Кто найдёт лекарство от изматывающего РЖД вируса? Рутинная задача — управлять износом в системе колесо-рельс: философский взгляд читателя vgudok.com

Есть такая проблема у «Российских железных дорог» — повышенный износ системы колесо-рельс. Статистически интенсивность уничтожения колёс и рельсов у нас вдвое превышает среднемировую величину. Искусственно взращённый нами во времена перестройки колёсно-рельсовый «вирус» ежегодно «съедает» более 1 млн тонн высококачественной стали. Корни проблемы были заложены ещё гением Джорджем Стефенсоном, который создал идеальную для того времени классическую двухточечную систему колесо-рельс с конусностью колёс 1/10 и подуклонкой рельсов 1/21.

Рельсы типа балки, которая могла воспринимать только направленную силу, изготавливались литьём из чугуна. Пара трения сталь-чугун препятствовала износу и была даже чересчур скользкой для тяги. После изобретения революционного рельса с плоской пятой Чарльзом Виньоль стало возможным устанавливать рельсы без подуклонки. Этот фактор ускорил строительство военных путей и упростил конструкцию стрелочного перевода.

Вплоть до конца прошлого века рельсы и колёса не упрочняли. Пар качественно очищал рельсы от потёков буксовой смазки. Колёса быстро прирабатывались к рельсам и находились в эксплуатации по 12–16 лет. Рельсы массово меняли после пропуска 250 млн тонн/км по прочностному ресурсу и ветхости шпал. При этом, как ни странно, на сырых не смазанных рельсах износ был относительно небольшим. В кривых малых радиусов рельсы с одной перекантовкой служили на сто процентов. Многие годы при низкой интенсивности движения на паровозной тяге такое положение дел всех устраивало.

В конце восьмидесятых прошлого века в СССР пришла «перестройка».

Эра паровой тяги прошла. Вместе со страной перестроилась и железная дорога. Для повышения ресурса рельсов и колёс стали применять типовой технологический процесс — упрочнение закаливанием. Слегка улучшили форму головки рельса, сделав её более выпуклой. В кривых малых радиусов вместо деревянных шпал с шириной колеи 1540 начали укладывать унифицированные железобетонные шпалы 1520.

Внедрили «инновационные» криволинейные профили катания на колёсах. Но что-то пошло не по теории. Износ в системе колесо-рельс взлетел. В панике, не разобравшись с источником проблемы и забыв про существование тормозной колодки, которая при торможении чудесным образом удаляет с поверхности колеса любое жировое загрязнение, к «улучшениям» добавили ещё один типовой технологический процесс — лубрикацию, смазывание боковой поверхности рельсов и гребней колёс. 

Для рельсов проблема ресурса стоит не так остро, как у цельнокатаных колёс.

Интенсивный боковой износ в современной действительности на наших дорогах при применении лубрикации, уширении колеи в кривых, правильном возвышении рельсов, удовлетворительном непогашенном ускорении сокращает ресурс объёмно закалённых и термоупрочнённых рельсов на 75–90%. И даже при таких показателях проблема ресурса рельсов, которые можно использовать и далее в щадящих условиях эксплуатации после полной выработки одной из боковин головки, стоит не так остро, как у цельнокатаных колёс, которые после износа повторно использовать не получается.

Как показали результаты испытаний рельса «последней надежды» типа ДК400ИК, дальнейшее повышение твёрдости, с целью снижения интенсивности износа, при тяжеловесном движении значительно повышает риск излома. Уж лучше интенсивный износ, чем внезапное разрушение рельса. Легирование металла на примере японских рельсов несколько увеличивает его износостойкость, но в то же время введение в сталь дорогостоящих добавок увеличивает стоимость изделия.

Перед российской наукой уже давно поставлен правительством главный ориентир — к 2030 году поднять жизненный цикл пути с 450 млн тонн/км до пропуска 2,5 млрд тонн/км. Проще только ориентир на колонизацию Марса. А пока жизненный цикл рельсов продлеваем дедовскими способами: повторным  использованием на малодеятельных дорогах, перекантовкой, переукладкой либо укладкой «на убой» в кривых уже частично использованных рельсов. Проверенные методы несколько продлевают ресурс, но не устраняют проблему.

Какой фактор наиболее сильно влияет на интенсивность износа в системе колесо-рельс?

