Остаточные деформации металлических элементов стрелочных переводов и их эксплуатационный ресурс

• Анализ состояния основных частей стрелочных переводов при повышенных осевых нагрузках
• ПУТИ определения эксплуатационного ресурса стрелочных переводов при повышенных осевых нагрузках
• Список литературы

Износ основных частей переводов и его прогнозирование

По износу металлических частей стрелочных переводов на путях полигона выделяются кривой остряк, наружная нить переводной кривой, зона перекатыва­ния крестовины. Интенсивность как бокового, так и вертикального износа по сравнению с магистральными путями МПС заметно выше, особенно в период приработки новых элементов.

В 60-ых годах ВЕИИЖГ и проф.Г.МЛНахунянц [130] предложили для прогно­зирования износа элементов стрелочного перевода использовать формулу вида:

11=ал/Т+ЬТ (2.1), где Ъ — износ в мм, Т — наработка тоннажа в млн. т брутто. Она отражает процессы интенсивного смятия и наклёпа в период приработки к среднестатистическому колесу, особенно для принимающего удар элемента, и аб­разивного истирания упрочнённого слоя с приближением зависимости к линей­ной. При изучении износа крестовин доц.В.В.Рыбкин (ДИИТ) [43,102] предложил использовать зависимость Ь=СТ+А(1-е»^^т) (2.2), а бюро пути ЛИИЖТа пользова­лось выражением Ь=Т/(а+ЬТ) (2.3), коэффициенты которого определяются по ме­тоду наименьших квадратов путём обработки опытных значений И, Т. Другие ме­тодики — факторный анализ износа проф.Б.Э.Глюзберга [23], универсальное урав­нение Э.И.Даниленко [28], полиномы вида 11=аТ^п+… сложны для практического применения и требуют большой базы данных.

Для условий промышленного полигона с увеличенным допустимым верти­кальным износом металлических частей переводов [11_в]=12 мм, связанным с огра­ничением скорости до 50 км/ч, автор предлагает учесть при прогнозировании пе­риод постепенного хрупкого разрушения и расслоения перенаклёпанного слоя у поверхности. Этот процесс характеризуется ростом интенсивности износа за счёт появления и развития микротрещин, выщербин и выколов, что может быть отра­жено в виде дополнительного слагаемого: сТ².

Для создания прогнозных графиков износа по принятой зависимости от тоннажа проводилось 5-7 полевых замеров микрометром в стандартных сечениях относительно неизнашиваемой поверхности с помощью специальных рам- шаблонов. После пересчёта собственно в величины износа сеть точек через систе­му уравнений преобразована в линии Ь=£(Т). Использование в методе наименьших квадратов полных полиномов Ньютона, Лагранжа значительно усложнило бы за­дачу при сравнительно невысокой степени уточнения вида зависимостей. Как по­казали исследования проф.Г.М.Шахунянца [130], заранее предложенные формулы обеспечивают соответствие физическому смыслу явлений износа и инженерную точность расчёта. Показатели удельного износа и твёрдости металла могут ис­пользоваться как дополнительные.

Ввиду главной роли контактных напряжений и геометрических параметров соприкасающихся элементов допустимый износ при нагрузках 250-300 кН и ско­ростях 15-40 км/ч для переводов Р50 и Р65,1/9 и 1/11 составляет:

«сердечник ш усовик крестовины [Ь_в]=12 мм;

-остряк и рамный рельс стрелки [Ь_в]=8-10 мм; боковой |Ъб]=8 мм; приведён­ный Р1привЗ-12 мм.

Предложенные нормы обеспечивают отсутствие ударов гребня о части кон­струкции, уклоны неровности в продольном профиле менее 0,08 и непревышение допускаемых кромочных напряжений в остряковом и рамном рельсах на основа­нии динамических испытаний [47,50].

Перекатывание ксшес по новой крестовине происходит в сечении 20-25 мм, где образуется впадина, по глубине в 1,5-1,8 раз превышающая величину износа сердечника в сечении 40 мм. С ростом наработки тоннажа впадина расширяется, зона перекатывания смещается при приемущественно пошёрстном движении к сечениям 12-15 мм, при преобладании противошёрстного — к сечениям 30-40 мм.

Наблюдения за процессом износа переводов на линиях МПС, проводимые ЛИИЖТом с 1953 года, показали для крестовин и стрелок типа Р50 невысокое на­чальное смятие до 3,3 мм по сердечнику и 3,8 мм по усовику при пропущенном тоннаже 35 млн. т брутто, вертикальный износ рамных рельсов и остряков около 3 мм, а боковой износ рамных рельсов — I мм. При отсутствии подуклонки и за­калки имеют место наплывы по рабочей грани остряка до 4 мм [42].

При невысоких осевых нагрузках и установившемся процессе абразивного износа многие крестовины пропускают 100-120 млн. т брутто при величине верти­кального износа в зонах перекатывания 5-6,4 мм. Исследования к.т.н.Г В.Зоткина показали преобладание среди явлений износа процесса абразивного истирания:

в целом за весь срок службы по площади износа 80-85%- истирание, 10­15%- смятие, 0-5%- выкрашивание [37];

в то же время в первый период работы смятие составляет 13-25%, а во вто­рой только 7-10%.

Для представления процесса износа на обычных магистральных линиях МПС приведены зависимости рис.2.2а.

Результаты обследований свидетельствуют о большом влиянии ширины элементов в зоне перекатывания — при средней фактической наработке до отказа крестовины Р65 80 млн. т брутто износ сердечника в сечении 20 мм составляет 7,5 мм, в сечении 50 мм — 2,5 мм, а площадь износа достигает в среднем 300-350 мм². Аналогично и остряк в сечении 20 мм имеет вертикальный износ 1,5 мм уже при Т=30 млн. т брутто, а в сечении 50 мм только пропустив 40-45 млн. т брутто. У усовика за счёт повышенной жёсткости более распространено выкрашивание. Рамный рельс изнашивается в 2 раза медленнее остряка, так как имеет более бла- горпиятные условия контакта с колесом.

Большинство основных элементов стрелочных переводов на магистральных линиях выходят из строя по дефектам, которые, развиваются в основном на по­следней стадии эксплуатации — после пропуска 60-100 млн. т брутто. Тем не менее, многие крестовины прежде всего на приёмо-отправочных и прочих путях с мень­шими скоростями заменяются по износу и могут пропустить до 150 млн. т — после начального смятия 2 мм продолжается равномерный абразивный износ с интен­сивностью 0,2-0,3 мм на 10 млн. т брутто. При малых нагрузках 10-15 т/ось, что харак­терно для железных дорог ФИГ, средний срснс службы остряков составляет 260 млн. т, а крестовин из углеродистой стали при наплавке -400 млн. т брутто [132,151].

Д ля замедления износа на начальной стадии на заводах МПС производится однократное упрочнение крестовин взрывом и мехобработка, позволяющие уве­личить срок службы крестовин в 1,3 раза (рис2.2б) [87,125]. Эффективно исполь­зование высокомарганцовистой стали с добавкой хрома 1,25-1,6% — при этом снижение износа сердечника крестовины типа Р65 составило около 18% (рис2.2в) [38]. Распространена наплавка элементов крестовин, в основном в пути, позво­ляющая увеличить срок службы при первой процедуре на 42%, после второй на­плавки — на 30% при соблюдении технологии [33,135], в опытном порядке приме­няется науглероживание зоны перекатывания [58]. На графиках (рис2.2г) нет рез­кого подъёма при смятии, что связано с закалкой наплавляемого металла, заметно повышение износостойкости сердечника и усовика в 1,3-1,6 раз при наплавке в постоянном магнитном поле [74]. В работе доц.ВЛАнгелейко и В.С.Зиньковского [5] с учётом ограниченности экспериментального материала до­казана целесообразность использования типовых прокладок толщиной 6 мм, при­меняемых на железобетонных шпалах, для снижения износа крестовин (табл.2.4):

Исследования процесса износа металлических частей переводов при сред­них нагрузках от думпкаров 2ВС-105 256 кН/ось, скоростях 5-25 км/ч на метал­лургических заводах Украины [20] показали рост первоначального смятия, увели­чение в 1,4-1,6 раза износа кривого остряка. По формуле

при допус­каемом износе крестовины 12 мм наработка может составить 120-140 млн. т брут­то, для стрелки с Рг]=8 мм остряк пропустит до 95 млн. т, а рамный рельс до 165 млн. т брутто без учёта дефектов. Укладка стрелочных переводов типа Р65 вместо Р50 снижает интенсивность износа в среднем в 1,22 раза. Исследования процессов износа, проведённые на промышленном полигоне ПО «Апатит», где сочетаются повышенные осевые нагрузки и скорости движе­ния до 50 км/ч выявили две основные особенности — быстрое значительное первоначальное смятие и в дальнейшем раннее хрупкое разрушение перенаклёданного слоя. Для крестовин в сечениях сердечника 20- 40 мм при пропуске 20 млн. т брутто износ достигает 6,4-6,9 мм. В менее напряжённых сечениях усо- вика — от горла до сечения 10 мм измерения выявили начальное незначительное нарастание износа 1-2 мм с более пологим дальнейшим ростом, особенно по бо­ковому направлению со скоростями до 25 км/ч.

