Шоканов С. Ш., Самыратов С.Т., Кайнарбеков А.К.

г Алматы, Республика Казахстан

ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ И МЕХАНИЗМ ИЗНОСА РЕЛЬСОВ

Известно, что при контакте двух сопряженных поверхностей и их относительном перемещении в поверхностных слоях возникают механические и молекулярные взаимодействия, которые приводят к износу. И.В.Крагельский [1] связывает износ поверхности с нагрузкой, видом трения, геометрическим очертанием микронеровностей и физическим свойством материала. Все виды изнашивания можно разделить на группы:

1) механическое изнашивание - результат механических взаимодействий материалов изделия;

2) абразивное изнашивание, при котором трущиеся поверхности разрушаются абразивными частицами за счет резания и царапания с отделением стружки;

3) усталостное изнашивание является следствием циклического воздействия на микровыступы трущихся поверхностей;

4) адгезионное изнашивание связано с возникновением в локальных зонах контакта поверхностей интенсивного (адгезионного) взаимодействия, силы которого превосходят прочность связей материала поверхностных слоев с основным материалом;

5) окислительное изнашивание происходит при наличии на поверхности трения защитных пленок, образовавшихся в результате взаимодействия материала с кислородом.

В практике очень редко элементы конструкций подвергаются какому-то одному виду изнашивания, однако, следует представлять, что износостойкость может преимущественно определяться каким-то одним видом изнашивания, доминирующим в конкретных условиях работы конструкций. В связи с этим представляют интерес данные по объяснению механизма различных видом изнашивания. Н.И. Карпущенко [2] отмечает, что 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, т.е. суммирующий действия отдельных факторов при многократном нагружении фрикционных связей, что приводит в итоге к отделению частиц износа.

Установлено [3], что под действием циклических нагрузок в металле происходят физические процессы, приводящие к ослаблению межатомных связей. Ослабление связей в кристаллической решетке вызывается повышением плотности дефектов кристаллического строения. Это приводит к возрастанию некоторых критериев статической прочности (предела текучести, микротвердости), что подтверждает наличие стадии механического упрочнения. Последующее постепенное снижение структурно-чувствительных свойств свидетельствует о зарождении и развитии субмикроскопических нарушений сплошности металла. Накопление субмикроскопических нарушений сплошности вызывает общее разрыхление кристаллической решетки, и разрушение некоторой части межатомных связей. Изменение некоторых физических свойств металла под действием циклического нагружения подтверждает справедливость, положений, лежащих в основе диаграммы усталостного разрушения [4]. Исходя из молекулярно-механической природы трения и износа и с учетом условий эксплуатации рельсов в кривых участках пути основными факторами интенсивного изнашивания рельсов на сети дорог считаются: план и профиле пути, скорости движения, степень изношенности и состояние контактирующих поверхностей, химический состав и механические свойства рельсовой стали, осевые нагрузки, состояние ходовых частей подвижного состава, параметры рельсовой колеи, в частности ширина колеи, возвышение и подуклонка рельсов.

К числу факторов, определяющих износ, Г.М.Шахунянц относит: окружные усилия, передаваемые рельсу колесами подвижного состава, величину пропущенного тоннажа; нагрузку на колесо подвижного состава; профили колес и рельсов, определяющие их контактирования; план и профиль железнодорожного пути; подуклонку рельсов; качество металла [5]. На основании результатов исследования Л.П.Мелентьев приходит к выводу, что изношенный гребень колеса способствует интенсивному росту бокового износа рельсов. По мнению Л.П.Мелентьева [6] причиной одностороннего износа гребней колесной пары, способствующего быстрому боковому износу головки рельсов, являются перекосы осей в тележках вагонов.

Изучению причин бокового износа рельсов в кривых посвящена работа А.Ф.Золотарского [7]. На основании многолетних экспериментальных исследований он пришел к выводу, что износ рельсов на уклонах больше чем на площадках и подтвердил также, что износостойкость рельсов зависит от процентного содержания углерода, величины временного сопротивления на разрыв и твердости рельсовой стали. Н.И.Карпущенко [2] также отмечает, что увеличение твердости рельсов приводит к снижению интенсивности их износа. Многие исследователи отмечают большое влияние твердости рельсов на интенсивность их бокового износа.

Влияние возвышения на общий износ рельсов в кривых рассматривал П.Г.Козийчук [8], который пришел к выводу, что избыток возвышения оказывает благоприятное воздействие на условия работы наружной рельсовой нити. В работе О.Н.Усковой [9] также отмечено о необходимости некоторого избытка возвышения против расчетного. В.С.Лысюк [10] напротив, считает, что избыточное возвышение приводит к интенсивному боковому износу рельсов в кривых. Утверждение В.С.Лысюка о том, что в • последние годы произошло перераспределение износа с внутренней нити на наружную, спорно. Доля изъятия рельсов по дефекту 43 из-за перегруза внутренней нити сейчас, как и 20 лет назад, составляет 1,2-1,6% от общего количества дефектных рельсов, т.е. никакого избыточного возвышения на сети дорог не произошло. А вот изъятие по боковому износу (дефект- 44) за тот же период увеличилось с 2,2% до 24%, т.е. выросло почти в 12 раз.