Однозначного ответа на этот вопрос наука не даёт! Но есть наблюдения — при определённом расширении колеи, когда увеличивается боковой зазор между рельсом и гребнем, интенсивность износа имеет тенденцию к снижению.

Данное явление зафиксировали в метро при возврате в 1992 году к нормам старой колеи 1524 мм и в ОАО «РЖД» при замене унифицированных ж/б шпал 1520 на 1530 в кривых с радиусами менее 350 м. По мере приработки поверхности колёс к рельсам в СССР наблюдалось значительное снижение интенсивности износа. При этом за период приработки гребень утончался до 30 мм. Если вместо 33 мм сразу точили гребень на 30 мм, такого снижения износа не наблюдали.

Снижение зафиксировано и при уменьшении подуклонки наружного рельса, и повышении подуклонки внутреннего. Примером тому более ста лет на российских дорогах на внутренней нити в кривых малых радиусов рельс устанавливали с подуклонкой 1/12, а применение конформных профилей колёс совместно с подуклонкой рельсов 1/40 в Европе и Америке заметно повышает ресурс рельсов и колёс и в настоящее время.

В Европе заметили, что и ассиметричное шлифование рельсов имеет положительный эффект на ресурс. А вот общее уширение колеи без изменения зазора действует наоборот. Надо отметить, что на Сахалине при перешивке колеи с 1067 на 1520 прогнозируемо возросла интенсивность изнашивания системы колесо-рельс.

Есть и другие наблюдения, которые больше связаны с разделением трущихся поверхностей слоем смазки. Но, как показывает статистика, недостаточная лубрикация в открытой среде только слегка снижает интенсивность износа системы, а её избыток усиливает вероятность выкрашивания контактирующих поверхностей. Уж лучше прогнозируемый износ, чем внеплановая переточка колёс или замена рельса.

Что объединяет столь разнородные наблюдения?

Все эти изменения влияют на один фактор — на разность диаметров окружностей катания колёс колёсной пары по местам взаимодействия!  Повышение разницы диаметров улучшает вписываемость колёсных пар в кривых и снижает нагрузку в контакте трения. Данное явление можно визуально посмотреть на примере движения усечённого конуса вокруг мнимой вершины.

Чем больше разница диаметров оснований, тем меньше его высота и, соответственно, меньше описанный им радиус вращения. При переукладке колеи на Сахалине мы увеличили расстояние между основаниями, чем увеличили высоту мнимого конуса.

Негативное влияние на движение колёсных пар оказывает и тележка. Жёстко закреплённые колёсные пары движутся в кривых не перпендикулярно колее. Данное явление, причина  которому скольжение, повышает износ колёс в районе выкружки.

Как можно применить данный фактор на российских железных дорогах?

Сделать колею ещё шире в кривых не получится. Перевести дорогу на подуклонку 1/40 чрезвычайно дорого. Спроектировать рабочий конформный профиль для колёс при подуклонке рельсов 1/20 теоретически нереально. Для рельсов стрелочных переводов все профили получаются одноточечными с заграничными для металла контактными напряжениями.

Шлифовать рельсы очень дорого, да и нечем. А у науки какие предложения? Когда известные лекарства не дают эффекта, а порой «одно лечат, а другое калечат», стоит изобрести новый эликсир.

Возьмём всё самое лучшее и сформулируем требования к системе колесо-рельс для решения этой архисложной задачи:

- В прямых и пологих кривых должно остаться проверенное веками двухточечное взаимодействие.

- В кривых малых радиусов и на стрелочных переводах взаимодействие должно стать конформным.

- На дороге должен остаться только один профиль для ободьев колёс — с прямой поверхностью катания.

На российских железных дорогах надо реализовать всего три золотых требования и на сэкономленные средства можно лететь колонизировать красную планету. При этом взаимодействие в системе меняем рельсами, а не подсматриваем за соседями. В Европе и Америке, согласно наблюдениям, всё сделали правильно. Уменьшив подуклонку рельсов до 1/40, специалисты уменьшили период приработки колёс и контактные напряжения на рельсах стрелочных переводов.

Применив конформный профиль, период приработки убрали совсем. Наши перестроечные специалисты всё сделали наоборот. Упрочнив систему, выпучив рельс и внедрив смешанное взаимодействие, создали условия, при которых вагонные колёса из периода приработки (интенсивного износа) не выходят до полного износа гребней. Вместе с гребнями изнашивается в том же режиме и боковая поверхность рельсов.