Величины износа крестовин промполигона после эксплуатации линии в те­чение 10 лет представлены в табл.2.5, а соответствующие зависимости износа от наработки тоннажа в том числе для наплавленных крестовин и для остряков — на рис.2.3-2.4.

В процессе исследований отмечено более быстрое нарастание износа сер­дечника при приемущественно противошёрстном движении, связанное с ударным характером взаимодействия, особенно в сечениях 10-30 мм, где смятие часто дос­тигает величины 6 мм уже при наработке около 10 млн. т брутто. В более широ­ком сечении 40 мм средний износ при этом составляет только 3,5 мм.Влияние ти­па крестовины на износ просматривается для сечений 30 — 40 мм, где для сердеч­ника крестовины Р65 менее заметно первоначальное смятие — до 3 мм при нара­ботке до 20 млн. т брутто, что на 30% меньше, чем у крестовин типа Р50.

В дальнейшем после пропуска 40 млн. т брутто указанные явления сглажи­ваются. При наработке 60 млн. т вертикальный износ сердечника составлял в среднем 7,4 мм в сечении 20 мм, 6,6 мм в сечении 30 мм при противошёрстном и 5,2 мм при пошёрстном движении. В условиях равномерного абразивного износа крестовины работают до пропуска 70-80 млн. т брутто, затем в связи с повышен­ными осевыми нагрузками резко возрастает интенсивность дефектообразования. В некоторых случаях, как и на магистральных путях, отмечены седловины в сечении сердечника 20 мм — небольшая динамика взаимодействия компенсируется увели­чением статической составляющей. Если сердечники крестовин как бы лежат на арке и могут упруго прогибать­ся вниз под колёсами, то усовики жёстко опираются на подошву и лафет. При от­сутствии боковой выкружки возможны контакт с колесом по ребру усовика и не­медленное местное смятие металла, однако напряжённо-деформированное со­стояние контактной зоны при наличии только одной боковой грани более благо­приятно.

Графики износа усовиков имеют аналогичный сердечнику характер на­против сечений 20-30 мм, идут ниже на 1-2 мм с плавным быстрым ростом до 3­5 мм за первые 20 млн. т брутто наработки. Наибольший износ в первый период отмечен в зоне перекатывания у сечения 20 мм . Далее, вследствие более сущест­венного смятия сердечника, зона максимального износа по усовику смещается к сечению 30 мм, где при наработке 60 млн. т вертикальный износ составляет для усовиков прямого направления 7 мм при пошёрстном и 5,9 мм при противошёр- стном движении, причём на каждые 10 млн. т брутто значение 11_в увеличивается на 0,5 мм, что в 2 раза больше, чем напротив сечения 20 мм. Полевые данные пока­зали наличие износа усовиков напротив сечения по сердечнику 40 мм при любых условиях, после пропуска 60 млн. т брутто вертикальный износ усовика не пре­вышает 3 мм, а далее он может достигать 6-8 мм, что связано видимо с удлинени­ем участка перекатывания при повышенных нагрузках и быстрым его смещением к более широкому сечению сердечника при приработке и смятии.

Усовики бокового направления, работающие при меньших динамических нагрузках, после наработки 20 млн. т имеют износ в сечении 20 мм только 2­3,5 мм. При пропуске 60-80 млн.т брутто износ усовика возрастает до 5,2-5,7 мм при пошёрстном и до 4,6 мм при противошёрстном движении.

Интенсивность износа в горле и в математическом центре крестовин на промполигоне не превышает 1 мм на 100 млн. т, каких-либо особенностей в его развитии на линии с повышенными нагрузками не выявлено.

В зоне перекатывания стрелки также имеет место первоначальное смятие 3­4 мм после пропуска 10-20 мин. т брутто с дальнейшей стабилизацией износа на уровне 0,1-0,3 мм/10 млн. т для вертикального и 0,5 мм/10 млн. т для бокового из­носа. Результаты измерения бокового износа прямого рамного рельса показывают, что при наработке 35 млн. т брутто значения его у острия остряков достигают 3­3,3 мм, в то же время на расстоянии 1м от острия только 1,5-1,9 мм, что связано со снижением боковой силы.

На обследуемой промышленной железной дороге наиболее изношенные кривые остряки имели в 1992 году, после пропуска 100 и более млн. т брутто, бо­ковой износ 6-9 мм на главных путях при допускаемом значении (Ъб]=8 мм. Шесть узлов «остряк- рамный рельс» были заменены. Более явно проявляется строжка рабочей грани на входе и выходе у кривых, особенно от сечения 50 мм кривого остряка по ходу движения. Повышенные нагрузки предопределяют увеличение центробежной силы. Показатели бокового износа по стрелке представлены в табл.2.6.

Вертикальный износ кривого остряка имеет наибольшие значения в зоне перекатывания — сечении 20 мм, и при наработке 20 млн. т брутто рост его стаби­лизируется. По сравнению с более равномерным износом при противошёрстном движении в случае пошёрстного за первые 5 млн. т величины Ь_в достигают 4 мм . При наработке 35 млн. т брутто величины вертикального износа по направлениям сближаются — 4,2 и 4,75 мм соответственно. В полном сечении износ медленно нарастает от 1,5-2 мм после начального смятия.

Для 25% сердечников крестовин, многих остряков, особенно кривых, ха­рактерны наплывы на боковых гранях 2-3 мм, являющиеся следствием смятия на узком сечении под воздействием повышенных осевых нагрузок.

Наиболее эффективными мероприятиями для замедления износа являются упрочнение контактной зоны в процессе изготовления, шлифовка при эксплуата­ции, своевременная наплавка. Вертикальный износ наплавленных до проектного уровня элементов вдёт быстрее, чем новых, при несоблюдении принятой техноло­гии ремонта крестовин в пути за период наработки 10-20 млн. т брутто он опять достигает значений 8-10 мм в основном за счёт хрупкого разрушения — выщербин, выколов. В 1992 году было обнаружено два случая глубоких выколов 10 — 12 мм на сердечнике, что может повлечь за собой с учётом высоких нагрузок развитие трещин на глубину, излом крестовины под поездом и требует первоочередной за­мены, ограничения скорости до 15 км/ч. В период общей наработки по главному пути линии 170-200 млн. т брутто за год резко, с 2 до 8 возросло число переводов с износом крестовин более 12 мм, требующих немедленной наплавки или смены.

Наплавке должны подвергаться крестовины без трещин в основном метал­ле, не достигшие стадии хрупкого разрушения, то есть пропустившие 50-60 млн. т брутто, имеющие по прогнозу износ сердечника в сечении 20 мм 7,4 мм, в сече­нии 30 мм — 6,4 мм и 40 мм — 4 мм. Необходимы также проведение работ в холод­ное время для предотвращения образования карбидов, использование электродов ЦНИИН, медленный отпуск металла и шлифовка элемента по профилю для устра­нения неровностей, являющихся местами зарождения выколов. Это позволит про­длить срок службы крестовин на 30-80 млн. т брутто [74,135].

В последнее время в экспериментальном порядке на магистральных линиях стала применяться технология науглероживания сердечников и усовиков кресто­вин в зоне перекатывания [58]. При большей роли износа на линиях МПС она даёт хорошие результаты, продляя срок службы крестовин на 20-30%. Однако при вы­соких осевых нагрузках места искусственных выщербин от электродов в наугле- роженной зоне могут стать концентраторами напряжений и ускорить развитие де­фектов, являющихся основной причиной выхода элементов из строя в условиях промышленной железной дороги.

Сравнивая зависимости износа от пропущенного тоннажа для линий МПС и промполигона, во втором случае выделяется значительное смятие в зонах перека­тывания и кривых, для набора прочности, соответствующей воспринимаемой на­грузке, требуется больший наклёп металла — по крестовине 4-6 мм против 2-4 мм на магистральных железных дорогах. В случае ударных воздействий на сердечник или усовик, центробежной силы на узких сечениях остряка при повышенных осе­вых нагрузках износ достигает указанных значений уже за первые 5-10 млн. т брутто, вызывая появление выщербин уже в первый период работы.

При установившемся абразивном износе наклёпанной поверхности его ин­тенсивность на линиях промтранспорта ненамного больше, чем по данным МПС, и составляет 0,4-0,6 мм /10 млн. т для зоны перекатывания крестовин и 0,1­0,2 мм/10млн. т для вертикального износа в зоне стрелки. Боковой износ кривого остряка интенсивен и при наработке тоннажа 50-60 млн. т брутто, достигая 0,8­1 мм/10 млн. т.