Зависимости между интенсивным боковым износом рельсов в кривых и элементами плана и профиля пути, полученные по данным с контрольных участков Октябрьской железной дороги, приведены в работе [11]. Авторы отмечают положительное влияние смазки АРС-Т. Наблюдения и обработка статистических данных показали, что с увеличением уклонов число изымаемых из пути рельсов со сверхнормативным износом увеличивается. Боковой износ рельсов происходит интенсивнее при наличии неровностей пути в плане. Возвышение наружного рельса в кривых незначительно влияет на его боковой износ, однако, в сочетании с повышенным вертикальным износом внутреннего рельса перевозвышение в целом отрицательно сказывается к работе рельсов. Интенсивность бокового износа находится в квадратической зависимости от осевых нагрузок.

В работе [12] указывается, что с переходом на подшипники качения изменился узел сопряжения букс колесных пар с боковыми рамами тележки. В кривых участках пути повышается степень неравномерности нагружения рельсовых нитей, вызывая износ направляющих боковых рам буксового проема. Среди причин, вызвавших падение износостойкости колес, и рельсов названы следующие: завершение перешивки колеи на ширину 1520 мм, снижение в эксплуатации количества вагонов, работающих на подшипниках скольжения и уменьшение в связи с этим естественной смазки рельсов. Однако, подобные изменения были присущи железнодорожному транспорту на протяжении практически всей истории его развития и ни в отдельности» ни в совокупности не способны объяснить обвальное падение износостойкости колес и рельсов.

Решение проблемы по снижению интенсивности бокового износа можно разбить на три независимых направления:

1) улучшение качества металла рельсов;

2) изменение профиля рельса и колеса;

3) применение смазки боковых граней рельсов.

Установлено, что эксплуатационные качества рельсовой стали можно существенно улучшить за счет повышения металлургической чистоты, не увеличивая при этом ее стоимость. На стойкость рельсов против износа, пластических деформаций к контактно-усталостных повреждений в наибольшей степени влияют твердость и микроструктура стали. В современных первосортных рельсах уже достигнута максимальная твердость, однако, металлургическая чистота металла недостаточна из-за неметаллических включений.

Анализ зарубежных исследований показывает, что в Северной Америке компания Pennsylvania Steel Technologies (PST) освоила выпуск рельсов из высокопрочной стали, очищенной от примесей и обеспечивающей больший срок службы [13]. Основным отличием североамериканских рельсов является высокий уровень содержания серы (0,045%) благодаря чему в стали уменьшается вероятность образования водородных флокеноз. Японские фирмы изготовители, напротив, стремятся к минимальному содержанию серы, что позволяет получить рельсы с повышенной эксплуатационной стойкостью [14].

Однако, даже низкий процент серы 0,01-0,015% при отсутствии контроля за содержанием водорода может увеличивать вероятность образования водородных трещин. Исследования [15] показали, что чистота стали существенно влияет на эксплуатационную стойкость рельсов. Так, например, эксплуатационная стойкость рельсов из стали электрошлакового переплава повысилась в 1,5-2 раза [16].

Литература:

1. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение. 1968. 480с.

2. Комаров К.Л., Карпущенко Н.И. Износ рельсов и колес Подвижного состава. Новосибирск.: СГАПС, 1997.153с.

3. Иванова B.C., Гордиенко Л.К. О влиянии циклического нагружения за физические свойства металла // Прочность металлов при переменных нагрузках: Материалы третьего совещания по усталости металлов. М.: АН СССР, 1963. С. 23-37.

4. Гуляев АЛ. Металловедение. М.: Металлургия 1977: 647с.

5. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М.: Транспорт, 1987. 479с.

6. Мелентьев Л.П. Влияние дефектов подвижного состава на путь // Путь и путевое хозяйство. 1998. №11 С. 23-24.

7. Золотарский А.Ф. Износ и срок службы рельсов // Вопросы исследования работы рельсов: Сб. научн. тр. М.: Трансжелдориздат, 1946. С.4-87.

8. Козийчук П.Г. Износ рельсов в кривых в связи с возвышением наружного рельса и уширения колеи: Тр/Киев. ин-т инж. ж.д. трансп. 1934. Вып. 5. С.7-67.

9. Ускова О.Н. Работа в пути опытных рельсов М.: Трансжелдориздат, 1936. 240с.

10. В.С. Лысюк Причины и механизм схода колеса с рельса. Проблема износа колес и рельсов. М.: Транспорт, 1997. 188с.

11. Ермаков В.М., Войцеховская Н.В., Степанова Г.Е. Причины бокового износа рельсов // Путь и путевое хозяйство. 1997. №8. С. 2-4.

12. Грачева О.Л. Нагруженность рельсовых нитей кривых участков пути под воздействием грузовых вагонов// Скорости движения поездов в кривых: Сб.науч.тр. М: Транспорт. 1988.С.40-45.

13. Steele R.K., Stone D.H. Developments in Railroad Rail//Bull. ARE. A. 1986. Vol.87. №7. P.311-358.

14. J. Kramer. Railway Trak Structures. №7 p. 24-25.

15. Исследование неметаллических включений и газов в опытных рельсах при различных способах выплавки и раскисления стали. / И.И. Клещева, Г.М. Орлова, Р.А. Савельева и др. // Тр. ЦНИИ МПС. М.: Транспорт 1971. Вып. 434.С. 45-55.

16. Термически упрочненные рельсы под ред. А.Ф. Золотарского. М.: Транспорт. 1976. 264с.