Пожалуй, по профилю колёс надо дать отдельное пояснение.

В Правилах технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации упущено самое главное правило железнодорожного движения — указание по применению типового профиля катания колёс. До 1985 года этого и не требовалось, т.к. применялся один классический профиль. Сейчас на дороге массово применяют более пяти типов профилей. Каждый профиль оставляет на рельсе уникальный отличительный след.

Многим покажется, что это хорошо: рельс изнашивается во многих местах и должен служить дольше. Но на самом деле происходит наоборот — для каждого профиля уменьшение площадки контакта и увеличение контактных напряжений. Сложный процесс износа криволинейных конусных систем, движущихся по кривой с высокими контактными напряжениями, сопровождается на боковой поверхности рельсов изменением вектора скорости и высокими температурами в точке контакта. Даже без микроскопа видно, что боковая поверхность наших рельсов напоминает лунную поверхность. Одновременно с истиранием происходит отрыв приварившихся кусочков металла с поверхности.

При этом ассиметричный износ рельса профилями колёс, имеющими уклон больше нормативного, ещё и ухудшает характер взаимодействия другим колёсным парам, обточенным под нормативный профиль. Применение смешанного взаимодействия в системе колесо-рельс напоминает жизненную ситуацию с разрушением семейных отношений третьим лицом.   

Почему на колесах должна быть именно прямая поверхность катания? Попробуйте нарисовать без линейки две параллельные линии. Вот так и выглядит рельсовая колея в миниатюре. Рельсов, уложенных по линеечке, не бывает!

Особенно при звеньевом пути в кривых. Концы рельсов остаются прямыми. При движении колёсной пары по колее неровный рельс виляет относительно колеса.

Правда, путнику кажется, что виляет колёсная пара.

Колёсная пара, наоборот, из-за коничности колёс всегда стремится занять нейтральное устойчивое положение. Криволинейные поверхности катания ободьев колёс, имеющие большую эквивалентную конусность, при вилянии рельса получают больший импульс сил, который смещает колёсную пару по большей амплитуде. Иногда это приводит к плохим последствиям.

Исходя из требований к системе, сформулируем требования к рельсам для кривых малых радиусов.

- Рельсы для кривых малых радиусов согласовывать с используемым на дороге типовым рельсом.

- Поверхности катания на рельсах необходимо выполнить так, чтобы без дополнительного износа на приработку обеспечивалось сразу оптимальное взаимодействие с новым по изготовлению типовым профилем колёс, а их износ не ухудшал кинематику движения колёсных пар.

- Контакт колеса с рельсом наружной нити расположить максимально ближе к гребню.

- Контакт колеса с рельсом внутренней нити расположить максимально дальше от гребня.

- Рельсы наружной нити изготавливать из износостойкой легированной стали.

- Износостойкость рельсов усилить дифференциальным упрочнением.

Имея точные требования к рельсам и способу их установки, конструирование новых рельсов для кривых — это рутинная задача.

После замены рельсов в кривых малых радиусов и выполнения требований к системе интенсивность износа боковой поверхности рельсов и гребней сократится в несколько раз. Станет заметным и изменение в износе проката колёс. Типовой седловидный прокат разделится на две половины.

Разделение износа на две зоны создаст условие для управления процессом изнашивания системы колесо-рельс. Создаст условие положительного влияния на главный фактор движения колёсной пары — на разность диаметров окружностей катания колёс колёсной пары по местам взаимодействия!

P. S. А надо ли нам это? Убив «вирус», мы будем экономить более 1 млн тонн высококачественной стали в год, но при этом оставим без работы несколько тысяч наших людей, а компании без прогнозируемого дохода. Захотят ли они в ущерб себе делать правильные рельсы и обтачивать нужным профилем колёса?!

По способу управления износом системы колесо-рельс интересны мнения: собственников инфраструктур, операторов вагонов, производителей рельсов и колёс, а также философские рассуждения об этой проблеме независимых экспертов.

Транспортные новости российских мегаполисов и мировых столиц ищите в нашем разделе ГОРОД и в Telegram-канале @Vgudok

Игорь Пухов, специально для vgudok.com