Стадия хрупкого разрушения начинается при нагрузках 250-290 кН рано — при наработке тоннажа 70-80 млн. т брутто для крестовин и 100 млн. т для кривых остряков. Тем не менее некоторые качественно изготовленные, уложенные и на­плавленные части перевода служат на промполигоне долго — отмечены 4 кресто­вины с наработкой 130 и более млн. т брутто.

Данные по сети МЧМ Украины [20], где скорости не превышают 5-25 км/ч и не отмечено резкого нарастания износа в рассматриваемых зонах, свидетельст­вуют о большом влиянии динамики приложения нагрузки.

Исходя из наблюдений за переводами и графиков износа, распределение долей физических процессов по площади износа в условиях промышленной же­лезной дороги отличается от данных по сети МПС [37]. Для неремонтированных крестовин: 45-60% — истирание; 30-45% — смятие; 10-30% — выкрашивание. При несоблюдении технологии наплавки доля выкрашивания, переходящего в вы- колы, может достигать 80%.

Для уменьшения интенсивности износа в условиях нагрузок 250-300 кН/ось следует применять изготавливаемые на заводах МПС крестовины с упрочнением поверхности взрывом, легированием хромом, а также использовать дополнитель­ный припуск на наклёп [25,38,69,87,114,125]. Увеличенная стоимость элементов компенсируется упрочнением головки в 2-2,5 раза, повышением общей ударной вязкости в 3 раза, что особенно важно в тяжелых условиях эксплуатации, так как резко уменьшает смятие — источник зарождения дефектов и способно продлить срок службы крестовин в 2 раза. Снизить динамическую силу и прежде всего смя­тие позволят также специальные резиновые прокладки толщиной 10-14 мм под крестовиной с наиболее эффективными шаровидными полостями шш с рифлением.

Необходимо осуществить проверку возможности местной лубрикации по­верхности катания крестовин в зоне перекатывания полутвёрдой нелипкой смаз­кой на основе сульфвда молибдена, что позволит при её достаточной стойкости в несколько раз снизить трение и касательные нагрузки, вызывающие появление микротрещин и выщербин. При ответвлении с главного на малодеятельные пути, использующиеся несколько раз в месяц и менее, возможно использование кресто­вин с непрерывной колеёй по главному пути и с устройствами качения гребня по жёлобу на ответвлении [12,131], срок службы которых будет в 2-3 раза больше обычных. Поскольку интервалы между поездами составляют по рассматриваемой линии в среднем 30 минут, за этот промежуток хозяйственный поезд безопасно проследует по переводу со скоростью 5 км/ч при уклоне поверхности жёлоба 0,01 и глубине 22-30 мм.

Машинная обработка информации по износу в зонах перекатывания

Анализ графиков износа с помощью математической статистики

С 1989 года Бюро пути ЛИИЖТа, в частности асп. В.СГанжин, проводило
работы по автоматизированному расчёту зависимостей износа элементов стрелочного перевода прежде всего от наработки тоннажа на основании полевых измерений и с использованием программы для ПЭВМ «Однофакторный регрессионный
анализ по 12 видам функций». Задавались 4-10 характерных точек, координаты
у=11 и х=Т которых использовались при аппроксимации с помощью 12 функций по
методу наименьших квадратов. В результате расчётов получены коэффициенты
формул а,Ь,с,§ и статистические характеристики для оценки погрешностей и
сравнения зависимостей в целом (прил.1):

8- среднеквадратическое отклонение расчётных значений износа урасч. от
фактических Уфагг., измеренных на полигоне;
е- ошибка аппроксимации в виде отношения расчётных величин к фактическим или наоборот в процентах;
к- коэффициент корреляции как корреляционное отношение момента — математического ожидания произведения разностей (хфакг. — Храсч.)(Уфжг. — Урасч.) к произведению средних квадратических отклонений х и у.
В результате подбора значений с наработкой тоннажа до 40-60 млн. т брутто
для характеристики наиболее показательного при повышенных осевых нагрузках периода смятия элементов получены расчёты зависимостей
бокового износа рамного рельса, кривого остряка, вертикального износа кривого
остряка , сердечника и усовиков крестовины и графики для принятой в Бюро
пути ЛИИЖТа формулы у=х/(а+Ьх) . Исследования на ЭВМ по 12 функциям
показали наилучшую аппроксимацию имеющихся опытных данных с помощью
формулы у=а+Ьх+сх^ (в 34 из 94 расчётов) , особенно для стрелки. Зависимости
вида у=а+Ьх+сх^+§х^ (лучшие показатели для 16 расчётных схем), у=а+Ь/х (для 15
схем) и у=х/(а+Ьх) (для 14) также применимы , особенно для крестовины . Сводная таблица наилучшей корреляции опытных данных по сечениям с 12 расчётными формулами по показателям 8,е,к представлена ниже:

в результате анализа наилучшей по данным регрессионного анализа функции у=а+Ьх+сх^ выявляется искажение процессов износа на первой стадии ввиду наличия начального слагаемого а вместо характерного быстрого роста смятия по перевёрнутой параболе. Аналогичные недостатки имеют и другие формулы: y=a+bx+cx^+gx^; у=ах/Ь. Подобные зависимости проф.Г.М.Шахунянца [130] графики с более быстрым первоначальным нарастанием ординаты и медленным равномерным её увеличением во второй период могут быть получены при использовании формул у=а+Ь/х; у=х/(а+Ьх) и у=а+Ь*1|1(х). Из них только вторая свободна от погрешности в начале графика, показывает хорошую корреляцию с опытными данными в большинстве случаев: 8<1,35 е<44,4% к>0,47. Данные по программе регрессионного анализа для функции у=х/(а+Ьх) представлены в табл.2.8.

Получение зависимости H=f(T) по данным полевых измерений

При разработке, укладке и эксплуатации обычных и новых стрелочных пе­реводов часто возникают проблемы уточнения сроков службы применительно к конкретным условиям движения. В течение последних лет для магистральных до­рог использовалась формула проф.Г.М.Шахунянца (2.1) с определёнными в 1955-85 годы по измеренному на пути износу коэффициентами. Традиционный способ да­вал удовлетворительную картину для начального периода развития износа, однако разнообразие условий на железных дорогах РФ и необходимость максимального использования ресурсов работы элементов требуют, во-первых, уточнения зави­симостей износа при наработке тоннажа более 80 млн т брутто, во-вторых, автома­тизации процессов обработки полевых и первичных дискретных данных по износу.

Для решения этих вопросов автором на языке программирования «Пас­каль» разработан комплекс программ (прил.2), которые позволяют по результатам обмера элементов сразу получить данные по износу с учётом наработки, обрабо­тать их по пяти предлагаемым формулам и по их коэффициентам определить таб­лицы и графики для прогнозирования. Автоматизированный способ расчёта при­менялся только для крестовин типа общей отливки, но может быть адаптирован и к элементам стрелки, и к обычным рельсам.

Для расчёта относительно профиля новой крестовины необходимы данные О разнице между отметками точек в поперечных сечениях (табл.2.9):

Определение износа на основании полевых измерений возможно по трём методикам:

1. Сравнение с предыдущими данными при опоре на отсчёты по неизнаши- ваемым рельсовым усовикам. На первом этапе необходимо «горизонтирование» значений, измеренных по раме прибора, то есть определение величины отсчётов относительно положения плоскости рельсовых усовиков (рис.2.5).

Дополнительный износ с момента предыдущего измерения определяется как Ьдопл=#3(4) — #1 — #3(4)предш.изм. + #1предш.изм. (2.4) , а полный получается в результате суммирования дополнительного с предшествующим абсолютным зна­чением. 2. Расчёт относительно проектного (неизношенного) профиля. В ходе об­следований на промполигоне отмечено наличие по краю литой части усовиков у врезки неизношенной полосы даже при значительной наработке тоннажа. Это по­зволит не проводить предварительные промеры крестовин перед укладкой и изба­вит от погрешностей за счёт возможного относительного перемещения рельсовой и литой частей, в то же время в расчёте появляется некоторая погрешность изго­товления.

«Горизонтирование» осуществляется аналогично, а дополнительный износ
определяется как

Расчёт с использованием предыдущих данных только по изнашиваемой части. Аналогичен первому способу, но опорные точки, относительно которых считается износ, располагаются на лигой части у врезки. Есть опасность захвата износом и этой узкой полосы, но с другой стороны значения свободны от погреш­ностей изготовления и относительного перемещения литой части и рельсовых усовиков.

