Рельсы

Широкоподошвенный тип - описание, свойства, применение

Широкоподошвенный тип, отличается уникальным профилем, обеспечивающим высокие показатели сопротивления на изгиб, как в вертикальной, так и горизонтальной плоскости. Максимальный запас металла находится в головке, то есть в зоне непосредственного контакта с колесом, движущегося транспорта. Здесь же зона максимального сопротивления опрокидыванию и скручиванию, действующему в момент передачи поперечных горизонтальных воздействий со стороны колес. Отсюда форма каждого составляющего рельсы: головка, подошва, шейка, как и радиус, их сопряжения, находятся в полной зависимости от параметров будущего использования. Куда входят скоростной режим передвижения, показатель будущих осевых нагрузок, ожидаемая грузонапряженность и технология изготовления.

Широкоподошвенные рельсы похожи, но лишь внешне. Показатель мощности рассчитывается исходя из веса 1м.п. и качественного состава сплава стали. К примеру, осевая нагрузка 30-35 тс/ось вес рельсы 65.53-69.4кг/м (США, Канада). При нагрузках в 22.5-25тс/ось рельсы UJC 60 весят 60.34кг/м (Западная Европа). А при нагрузке в диапазоне 23.5-2 тс/ось рельсы Р65 (рассчитанные на особенно сложные климатические параметры) вес рельсы 60.34кг/м (Россия). Рельсы стандартной длины состыковываются при помощи «клинчатых» накладок. На их шейке у каждого конца есть 3 отверстия. Эффект удлинения в момент нагревания и укорочения при снижении температурных параметров по сравнению с подобными в период укладки рельсового пути, используются стыковые болты с меньшим диаметром, чем отверстия, что приводит к требуемому увеличению зазоров стыка до 21/23мм. Большие зазоры резко увеличивают величину воздействия колес на рельсы.

В свою очередь стыки (клинчатые накладки) в совокупности со стягивающими их болтами, позволяют увеличить сопротивление смещению рельсы, которые может достигать 200/250кН в пределах одного пути.

Для соблюдения норм смещения зазоров стыка нужно нагреть либо охладить рельсы на 10-12°С. Стык в рельсовом пути, самое уязвимое место, которое не просто требует добавления накладки, болта, гайки и иных дополнительных элементов для увеличения прочности, но и место возникновения добавочного динамического воздействия со стороны колес. Поэтому количество стыков по длине пути делается минимальным, что возможно при изменении стандартных показателей длины звена.

К примеру, в 1851 году в России длина звена рельсы, уложенных на пути «Санкт-Петербург — Москва» составляла 5.49м, а с 1892 стандарт увеличили до 10.67м. Затем увеличили до 12,5м и сегодня этот показатель от 25м. Австрия и Германия от изначального стандарта длины в 12м перешли к 30-60м. Франция, Италия, Швейцария и Англия имеют два стандарта длины, то есть 18 и 36м. США начинали с 11.89м, но сегодня этот показатель уже 23.78м. Рельсы и их заводские стандарты

Сегодня предприятия выпускают рельсы двух категорий: - короткие, стандартной длины; - удлиненные. У рельса стандартных размеров имеются максимально возможные концевые зазоры (21мм) при охлаждении, что при положительной температуре приводит к показателю в 0. И это с учетом того, что при воздействии прямых солнечных лучей температуре рельсового полотна выше температуры окружающего воздуха на 15-20°С, но в расчетах данный показатель берут за 20°С. Длинными в данном случае рельсами принято называть те, у которых в жаркое время года T меньше Tmax, а величина зазора стыка 0, при этом на торцах появляется давление соседних звеньев. В зимний период полное «раскрытие» стыка происходит тогда, когда T меньше минимума Tmax.

Для примера, рельсы типа Р65 длиной 25м при небольшом температурном колебании в течение года Ггод (Новороссийск t max=59°С, t min=(-24)°C, Ггод=83°С) «ведут себя» как аналоги стандартной длины. Но если их уложить в Сибири (Чита t max=59°C, t min=(-52)°C, Ггод=111°С) они будут отнесены к длинной категории. При полном смыкании увеличение температуры вызывает формирование в смежных рельсах продольных сил N.

Многочисленные исследования позволили определить Nmax, приводящее к выбросу (нарушение устойчивости) в рельса-шпальном звене. Что позволяет максимально точно рассчитать возможную длину как отдельной рельсы, так и рельса-шпального звена при использовании сварных плетей в бесстыковочном типе организации железнодорожного полотна с учетом условий предстоящего эксплуатирования. Что направлено на создание максимально прочных и устойчивых к круглогодичным негативным природным воздействиям рельс.

