монтажной) потенциальной энергии в зонах рельсовых стыков. Рельсовый стык — зона повышенного динамического воздействия колес. Поэтому в этой зоне возникают многие повреждения и изломы рельсов. Но не только по этой причине, но также и потому, что при монтаже пути в этой зоне в рельсах создается монтажная потенциальная энергия, вызывающая при эксплуатации их отказы и даже изломы, особенно по деф. 52.1 и 53.1.

Подробно результаты всесторонних исследований причин таких отказов и изломов с рекомендациями по их предотвращению изложены в [3, 4].

Здесь отметим только основные причины, почему при монтаже пути в зонах рельсовых стыков возникает повышенная потенциальная энергия из-за монтажного растяжения шейки и так называемого упрочнения болтовых отверстий.

Главными причинами являются.

Во-первых — различие высоты шейки стыкуемых рельсов. Действующей нормативно-технической документацией допускается различие высоты шейки стыкуемых рельсов Р65 второго сорта 2,4 мм, а рельсов первого сорта 1,2 мм. Выполненные массовые измерения фактических размеров пазухи рельсов показали, что примерно 10 % рельсов имеют отклонение высоты шейки больше допустимого, а также значительное отклонение от прямолинейности концов рельсов и накладок. Массовые измерения показали, что у подавляющего большинства современных термоупрочненных рельсов концы прогнуты вниз. По результатам замеров для новых рельсов среднее значение стрелы прогиба конца от метровой линейки составляет 1,67 мм, а среднеквадратическое отклонение — 0,43 мм. Во-вторых, массовые измерения прямолинейности новых накладок показали, что 95 % из них имеют выпуклость в сторону головки со стрелой в пределах 1 мм [4]. В-третьих, в кривых участках пути, особенно в крутых кривых, монтажный изгиб рельсов в зонах стыков в горизонтальной плоскости осуществляется накладками. Перед постановкой накладок в стыке имеется угол в плане. Этот угол ликвидируется накладками. При затяжке гаек стыковых болтов наружная накладка наружной нити и внутренняя накладка внутренней нити расклинивают рельсовую пазуху средней частью накладки, т. е. у торца рельсов, а противоположные накладки — своими концами.

Главный вывод состоит в том, что отказы и изломы рельсов по дефектам 52.1 и 53.1 происходят вследствие конструктивного недостатка клиновидных накладок и неблагоприятного сочетания отклонений размеров накладок и рельсов от номинальных проектных значений. Наиболее неблагоприятным вариантом такого сочетания допускаемых отклонений является вариант, когда обе накладки имеют выпуклость (допускаемую) в 1 мм в сторону головки рельсов, а рельсы имеют прогнутость («понурость») концов, а также различие высоты шейки в 1,2 мм (допускаемое для рельсов первого сорта). Ясно, что в этом случае в пути, чтобы накладки зашли в пазухи, необходимо стык приподнять. Далее при монтажной затяжке гаек болтов распирающее (расклинивающее) усилие от всех болтов будет передаваться только на тот торец рельса, где высота шейки меньше. При подходе к такому стыку колеса он будет опускаться за счет обратного изгиба накладок и дополнительного растяжения шейки в наиболее напряженном месте от монтажа (зона между торцом рельса и первым болтовым отверстием). Из сказанного следует, что необходимо искать способы уменьшения вертикальных растягивающих напряжений в шейке рельсов в зонах накладок, и прежде всего в зоне между торцом рельса и первым болтовым отверстием.

Анализ результатов расчетов и экспериментов показал, что в самой конструкции клиновидной стыковой накладки заложен порок, многократно усугубляющий перенапряжение шейки рельса в зонах накладок при наличии перечисленных отклонений геометрических размеров стыкуемых рельсов и накладок от номинала.

На большинстве железных дорог развитых стран, прежде всего США и Канады, в конце 40-х годов прошлого столетия начался и в 70-е годы полностью завершился переход на производство стыковых накладок шарнирного типа. На рис. 2, а показана наиболее распространенная современная американская конструкция стыка рельсов 136RE с накладками шарнирного типа вместо применявшейся у них ранее и повсеместно применяющейся у нас сейчас конструкции стыков с накладками расклинивающего типа (рис. 2, б). Принципиальное отличие этих конструкций состоит в том, что при шарнирных накладках примерно 70 % усилий от затяжки стыковых болтов передается на горизонтальное сжатие шейки в верхней ее части и только 30 % — на растяжение (см. рис. 2, а). При клиновидных накладках все 100 % указанных усилий реализуется на вертикальное растяжение шейки с меньшей высотой, чем у смежного рельса.

 

Рис. 2. Типовые стыки железных дорог США (а) и РФ (б)