Предварительный учёт пропущенного тоннажа проводился путём сбора сведений на станциях о суточном количестве поездов и распределении их по пу­тям, на фабриках о весах вагонов и поступлении руды. Расчёт наработки тоннажа за рассматриваемый период % (дней) по любому направлению:

Программы расчёта износа и зависимостей его от тоннажа образуют ком­плекс для обработки данных обмера изнашиваемых элементов (прил.2). Первая программа позволяет создавать, изменять файлы данных микрометрического об­мера и вести расчёт полного и дополнительного износа, а также наработки тонна­жа с созданием массивов «износ — наработка». Вычисления могут идти по преды­дущим данным относительно рельсовых усовиков или с отсчётом от проектного поперечного профиля. В большинстве программ имеются сервисные возможности изменения данных в массивах. Следующие пять программ предназначены для математической обработки уже созданных файлов «износ — наработка» путём их аппроксимации по форму­лам:

При выполнении программ в результате были вычислены коэффициенты и таблицы зависимостей. Возможно дополнение и изменение массивов зависимостей

По четвёртой программе производится раздельный расчёт износа для периода преобладания смятия по параболе до 20 млн. т наработки, результат которого учитывается при определении дальнейшего абразивного износа в прямой зависимости от Т.

Четвёртая зависимость и пятая (2.7) формула предложены автором, так как
имеющиеся до сих пор функции ориентированы на постоянное замедление износа
во второй период , что не соответствует росту хрупкого разрушения при перенаклёпе металла. На главных путях многие крестовины имеют износ 6-12 мм с тенденцией к ускорению его роста за счёт выщербин, выколов, вызывающих в свою очередь дополнительного динамическую силу. Это учитывается в формуле слагаемых bТ^2. Первые три зависимости применимы на промполигоне до наработки 80-100 млн. т брутто.

Обобщающая аппроксимацию износа программа — WILL позволяет быстро получить табличные результаты и графики пяти зависимостей h=f(T) при извест­ных коэффициентах формул.

Данные микрометрического обмера представлены в прил.2: слева отсчёты в мм для сечений сердечника 20 и 40 мм, справа число гружёных и порожних поез­дов по прямому, затем по боковому направлениям, а рядом с отсчётами и количе­ством поездов — кодировки переводов. Отсчёты приведены относительно рельсо­вых усовиков, а для 1991-92 гг и по неизношенной полосе литой части.

Для каждого перевода сделан расчёт износа и пропущенного тоннажа по состоянию на 1989 и 1992 годы — полного с момента укладки и дополнительного за последний год. Первое число — износ, второе — наработка тоннажа. Отрицатель­ные значения связаны с перемещениями литой части относительно рельсовых усовиков или с проведением наплавки элементов. Распечатка графиков по программе WILL для предложенных формул h=T/(a+bT) с h-a+ЬТ, h=aVT+bT² показала хорошее соответствие наблюдаемым явлениям (смятие-истирание-вьпфашивание). Из 9 зависимостей имеются замеча­ния только к одной, в то же время, например, графики по формуле доц.В .В .Рыбкина для больших наработок по крестовине непригодны, так как имеют конечный уклон к ординате. Формула, использованная в работах Бюро пу­ти ЛИИЖТа — h=T/(a+bT), показала хорошие результаты в 14 из 18 случаев расчёта с начальным быстрым подъёмом h, тем не менее она предусматривает очень мед­ленный рост износа во второй период — менее 0,1 мм/10 млн. т брутто, не согла­сующийся с практикой. Формула проф. Г.М.Шахунянца показала хорошие резуль­таты для половины расчётных схем, в остальных случаях при наработках 60- 80 млн. т наблюдается перелом графиков. Некоторые результаты расчётов для преобладающих на главных путях однопутной линии промполигона крестовин ти­па Р50 приведены на с.49-51 (рис.2.6-8), другие представлены в прил 2.

Графики подтверждают большую интенсивность износа сердечника по сравнению с усовиками в первый период как в сечении 20 мм, так и в сечении 40 мм. За период пропуска первых 20 млн. т брутто износ возрастает до 5-7 мм, далее прогноз износа сердечника варьируется от 0,2-0,3 мм/10 млн. т по формулам Шахунянца и Бюро пути до 1 мм/10 млн. т брутто по формулам, предложенным автором. Износ усовиков в сечениях 10-30 мм имеет менее выраженный период начального смятия до 1-2,5-4,5 мм, в дальнейшем у сечения усовиков напротив 40 мм интенсивность износа редко более 0,1-0,3 мм/10 млн. т, а у сечения 20 мм по формулам проф.Шахунянца и автора она достигает 0,5-1 мм/10 млн. т брутто и подтверждается наблюдениями на промполигоне.

Усовик бокового направления в большинстве случаев изнашивается мед­леннее, смятие не превышает 2-2,5 мм. Для последних обследований прогноз даёт до 1 мм большие величины смятия и истирания. В сечении сердечника 40 мм, где нормируется износ, он не такой интенсивный, как в сечении 20 мм, где Ьв дости­гает 12 мм после пропуска 120-150 млн. т брутто. Исследования показали возможности сравнительно быстрого роста износа на промполигоне после наклёпа за счёт развития дефектов, а также подтвердили достаточную устойчивость наплавленного слоя наблюдаемых крестовин при со­блюдении технологии. Наплавку в комплексе с обязательной шлифовкой элемен­тов [33,64,87], применение легированных и упрочнённых крестовин, а также по­вышение упругости основания перевода за счёт профилированных резиновых прокладок можно рекомендовать для первоочередного применения на стрелочных переводах промышленных железных дорог. Дополнительно снизить интенсив­ность бокового износа переднего вылета рамного рельса и кривого остряка в ос­лабленных сечениях до 20 мм при скоростях до 15 км/ч по боковому направлению можно за счёт устройства контррельса у кривого рамного рельса до острия остряка.

В целом применение программ расчёта и анализа на вычислительной тех­нике подтвердило теоретические положения и наблюдения по процессам износа, а также позволило значительно сократить затраты труда, ускорить получение гото­вых прогнозных материалов.

Дефектность стрелочных переводов

Дефекты на магистральных путях и промтранспорте. Стрелочные пере­воды, особенно в последний период своей работы и в тяжёлых условиях, поража­ются дефектами, зависящими от качества металла, динамической силы и особен­ностей конструкции. Преобладание рельсов и переводов тяжёлых типов повышает до 70% долю контактно-усталостных дефектов, проявляющихся в виде выкраши­ваний головки, смятия, ускорения износа [66]. Так для опытных стрелочных пере­водов типа Р75 распространены дефекты по рис.ДС.13.2 , ДУ.13.2 , ДС.60.2 , тем не менее позволяющие пропускать по таким крестовинам до наплавки 90 млн. т брутто [120]. Выход крестовин по дефектам на магистральных путях составляет 45-50%, причём большая часть их изымается по выкрашиваниям и вы колам, связанным с браком литья (рис.ДС.10.1-2), механической обработки или с регулярным воздей­ствием касательных напряжений. Дефектообразование у крестовин происходит при пропуске 15-60 млн. т, причём по исследованиям ВНИИЖТа [70,110] с уменьшением ширины элемента интенсивность контактно-усталостных поврежде­ний возрастает в 1,7 раза. Интерес представляют графики зависимости дефектно­сти от износа на главных путях МПС :

По прямому направлению на главных путях МПС при высоких скоростях и динамике нагрузки у 80% снятых по дефектам стрелок износ элементов равен лишь половине допус­каемого [17]. Для кошррельсового узла также характерны свои дефекты -трещины и выколы части головки, смятие в виде седловины по ходовому рельсу, связанные со боковыми смещениями колёс на входе и с наведёнными колебаниями колёсной пары в зоне перекатывания. Седловина сама становится возбудителем ударов, на магистральных путях по дефекту рис.ДХ.44.2 рельсы могу выйти из стоя уже по­сле пропуска 45-50 млн. т брутто. Развитие седлообразных неровностей в зонах перекатывания, особенно к острию элементов, требует ограничения скорости гру­зовых поездов до 50-70 км/ч при износе в нормируемом сечении более 6 мм.

В высокомарганцовистой стали дефекты зарождаются в обезуглероженном слое на поверхности новой крестовины и в зоне перехода от наклёпанного слоя к рыхлому металлу, а для обычной закалённой рельсовой стали наиболее распро­странены дефекты в виде выкрашиваний, связанные со строчечными неметалличе­скими включениями в головке и с полосчатостью структуры металла при ликвации фосфора, которые при переменной нагрузке вызывают появление внутренних про­дольно-наклонных трещин, сплывов [53]. Касательные нагрузки провоцируют раз­витие микротрещин на поверхности и их распространение на глубину головки. Большее число дефектов отмечается при сбитом плане пути и на боковое направ­ление переводов, особенно по наружной нити кривой.