Износ рельс и эксплуатационный срок

Эксплуатация вызывает износ любых изделий и механизмов. В случае с рельсами особенному износу подлежит головка рельсового полотна и весь рельс на участках торможения движущегося по нему транспорта. Помимо этого подошву разъедает коррозия и с течением времени проявляются ранее невидные дефекты сплавов, возникающие в момент изготовления рельс. Что значительно сокращает заложенный эксплуатационный срок, то есть уменьшает показатель нормативно допустимого по рельсам тоннажа. Нормативами установлено: - прямые и кривые участки с радиусом от 1000м рассчитаны на величину пропускного тоннажа в 600/700млн т (брутто); - кривые участки дороги с радиусом от 300 до 1000м — этот показатель в 2-4 раза ниже. Для снижения данных негативных воздействий разработаны специальные программы ремонта и восстановления железнодорожного полотна в частности и всего рельсового хозяйства в целом.

Ремонт рельс

Шлифовка, фрезерование и строжка поверхности головки рельсы, проводимая с заданной периодичностью. А также снятие «волнового износа», возникающего из-за воздействия колес подобного скоростью и весом транспорта на область головки. Шлифовка профильная рельс производится спецтехникой, снабженной абразивными вращающимися изразцами, придающими головке ремонтный профиль, определяемый степенью износа. Что позволяет восстанавливать первоначальную конфигурацию и снимать лишний металл в области «выкружки» головки, где фокусируются микроскопические трещины, как и отшлифовать поверхность катания. Лубрикация или смазывание рельсы по боковым граням, при кривизне от 500 до 600м. Здесь используются стационарные лубрикаторы, устанавливаемые на вагоны, дизеля или локомотивы. Обильная и своевременно нанесенная смазка способна максимально снизить износ/истирание боковой стенки рельса, то есть привести возможность разрушения к 0.

В таком случае степень изнашиваемости рельс с подобной кривизной будет устанавливаться с учетом проявления дефектов контактно-усталостного происхождения, то есть появления трещины в области выкружки. Экспериментально удалось доказать, что такого рода дефект может и не образовываться при оптимальных нагрузках, не превышающих заданный предел выносливости. Когда максимальный показатель контактного напряжения смещается к середине головки, где наблюдается минимальное накопление усталостных процессов рельсового сплава. Отсюда были рассчитаны следующие коэффициенты: - при радиусе кривизны в 300-400м показатель будет равен 0.05; - при радиусе кривизны в 401-500м соответственно 0.04; - при радиусе кривизны превышающем 500м — 0.03. Отсутствие своевременной лубрикации вызывает скачек износа боковой грани головки до рассчитанного (допустимого) показателя при отсутствии контактно-усталостного напряжения. Сочетание лубрикации и профильной шлифовки увеличивает эксплуатационный срок рельсы в 1,5-2 раза.

Укладка рельсов с заменой рабочей части канта

Наиболее часто применяется для рельсовых путей с радиусом кривизны в диапазоне от 500 до 550м при максимальном показателе уровня бокового износа наружной стороны рельсы. Методика основана на смещении внутреннего и наружного нитей рельс, то есть нерабочие канты с минимальным износом, заменяют более изношенные рабочие аналоги. Так достигается равномерность истирания обеих сторон рельсовой головки. При обнаружении в наружной нити рельса дефекта и/или ее смятия, перекладка возможна, только в ходе ее проведения дефектный рельс заменяется новым. Особенности эксплуатации Эксплуатационный период рельса рассчитывается суммированием объемов «перенесенного» тоннажа в качестве:

• вновь изготовленных; - переложенных при обмене рабочих краев канта;
• демонтированных и вторично использованных после проведения капитального или текущего ремонта железнодорожного полотна.

Рельсы второй укладки.

Дальнейшему использованию предшествует рельсосварочное «оздоровление» на специальных предприятиях (РСП). Где идет рассортировка и дефектоскопирование каждой партии поступивших рельс. «Оздоровление» складывается из обрезки изогнутых концов, сварки рельс небольшой длины в звенья стандартной/требуемой длины, обработка головки рельса. Где по мере необходимости проводится шлифовка, фрезерование, строжка для удаления возникших неровностей, трещин и сколов в результате должна получиться головка, соответствующая проектным параметрам. Так рельс Р65 после «оздоровления» используется в качестве звеньев или петель до 800м длины на путях с заданной грузоподъемностью от 15 до 40млн.т (брутто) при скоростном режиме следования до 100км/ч.