Для предупреждения образования дефектов при выплавке применяют рас­кисление рельсовой стали комплексными лигатурами КМТиКВдК, легирование Сг, Вг, непрерывную разливку, электрошлаковый переплав. При доводке проката пер­спективны варианты термоупрочнения с дифференцированным отжигом, а для вы­сокомарганцовистых аустенитных сталей крестовин — холодильники. При эксплуа­тации на путях МПС рекомендовано применение утолщённых резиновых про­кладок, особенно возле стыков. Для удаления контактной зоны ог рабочей боковой грани возможна «упругая подуклонка» с утолщением резиновых прокладок к внут­реннему краю на 3,5 мм [136]. Значительную долю динамической нагрузки можно было бы компенсировать при укладке облегчённой крестовины [129].

Приведённый обзор показывает актуальность борьбы с дефектностью на ма­гистральных линиях, современные научно-практические достижения позволяют в связи с этим повысить стойкость элементов стрелочных переводов в 1,5-2 раза. Согласно новым исследованиям ВНИИЖТа 40% дефектов крестовин составляют выколы по рис.ДС и ДУ.13.2, ДС и ДУ.14.2, что связано с высокими скоростями и, соответственно, динамическими силами. Вероятность поражения крестовин кон­тактно-усталостными дефектами напрямую зависит от уклона траектории по ним и от износа: р(к-_у._Деф.)=0,023ь0,0253, р(к-_у._деф.)=0,096711-0,0802 [69,87,117]. Коли­чество дефектных крестовин, как и рельсов, зависит от пропущенного тоннажа, а форма этой зависимости для магистральных линий представлена на рис.2.10:

Обследования конструкций пути при повышенных осевых нагрузках, прово­дившиеся на металлургических заводах и ВЕИИЖТом на опытном кольце, показа­ли рост одиночного изъятия рельсов в 3,5-5 раз при увеличении статической на­грузки всего в 1,5 раза. На промтранспорте при скоростях 5-25 км/ч и повышении средней нагрузки на ось с 22 до 35 т происходит рост наплывов по боковым гра­ням с 2,2 до 3,6 мм, выкрашивания там же — в 2 раза, массовое увеличение смятия в стыках. Дополнительно появляются поперечные трещины и расслоение элемен­тов. В соединительных путях переводов доля контактно-усталостных дефектов по рис.11,21,17,30,40,41 составляет 2/3, с преобладанием на боковом направлении [44,49,101,139,141].

Исследования на опытном кольце со скоростями до 70 км/ч показали, что с повышением средних статических нагрузок от колесных пар с 205 до 250 кН стой­кость крестовин типа Р50 снизилась в 1,66 раза, некоторые пропустили до смены по дефектам менее 13 млн. т. У крестовин Р65 также ускорилось появление вы­крашивания и седловин на литой части, после пропуска 30 млн. т было изъято 64% крестовин [61].

Обследования, проведённые непосредственно на магистральных путях, по­казали, что при разрешённой в 1985 году нагрузке Рос =235 кН/ось и перегрузе че­тырёхосных полувагонов на 7-27% (240-260 кН/ось) на каждые 10 кН дополни­тельной нагрузки интенсивность дефектообразования увеличивается на 8-15% , особенно по дефектам рис.20,21,52,53. На направлениях регулярных перевозок рудных грузов, металла, стройматериалов этими вагонами число дефектных и ост­родефектных элементов увеличилось на 40-50% [116,134]. Для крестовин Р65 мар­ки 1/11 повышение средневзвешенной осевой нагрузки с 201 до 245 кН/ось приве­ло к снижению средней фактической наработке до отказа по дефектам с 82 до 38 млн. т брутто [61,117,121].

За рубежом, например в Австралии при использовании более мягкой стали, повышение осевой нагрузки до 30 т/ось (четырёхосные вагоны грузоподъёмностью 91 т) привело к быстрому неравномерному износу с потерей 15-38% площади го­ловки (дефекты 4 группы) [76]. Для борьбы с дефектами в подобных случаях в США налажена регулярная шлифовка и замена всех элементов пути, тем не менее при повышении Рос. на 18% до 25,75 т/ось выход рельсов и элементов переводов увеличился на 8% [55,56,64].

Дефекты на путях промышленного полигона ПО «Апатит». Дефектобра- зование на путях промышленного полигона характеризуется высокой интенсивно­стью и качественными особенностями. Наиболее распространены выколы и вы­крашивания у поверхности катания, смятие вследствие высоких контактных на­пряжений, перенаклёпа металла, плохого качества литья и несоблюдения техноло­гии наплавки, а также дефекты в виде пробоксовин из-за резких смещений колёс­ной пары.

Вследствие несовершенства конструкции, нехватки элементов и повышен­ной осевой нагрузки половина крестовин стрелочных переводов имела выкраши­вания и выколы по рис.ДУ. 12.2 на линии врезки у обоих частей усовиков, причём они появляются уже после пропуска 5-15 млн. т брутто. В первую очередь эти де­фекты появляются по неизнашиваемой рельсовой части, преобладают в переднем вылете, достигают глубины 1,5-8 мм , длины 100 мм.

Широко распространены дефекты по рис.ДС.14.2 и ДУ.14.2, появляющиеся при наработке 20-30 мм, а при плохом качестве литья и ранее. Располагаются эти выкрашивания на сердечнике от сечения 12 мм до 50 мм, на усовике — напротив 10-30 мм, возникая прежде всего на элементах , принимающих удар колёс гружё­ных вагонов. При перенаклёпе металла в зоне удара после пропуска 15-20 млн. т брутто появляются выщербины — «тёмные пятна» глубиной 0,1-0,5 мм, с увеличе­нием наработки до 50-70 млн. т они развиваются, достигая глубины 2-4 мм по сердечнику и 2-6 мм по усовику, и распространяются на соседние сечения.

На обследованных сердечниках часто встречаются и выкрашивания по рис.ДС. 13.2 , возникающие при разрушении наплывов по боковым граням. Наплы­вы до 3 мм вследствие повышенного смятия на промполигоне после пропуска 20­60 млн. т брутто и при отсутствии шлифовки боковых граней обламываются и пе­рерастают в дефекты глубиной 2-4 мм, шириной 6-17 мм. Аналогичные выкраши­вания на усовиках по рис.ДУ.132 наблюдаются редко, что связано с отсутствием здесь контакта непосредственно от выкружки колеса и со строжкой боковой грани литого усовика тыльной стороной гребня колеса при проходе по другому направлению.

При распространении наплавки как средства ремонта крестовин, из-за её не­качественного исполнения отмечены выколы наплавленного слоя по рис.ДС и ДУЛ 8.2 5-10 мм, не зависящие напрямую от пропущенного тоннажа, но возни­кающие часто уже после пропуска 10 млн. т брутто. В двух случаях глубина дости­гает 8-10 мм, длина 20-30 мм, что создаёт угрозу развитая дефекта по всей зоне наплавки и поперечного излома при динамической нагрузке. Для таких крестовин на железной дороге ПО «Апатит» потребовалось усиленное наблюдение до замены и ограничение скорости до 15 км/ч.

При наработке 60 млн. т брутто начинается более интенсивное разрушение наклёпанного слоя, выщербины по сердечнику имеют уже 65% крестовин. После пропуска 70 млн. т более половины усовиков крестовин будут иметь дефекты на поверхности катания, причём возможны и глубокие выколы 6-8 мм до наплавки. У усовиков бокового направления дефекты развиваются несколько медленнее, но развитие их такое же, как по прямому направлению. На усовиках в 1992 году при дефиците элементов выщербины отмечались у 30% стрелочных переводов. В среднем усовики более стойкие по дефектам и износу, чем сердечники, до оконча­тельного выхода их из строя крестовина способна пропустить 100 млн. т брутто.

В зоне стрелки преобладают дефекты по рис.ДР. 11.2, ДР.21.2, ДОЛ 1.2, ДО.14.2 и рис.17.1 в переднем стыке рамных рельсов. Выкрашивания рамных рельсов имели глубину 0,5-2,5 мм, выкол — до 4 мм. По остряковым рельсам вы­крашивание начинается после наработки 20-30 млн. т брутто, глубина его до конца строжки достигает 3-6 мм, длина -150-500 мм и даже более, создавая возможность вкатывания гребня колеса на остряк. От сечения остряка 20 мм к корню имеют ме­сто разрозненные выщербины по поверхности катания глубиной 0,5-1,5 мм. В 1992 году к концу периода прогнозируемой наработки переводов промполигона в це­лом 30% остряков имели на боковое направление сверхнормативный боковой из­нос 8 и более мм, распространяющийся на прилегающий передний вылет рамного рельса и в половине случаев — на наружную нить переводной кривой, соответст­вующий дефекту по рис.44.2.

Распространены также выщербины по внутренней нити переводной кривой по рис.11.2 , как результат отсутствия подуклонки, смятие, связанное с торможе­нием состава, седловины по рис.47.1 глубиной до 5 мм и дефекты у путевого рель­са напротив зоны перекатывания по рис.ДХ.44.2. В 1987-92 годах обследовались 33 стрелочных перевода, лежащих на главных и приёмо-отправочных путях с ре­гулярным обращением гружёных рудой вагонов. Статистика дефектности по ним представлена на рис.2.11 и в табл.2.10.

Оценивая динамику процесса, необходимо отметить постепенный рост де­фектности даже с учётом ремонта и замены элементов. По основным видам неуст­ранимых дефектов произошёл рост в 1,5 раза в 1988-89 годах и в 1,5-4 раза в 1991­92 годах. Для крестовин, где производилась наплавка, и остряковых рельсов, ко­торые шлифовались, число дефектных элементов в 1992 году оказалось на уровне предшествующих периодов или чуть больше. Меньше дефектов в целом оказалось на конечной станции Восточная, где меньше и скорости поездов. В среднем каж­дый перевод имеет выкрашивание по крестовине, выкрашивание по стрелке или на соединительных путях.

К моменту выработки ресурса переводами обследуемой линии были выяв­лены две остродефектные крестовины с глубиной выколов 8-10 мм, выщербины в 7 случаях достигли глубины 3-6 мм, резко, с 2 до 11, возросло число наплывов 2­3 мм по боковой грани сердечника. Обнаружены остряковый рельс с недопустимым выколом 400*15*2 мм в сечении 10-20 мм и ещё три остряка с меньшим выколом глубиной до 3 мм. Быстрому развитию дефектов и износа кроме нагрузок способ­ствует широкое распространение сверхнормативных повышений, понижений, не­прилеганий остряков, ведущих к смещению зоны перекативания от проектной. Увеличилось количество зон смятия , пробоксовин , седловин глубиной 3-5 мм, связанное с ускорением усталостных процессов при повышенных осевых нагрузках. Возросло число переводов с боковым износом наружной нити переводной кривой до 9 мм.

Анализируя качественную картину дефектности при повышенных осевых нагрузках, можно выделить постепенное укрупнение и углубление дефектов при переходе от истирания к хрупкому разрушению, особенно при наличии удара ко­леса в элемент. При большом износе с выколом перенаклёпанного или наплавлен­ного слоя 10-12 мм по крестовинам Р50, 1/9 необходимо ограничение скорости до 15-20 км/ч из условия снижения динамической составляющей пропорционально увеличению перелома траектории движения колеса [137].

Приведённые данные показывают недостаточную контактную прочность в узких сечениях стрелочных переводов по сравнению с рельсами, особенно при по­вышенных осевых нагрузках. По сравнению с магистральными путями на промпо- лигоне чаще и во всех местах встречаются выкрашивания, выколы и смятия, преобладают дефекты типа рис.11, а по крестовине — ДУ.12.2 и ДС,ДУ.14.2, свя­занные с повышенными динамическими силами от колеса, характерны следы про­буксовок тяжёлого подвижного состава — дефекты по рис.14. В то же время на промышленной железной дороге не было обнаружено дефектов контррельсов, шейки, подошвы элементов и трещин, требующих закрытия движения, в частно­сти, вследствие применения двухдырных вкладышей, предотвращающих разрыв болтов и стабилизирующих положение контррельса. Редко встречаются седловины в зоне выпрессовки острякового рельса по рис.ДО.41.2, а седловины в зонах пере­катывания не выражены ввиду невысоких скоростей движения. Не было обнару­жено расслоений металла и трещин, свидетельствующих о браке литья элементов стрелочных переводов. Таким образом актуальность проблемы дефектности с ростом осевых нагру­зок увеличивается. Решение её возможно, во-первых, за счёт дальнейшего улуч­шения прочностных свойств металла [143] путём легирования хромом, ванадием и дифференцированной закалки поверхности катания током высокой частоты, во- вторых, при уменьшении динамической силы с помощью упругих прокладок тол­щиной до 10-14 мм под элементами и лафетом крестовины [149], косых стыков по выраженному направлению движения, а в некоторых случаях — с помощью созда­ния непрерывности колеи по главному пути и качения гребня колеса по жёлобу или специальной накладке через рельс со скоростью 5 км/ч на малодеятель­ное направление [12,131], в-третьих, при перемещении проектных зон перекатывания в более широкие сечения в сочетании с подуклонкой обычных рельсов перевода и системой перекладки переводов до появления существен­ных дефектов. Из ремонтно-эксплуатационных мероприятий предпочтитель­ны наплавка дефектных остряков и рамных рельсов до достижения предель­ного износа с обязательной шлифовкой, обеспечивающая дополнительную наработку на путях МПС 50-60 млн. т брутто, проведение наплавки приему- щественно в холодное время года во избежание активного выделения карби­дов и отслоений [33,135], отжиг перенаклёпанной поверхности катания с мед­ленным отпуском для улучшения пластических свойств и закатки мелких выщербин.

Вариант использования упругих прокладок представлен на рис.2 Л 2, на фотографии рис.2.13 показаны характерные дефекты крестовин промполиго- на. Прокладки, уложенные на Приднепровской железной дороге, увеличили срок службы крестовин на 10% [42,60].

ПУТИ определения эксплуатационного ресурса стрелочных переводов при повышенных осевых нагрузках

Сроки службы элементов переводов

Срок службы стрелочных переводов определяется износом, дефектностью и общим состоянием стрелки, крестовины, перевода в целом. В условиях ограничен­ности материальных ресурсов важна проблема контактно-усталостных поврежде­ний поверхности катания элементов, проявляющихся прежде всего в виде выщер­бин. Выход стрелочных переводов по дефектности преобладает над выходом из строя по износу. Эксплуатационный ресурс зависит от качества стали, конструк­тивных характеристик элемента, условий эксплуатации (осевых нагрузок, грузона­пряжённости, скорости и направления движения, а также качества укладки, теку­щего содержания). Наиболее важными показателями являются данные по износу и дефектности в зонах перекатывания. Явления смятия, наклёпа и абразивного исти­рания происходят постепенно и могут достаточно точно прогнозироваться, трещи- нообразование, хрупкое разрушение — более случайные, часто приводящие к преж­девременному выходу элементов из строя.

Для повышения ответственности изготовителей совместно с техническими условиями приняты гарантийные сроки наработки элементов переводов при осе­вых нагрузках до 250 кН/ось (табл.2.11), определяющие период, в течение которо­го поставщик обязан возместить пропорционально оставшемуся тоннажу расходы по замене преждевременно вышедшего из строя элемента при соблюдении правил текущего содержания и ПТЭ. Не выдержавшими условий гарантии считаются эле­менты с возникшими изломами, трещинами, недопустимыми износом и выкраши­ваниями, расслоениями, заводскими раковинами, вмятинами и отступлениями от техдокументации [84].

Выход го строя брусьев, балластного слоя, расстройство прикрепителей обычно после 1-3 кратной смены стрелки и крестовины определяет выход всего стрелочного перевода. Минимальным фактическим сроком службы на переводе обладает крестовина, которая ремонтируется или меняется 2-3 раза до замены стрелки.

МПС устанавливает свои нормы эксплуатационного ресурса элементов, ос­нованные на данных служб пути о фактическом сроке с поправками на скорость V, осевую нагрузку Р и грузонапряжённость Г, но без учёта ремонта и перекладок. По нормам износа [30] типовая жёсткая крестовина на приёмоотправочных и прочих путях МПС может пропустить до 150 млн. т брутто. В то же время на грузонапря- жённых участках крестовины становятся дефектными при наработке 48-68 млн. т брутто и пропускают ещё 20-30 млн. т до замены, скоростная крестовина Р65,1/11 выходит из стоя по дефектам при 100 млн. т брутто [94,107]. Прогноз ресурса на главных путях должен строиться на данных по дефектности, на прочих путях — по смятию и абразивному истиранию . Для планирования потребности в стрелочных переводах и сроков их замены МПС на основе исследований ВНИЙЖТа установлены нормативные среднесете- вые сроки службы [83] для V=80 км/ч, Р=150 кН/ось, Г=40-60 млн. т брутто в год для Р50-Р65, отношения грузопотоков по направлениям 3:1, переработанные на Октябрьской железной дороге [82] с учётом сортировочных путей и упрочнения крестовин взрывом:

Фактически повышение нагрузки на 5-10% за счёт увеличения скорости или осевой нагрузки снижает на те же 5-10% эксплуатационный ресурс переводов при росте на 5% расходов рабочей силы на текущее содержание. В то же время 13-17% , а в отдельных случаях до 30% дефектных стрелок и крестовин вследствие недо­поставок стрелочной продукции продолжают лежать на путях МПС [20,100,121].

По современной технологии эксплуатации предусматривается 1-2 переклад­ки всего перевода, что в сочетании с ремонтом брусьев, очисткой и пополнением балласта позволяет повысить срок службы до 400-600 млн. т брутто [92]. Критерий необходимости перекладки — вертикальный износ рамных рельсов 4 и 8 мм для главных и приёмо-отправочных путей связан в частности с резким, в 5 и более раз увеличением выхода по дефектности рельсов стрелки и соединительных путей. Для крестовины целесообразна отдельная система перекладки, увязанная с на­плавками и заменой всего перевода.