Возможные дефекты рельс и ремонт железнодорожного пути

На скоростных дорогах применяется бесстыковая укладка новых сварных рельс. Эксплуатация новых рельс без шлифования профильного вида через каждые 300-400млн. т брутто, приводит к появлению одиночного выхода звеньев рельсы. Чаще всего такие дефекты проявляются на стыке и/или в зоне сварных швов, потому как там появляются «пробуксовки» локомотивных колес, особенно в зонах крутых подъемов. Но возможны и проявления внутреннего брака сплава рельса, в зоне его головки, образующиеся из-за неоднородности качественного состава сплава в момент формовки. Практика показала, что к сроку очередного капремонта (сплошная смена рельсового полотна) из 800 рельс 25м длины дефекто-скопирование выявляет на каждый км-пути от 2 до 4 остро дефектных звеньев. И происходит это из-за обнаружения в них неметаллических включений, количеством, превышающим установленные нормативы. Такие участки заменяют, потому как возможно образование излома сквозного типа под любым из следующих проходящих по нему составов. Нарушения в структуре головки рельефа дефектоскопия обнаруживает лишь в том случае, если его обширность составляет не менее 9-12% площади поперечного сечения. И здесь излом возникнет лишь в случае снижения температуры воздуха до (-15)-(-20)°С при площади нарушения головки рельса в 25-30%. Но при температуре в (-50)°С, что возможно в зимний период года в Сибири, излом может появиться и при появлении дефекта из-за площади в 1.5-1.8 раз меньше.

Ряд контрольных измерений показал, что большинство рельс, снятых с путей методом сплошной замены, обнаруживают дефект головки, который размерами меньше разрешающей способности используемых для их обнаружения дефектоскопов. Если их не рассортировать и не пропустить через стационарный (заводской) дефектоскоп для решения типа дальнейшего восстановления, то при установке на железнодорожном полотне в них произойдет стремительное образование дефектов при пропуске тоннажа от 50 до 100млнт (брутто). Что приведет к повторному изъятию большого количества единичных элементов восстановленных вторичными рельсами железнодорожных путей. Потому как они очень быстро превратятся в остро дефектные звенья. Поэтому на РСП головка восстанавливаемого стального полотна приобретает «ремонтный» профиль. И при их постановке на путь колеса транспорта взаимодействуют с частью, которая еще не утратила требуемый показатель усталостной прочности. Качественные параметры рельса Сталь — это сплав и ее качественные показатели определяются не только ее составом, но и макро и микроструктурой. К примеру, возрастает концентрация С (углерода) повышаются показатели прочности, износостойкости и твердости. Количество Mn (марганца) напрямую влияет на уровень прочности рельсового сплава, его износостойкость и вязкость, а Si (кремния) на уровень стойкости к износу и твердость. Р (фосфор) и S (сера) в данном случае относятся к недопустимым примесям. Воздействие отрицательной температуры в совокупности с содержанием первого приводит к хрупкости, а второго — к красноломкости, образованию трещин в ходе проката.

Производство рельс

Аs (мышьяк) оказывает влияние в сторону увеличения уровня усталостной прочности, как и ударной вязкости, а в условиях отрицательных температур увеличивает стойкость на износ. V (ванадий), Ti (титан), Zr (цирконий) обладают микролегирующими и модифицирующими свойствами. Допускается лишь однородная, плотная, чистая и мелкозернистая среда. Выплавляется по кислородно-конвертерной технологии и выдерживается в мартеновской печи. Смесь находится в печи несколько часов, в конвертере — несколько десятков минут.

Рельс проходит объемную закалку с использованием масла. Головку дополнительно закаляют высокочастотными токами, использую в качестве охладителя воздух или водно-воздушную среду. Стандарт качества рельса закреплен нормативной документацией. Где прописан не только состав сплава стали, но и полный реестр внешних промеров и допустимых отклонений. К примеру, рельс отечественного производства должен иметь показатель временного сопротивления к растяжению более: - 1170МПа — Класс (объемнозакаленные), - 1100МПа — IIкласс, - 860-900МПа — IIIкласс незакаленные. Эксплуатационный период объемнозакаленных серий в 1.3-1.5раз дольше простого проката.

Маркировка рельс

Маркировка Клеймо маркировки завода выпуклой конфигурации через каждые 2-3м.п. головки рельс. Оно несет название завода-производителя, датирует (месяц/год) производство проката, тип и номер рельса, начиная от головы слитка. На торце находится оттиск «ОТК», приемщика и No стальной плавки, по которому можно определить качество использованного в изготовлении сплава. Кроме основной маркировки на рельсе присутствует дополнительная, наносимая краской, информирующая об его особенностях, если таковые имеются.