Данные сети МПС показывают, что средние сроки службы типовых кресто­вин по главным путям составляют 78-81 млн. т брутто, больше — в пошёрстном направлении. Остряковые рельсы пропускают 180 млн. т брутто по боковому и 280 млн. т по прямому направлениям, рамные рельсы — 250 и 350 млн. т брутто со­ответственно. Крестовины с улучшенными профилями, припуском на наклёп, уп­рочнённые взрывом имеют в обычных условиях повышенную на 30-40% фактиче­скую наработку 120-150 млн. т [5,69], а конструкции ДИИТа пониженной металло­ёмкости для Р<180 кН/ось и V=80-120 км/ч — ресурс около 119 млн. т брутто.

Перспективно использование стрелочных переводов типа Р75 как вследствие увеличения среднего срока службы элементов в 1,1-1,3 раза, так и ремонтопригод­ности : при средней наработке до наплавки 82-98 млн. т окончательное изъятие крестовины происходит после пропуска 187-200 млн. т брутто [120]. Современные технологии изготовления углеродистой стали с продувкой аргоном, легированием ванадием, ремонта с напылением порошка на железных дорогах ФРГ повышают общий ресурс крестовин до 400 млн. т брутто [132,144]. В то же время применение железобетонных брусьев при увеличении стабильности перевода [146] показало в частности и снижение срока службы кривого остряка до 120 млн. т [57]. Для обычных рельсов перевода большое значение имеет закалка головки ТВЧ, по­вышающая их ресурс на 20-50%.

Исследования последствий повышения осевых нагрузок на магистральных путях, проведённые ВНИИЖТом и ДИИТом, показывают быстрое увеличение вы­хода элементов стрелочных переводов по дефектам — при росте Рос. с 11 до 17 т/ось их изъятие возрастает в 3 раза, при изменении Р^. с 7,5 до 20 т/ось средняя вели­чина наработки до отказа крестовины снижается на 40-50%, в 70% случаев это происходит по контактно-усталостным дефектам. Пропорционально величинам нагрузки возрастает начальное смятие — 3 мм при 13 т/ось, 6,5 мм при 34 т/ось в сечении сердечника 40 мм [20,43].

Испытания на экспериментальном кольце показали, что при дальнейшем росте осевой нагрузки до 23-25 т/ось при скоростях 60-80 км/ч наработка до отказа составляет только 38 млн. т брутто, что на 40 и 55% меньше, чем при Р=21 т/ось для типовых крестовин 1/11 Р50 и Р65 [61,121]. Повышение осевых нагрузок ещё на 2,5 т приводит к возрастанию контактно-усталостных дефектов в 1,8 раза.

Эксплуатация в США четырёхосных вагонов грузоподъёмностью 91 и ИЗ т вызывает возникновение сетки трещин и сплывов металла уже при наработке 23 и 9 млн. т, сокращая сроки службы элементов переводов по дефектам в 2-7 раз. В то же время своевременные наплавка и шлифовка увеличивают этот сокращённый ресурс элементов в 1,5-2 раза [36,55]. Пониженные скорости движения при высоких осевых нагрузках на пром- транспорте по данным д.т.н.ЭЛДаниленко [27,28] для ГОКов определяют экс­плуатационный ресурс крестовин Р65, 1/9 до наработки 90-100 млн. т брутто, а Р50,1/9 — до 60-100 млн. т. Сроки службы элементов переводов на путях металлур­гических заводов представлены в табл.2.13,2.14 :

С учётом в 2 раза большей длины главных путей и в 3 раза большего числа переводов для 114-14 на промполигоне наблюдается значительная одиночная за­мена элементов, свидетельствующая о тяжёлых условиях эксплуатации. По стрел­кам и брусьям имеет место превышение объёмов работ в 1,5 раза, по крестовинам- в 2, а по контррельсам и рубкам более чем в 3 раза. В то же время по смене пере­вода целиком выделяется дистанция пути МПС, что связано в данном случае с от­сутствием дефицита новых стрелочных переводов. Большой объём замены элементов по стрелкам типа Р50 связан с недоста­точной прочностью лёгкого типа ВСП для условий промполигона, с интенсивным движением на боковое направление по многим переводам, а также с ещё более вы­сокими нагрузками 260-270 кН/ось при неравномерной загрузке руды экскавато­ром. Учитывая повышенный выход и неоднократные замены всех рельсов, на пе­реводах при дополнительных колебаниях колёсных пар, отсутствии подуклонки и возвышения необходимо укладывать только термообработанные рельсы, особенно в переводной кривой. Сниженный ресурс промежуточных скреплений по разра­ботке костыльных отверстий 6,5-7 лет и вдавливание их в брусья требует исполь­зования на переводной кривой подкладок с повышенной площадью опирания.

Процесс выхода из строя можно проследить по графику для остряков 24 переводов участка Восточная-Рудная (рис.2.14), из которых к июлю 1992 года вы­работало свой ресурс 16 элементов (33%).

Ввиду разных сроков службы элементов эксплуатационный ресурс перевода в целом определяется состоянием переводных брусьев и балласта.

О выработке свидетельствует в частности наличие в 1992 году 8 одновременно уложен­ных крестовин с износом около 12 мм.

Сроки службы основных элементов стрелочных переводов на промышлен­ной железной дороге составляют :

С учётом одиночной смены крестовин, стрелок, дефектных крепёжных дета­лей общий срок службы переводов на линиях с повышенной осевой нагрузкой со­ставляет 200-220 млн. т брутто или 7 лет при грузонапряжённости 30 млн. т-км на км брутто в год [47,50,96,97]. Таким образом на однопутной линии промполигона требуется ежегодная на­плавка сердечников крестовин на главных путях и 1 раз в 2 года на приёмо- отправочных. Усовики можно было бы наплавлять в 2 раза реже. Через полгода после укладки новых крестовин и остряков целесообразна шлифовка боковых граТаким образом на однопутной линии промполигона требуется ежегодная на­плавка сердечников крестовин на главных путях и 1 раз в 2 года на приёмо- отправочных. Усовики можно было бы наплавлять в 2 раза реже. Через полгода после укладки новых крестовин и остряков целесообразна шлифовка боковых гра­ней, особенно при отсутствии заводского упрочнения.

Сравнивая сроки службы переводов промполигона и магистральной сети, не­обходимо отметить их существенное сокращение при повышенных осевых нагруз­ках, особенно для кривого остряка и прилегающего к нему рамного рельса — более чем в 2 раза. Резкое увеличение изъятия остряков происходит при наработке бОмлн. т брутто, а на линиях МПС только при 100-120млн. т. Остальные элементы имеют снижение ресурса на 40-70% без учёта ремонта. Подобное распределение связано с неблагоприятным влиянием боковых сил на контактные напряжения и с дополнительным проскальзыванием колёс, усиливающим абразивное истирание и трещинообразование на поверхности. В 2,5 раза снижается эксплуатационный ре­сурс переводных брусьев, на что влияют упругие отжимы до 12 мм по наружной нити бокового направления и переднему вылету рамного рельса, приводящие к растрескиванию брусьев, врезанию подкладки в древесину, разуклонке рельсов.

Снижение скоростей движения грузовых поездов на промполигоне до 40­50 км/ч позволяет по сравнению с У=70 км/ч на экспериментальном кольце увели­чить срок службы основных элементов переводов в 1,5 раза и обеспечить общую прочность конструкций [46,96,97]. Для продления эксплуатационного ресурса при дефиците элементов пер­спективна система перекладки как целиком переводов, так и отдельно крестовины, стрелки, совмещённая с ремонтом этих элементов и пути. В случае промышленных железных дорог с нагрузками 250-300 кН/ось для постепенности приработки, снятия обезуглероженного слоя под колёсами автор предлагает укладывать новые конст­рукции с дополнительным припуском на наклёп сначала ж 1-2 года на малодеятель­ные пути вместо склада. Затем подготовленные таким образом элементы могут служил» до достижения износа 6 мм на главных путях с перекладкой на прочие или на приёмоотправочных, сортировочных путях до предельного износа, выхода по дефектам. Предполагаемый срок службы переводов в таких условиях составит 300-350 млн. т брутто.

Предложенные бюро пути ЛИИЖТа меры по увеличению стабильности пе­реводов промполигона [50], уширение колеи на боковое направление и примене­ние клееболтовых стыков также обеспечивают увеличение срока службы элемен­тов на 50% , для кривой — на 70% , что подтверждается расчётом. Опираясь на предложенные статистические данные, возможно планировать потребность в сме­не, ремонте элементов и периодичность их осмотра [148].

Возможности определения ресурса основных частей перевода с учётом эксплуатационных факторов

Существующие нормативные сроки службы элементов стрелочных переводов (Ук№А-1450У) не ориентированы на эксплуатацию подвижного состава с нагруз­ками 250-300 кН/ось. Поскольку на сети МПС есть участки перевозок приемущественно рудных грузов, а большинство промышленных железных дорог характеризуется по­вышенной осевой нагрузкой представляется целесообразным дополнить таблицы коэффициентов [82,83] значениями для интервалов Рос.=240-270и270-300 кН/ось.

Данные для доработки норм взяты по материалам ВНИИЖТа на кольце и ЛИИЖТа на промполигоне, приближенных по скоростям к магистральной сети. Предлагаемые коэффициенты, полученные путём сопоставления и интерполяции сроков службы, грузонапряжённости с основными нормативными величинами, представлены в табл.2 .16-17, а на рис.2 .16 приведены графики зависимостей нормативной наработки от осевых нагрузок для основных элементов перевода.

Данный вид графиков даёт наглядную карпшу для прогнозирования ресур­са, не требует интерполяции, может быть составлен для нескольких уровней ско­рости конкретно по каждому типу элемента с учётом упрочнения, легирования и направления движения.

Зависимость эксплуатационного ресурса от осевой нагрузки определяется теоретически по контактно-усталостной долговечности:

Увеличение сроков службы элементов сдерживается в основном вследствие исчерпания основных резервов улучшения металла, конструкций обычных перево­дов и экономической ситуации в стране, не способствующей научно-практическим работам в этом направлении.

Список литературы

12. Березовский М.В. Соединения путей на предприятиях чёрной металлургии: Пособие.-М.:Металлургиздат, 1960.- 163 с.
13. Васильев В.М. К вопросу о контактных напряжениях в рельсах//Работа конструкций от воздействия эксплуатационных нагрузок: Сб. статей по вопр. пути и путевого хозяйства. Харьковский ин-т инж. ж.-д. трансп.- Харьков,1965.- Вып.81.- с. 9-12.
14. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Прогноз выхода рельсов по дефектам контактно-усталостного происхождения при изменении осевой нагрузки локомотивов и диаметра их колёс // Исследование взаимодействия пути и подвижного состава: Сб. науч. тр. Всесоюз. заочного ин-та инж. ж.-д. трансп.- М.,1974.- Вьш.67.- с. 7-9.
15. Взаимодействие пути и подвижного состава при высоких скоростях движения и повышенных осевых нагрузках // Сб. науч. тр. /ВНИИЖТ.-М.:Транспорт,1978.-Вып.592.- с. 106-114.
16. Власов В.И., Комолова Е.Ф., Асатуров А.А. Повышение эксплуатационной стойкости железнодорожных крестовин // Пути повышения работоспособности рельсов и крестовин:Сб. шауч. тр.
    ВНИИЖТа.- М.:ТранспортД971.- Вьш.434.- с. 41-45.
17. Волошко Ю.Д.,Орловский А.Н. Как работают стрелочные переводы под поездами. — М.:Транспорт,1987. — 120 с.
18. Вопросы пути и путевого хозяйства: Сб. науч. тр./ Белорусский ин-т инж. ж.-д. трансп.(БелИИЖТ). — Гомель:БелИИЖТ,1968. — Вьш.60.- с. 88.
19. Вопросы рельсовой проблемы промышленных железных дорог: Сб. науч. тр./ ПИИТ; Под ред. В.Ф.Яковлева.- Спб.: ПИИТ,1992.- 112 с.
20. Воробейчик Л.Я. Стрелочные переводы при повышенных осевых нагрузках // Путь и путевое хозяйство.-1990.- N 2.- с. 10.
21. Гаврилов В.М. Оценка контактно-усталостной долговечности рельсов при их взаимодействии с колёсами подвижного состава: Дне…канд. тех. наук: 05.22.06 и 01.02.03.- М.,1982.- 220 с.
22. Глюзберг Б.Э., Завалипшн СИ, Контактные напряжения в крестовине стрелочного перевода //Вестник ВНИИЖТа,- 1978,- N6.- е. 22.
23. Глюзберг Б.Э. Исследование геометрических параметров, динамики и напряжённого состояния крестовин стрелочных переводов: Автореф. дис….канд. тех. наук: 05.22.06.- Защищена 22.02.79.-М.,1979.-19 с.
24. Глюзберг Б.Э. Методы оптимизации основных элементов стрелочных переводов и их приложение к крестовинным узлам массовых конструкции. Дисс….д-ра тех. наук: 05.22.06; ВНИИЖТ.- М., 1989.
25. Громов В.В. Совершенствование теории проектирования соединений путей промышленного транспорта: Автореф. дисс….канд. тех. наук: 05.22.07; СПб,1994. — 55с.
26. Губкин СИ. Пластическая деформация металлов.- М.:Металлургиздат,1961.- 3 т.
27. Даниленко Э.И. Исследование работы цельнолитых крестовин под воздействием повышенных колёсных нагрузок: Автореф. дне…канд. тех. наук: 05.22.06.- Л.,1974.- 20 с.
28. Даниленко Э.И. Теоретические основы и практические методы расчёта прочности и износостойкости пересечений и соединений рельсовых путей промышленного транспорта. Дис…д-ра тех. наук: 05.22.06; ДИИТ.- Защищена 27.05.92 в ЛИИЖТе.- Днепропетровск, 1992.- 2 т.- Библиогр.: с. 528-545. Т.1 — 545 с. т.2(приложения) -163 с.
29. Динамические испытания стрелочных переводов при осевых нагрузках от вагонов 28-29 т / В.В.Рыбкин, Ю.Д.Волошко, А.С.Васильев, Л.Я.Воробейчик // Исследование взаимодействия пути и подвижного состава: Сб. науч. тр. ДИЖа. — Днепропетровск,
    1989.-ВЫП.268.-С. 33-37.
30. Дополнение к РТМ 32/ЦП-3-75. Классификация дефектов и повреждений элементов стрелочных переводов. Признаки дефектных и остродефектных элементов стрелочных переводов. — М.: Транспорт,1980. Дополнение к заданию по содержанию стрелочных переводов и глухих пересечений колеи 1520 мм / МПС СССР.- М.,1983.
31. Елсаков H.H. Конструкции стрелочных переводов на зарубежных железных дорогах: Экспресс-информация/ ЦНИИТЭИ. Ж.-д. трансп. за рубежом. Сер.4.- М.:ЦНИИТЭИ,1978.- N 4.-с. 10-15.
32. Емельянов Н.П., Горстко Л.Г., Путря H.H. Наплавка крестовин в пути // Путь и путевое хозяйство.- 1980.- N 8,9.
33. Желнин Г.Г. Повышение веса и скорости движения поездов по на боковой путь // Бюллетень ОСЖД.- 1988.- N 2(178).- с. 9-13.
34. Желнин Г.Г. Проблемы установления допускаемых скоростей движения подвижного состава на стрелочных переводах. Дис….д-ра тех. наук: 05.22.06. — Защищена в 1992 году во ВНИИЖТе. — М.,1992. — 378 с — Библиогр.: с. 349-378.
35. Зверев Н.Б. Будущее тяжеловесных перевозок (США): Экспресс-информация/ ЦНИИТЭИ. Ж.-д. трансп. за рубежом. Сер.4.- М.:ЦНИИТЭй,1990.-М9.-с. 1-6.
36. Зотвсин Г.В. Износ и срок слзжбы крестовин: Автореф. дис….канд. тех. наук. Спец. N 432.- Л.,1957.- 20 с.
37. Зоткин Г.В. Исследование износоустойчивости крестовин с добавкой хрома // Сб. статей по вопр. путевого хозяйства и прочности конструкций. Харьковский ин-т инж. ж.-д. трансп. — Харьков,1960.-Вьш.40.- с. 12-13.
38. Изучение износа и установление ресурса работы основных элементов стрелочных переводов в зависимости от условий экстшуатации: Отчёт о НИР (заключит.)/ ЛИИЖТ; путеводитель В.Ф.Яковлев.-Тема N 218 (Трансчермет); NFPOl860033672; Инв.Н 02890034506.-Л.,1988.- 153 с.
39. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути (ЦП-2913).- М.:Транспорт,1972.- 224 с.
40. Испытания пути под повышенной осевой нагрузкой (США)/Под ред. В.В.Космина//Ж.-д. трансп. за рубежом: Экспресс-информ. Сер.4. Путь и путевое хозяйство. Проектирование и стр-во.- 1993.-Вьш.3.- с.1-7.
41. Исследование взаимодействия пути и подвижного состава в пределах стрелочный: переводов: Сб. науч. тр./ Лен. ин-т инж. ж.-д. трансп.(ЛИИЖТ)-Л.:Трасжелдориздат,1962. -152 с.