Рельсы тормозят развитие ВСМ. Проблемы в паре «колесо-рельс» на сети РЖД делает невозможным скоростное железнодорожное движение в России

На сети РЖД годами бьются над проблемой износа в паре «колесо-рельс». О проблеме мы писали не раз. Однако годы идут, техника и технологии не стоят на месте, а колёса российских вагонов продолжают стираться о российские же рельсы вдвое интенсивнее, чем во всём остальном мире. Ключ к решению проблемы пытались найти многие, но в равной степени безуспешно. Одни предлагали использовать новейшие лубриканты, нанесённые на боковую поверхность головки рельса. На какое-то время это мирило рельс и гребень колеса, но стоило машинисту тяжеловеса поддать песку, как эффект исчезал. 

Позже компетентные службы пришли к выводу, что сети нужны более прочные рельсы. Такое заключение выдал в 2020 году Алексей Борц, заместитель директора научного центра «Рельсы, сварка, транспортное материаловедение» (ВНИИЖТ). И «Евраз» — главный поставщик рельсов для РЖД — кинулся отливать более прочные экземпляры.

Но ни эти, ни какие-либо другие новаторства не действуют, и проблема сохраняется: колёса выходят из строя критически быстро.

Если не с решением, то хотя бы с намёком на корень зла в редакцию Vgudok обратился Главный специалист Департамента локомотивного хозяйства МПС России в отставке Александр Сергеевич Кулабухов.* Он рассказал нам о своих научных изысканиях на описанную тему с Юрием Иосифовичем Милявским. В числе прочего специалисты пришли к выводу, что слишком мягкое по отношению к рельсу колесо делает невозможным высокоскоростное движение по российской колее, а значит и планы запустить в РФ ВСМ могут оказаться несовместимы с реальностью. Аргументы более чем убедительные.

Публикуем заключения господина Кулабухова о причинах износа колёс на сети РЖД с незначительными сокращениями, не повлиявшими на суть изложенного.

«В 1966 году по рекомендации ВНИИЖТ в практику железнодорожного транспорта были внедрены так называемые «объёмно-закалённые» рельсы. Это было сделано без предварительных эксплуатационных испытаний. Авторы предложения сотрудники ВНИИЖТа сочли почему-то невозможным проведение испытаний, о чём написал в 2003 году один из них. С 1979 года выпуск таких рельсов начал Кузнецкий металлургический комбинат, что ускорило оснащение железных дорог самыми твёрдыми в мире рельсами, превращая комфортный путь в «ледяную дорогу», и изменило соотношение твёрдостей бандажа и рельса в пользу рельса.

 

На слайдах 2, 3 и 4 соответственно показаны зона контакта «колесо-рельс», действие сил в зоне контакта «колесо-рельс» и распределение сил в контакте «колесо-рельс» при деформации рельса. Остановимся на слайде 4.

Эту картинку я запомнил ещё в мою бытность студентом МИИТа, когда слушал лекции по курсу «Тяга поездов и тяговые расчёты» у профессора А.М. Бабичкова. И до седых волос был уверен, что колесо обязано быть твёрже или равной твёрдости с рельсом.

Ведь для образования момента силы трения-качения рельсы должны быть более мягкими, чем колёса. Только при этом условии колесо будет занимать наиболее устойчивое положение на рельсе, так как площадка контакта при нормальной нагрузке представляет эллипсовидную ложбинку на рельсе до 3 мм глубиной при нагрузке примерно 23 т на ось, боковые грани которой создают сопротивление сдвигу колеса в поперечных направлениях.

В паре, где колесо мягче рельса, привело к снижению силы сцепления и устойчивости колёсных пар.

Это ухудшило тяговые возможности локомотива, так как нарушается основной закон локомотивной тяги Fт меньше или равно Fсц. 

Априори известно, что толкает вперед локомотив внешняя сила Fт, которая является реакцией от силы сцепления Fn. А для формирования этой силы необходимо образование контактной площадки между колесом и рельсом и, естественно, площадка трения образуется при условии, если колесо твёрже или равной твёрдости с рельсом. При этом сила тяги локомотивы Fт может быть только меньше или равной силы сцепления Fn.

Дополнительно к «объёмной закалке рельсов» по рекомендации ВНИИЖТ был изменён размер головки рельса R до 500мм в отличие от аналогичного размера в странах Европы, США, Канады и Японии которые равны соответственно 300мм, 254-350мм, 102мм и 300мм. 

По мнению Милявского, с которым я полностью согласен, указанное изменение привело к болтанию колёсной пары по рельсам и появлению нового для локомотивщиков вида отказа «подрезу гребня», хотя ранее основным видом отказа был «прокат», а у путейцев, соответственно, появился 44 дефект — «боковой износ». А какая же твёрдость колёс и рельсов на железных дорогах стран Европы и Америки?

На слайде 6 приведена выписка из статьи учёных ОмИИТа Александра Алексеевича Ражковского и Тамары Геннадьевны Буньковой, где показано соотношение твёрдостей колеса и рельса в Европе 1,1, то есть колесо на 10% твёрже рельса, а в России эта величина равна 0,86. Рельс на 14% твёрже колеса. Хотя в период с 1956 по 1980 год эта величина была равна 1,1, что соответствовало физическим законам тяги и сцепления. Авторы отмечают, ссылаясь на литературный источник, что лучшую износостойкость в трущейся паре проявляют металлы с примерно одинаковой твёрдостью.

СПРАВКА

К чему привело изменение соотношения твёрдостей локомотивного бандажа и рельса в пользу рельса и изменения профиля головки рельса с 300 мм на 500 мм:

- повышенному износу локомотивных бандажей и появлению нового дефекта — подрезу гребня;
- повышенному на 25% расходу электроэнергии и дизельного топлива при трогании с места состава и разгона его до скорости 30 км/ч; 
- появлению нового для путейцев 44 дефекта — боковому износу рельсов;
- необходимости корректировки формул основного сопротивления локомотивов и вагонов «правил тяговых расчётов», так как они были получены при соотношении твёрдостей колеса и рельса 1,06 в пользу колеса.

В феврале 2018 года Ю.И. Милявский докладывает свою презентацию на заседании НП ОПЖТ под председательством бывшего вице-президента — главного инженера ОАО «РЖД» В.А. Гапановича. На заседании его сообщение было принято к сведению и комитет поддержал предложение Ю.И. Милявского по организации испытаний на экспериментальном кольце ВНИИЖТа на горячекатаных и объёмно-закалённых рельсах на предмет сравнительного изучения качеств сцепления.

Текст его выступления у меня есть. Но самое главное — Комитет рекомендует разработать научно обоснованное соотношение твёрдостей в паре «колесо-рельс».

Но при обязательном соблюдении правила «Колесо твёрже рельса». 

И обращаю Ваше внимание: этот протокол и тезис о том, что колесо должно быть тверже рельса, утверждён бывшим вице-президентом — главным инженером ОАО «РЖД» В.А. Гапановичем, локомотивщиком, который по должности обязан знать и понимать эту проблему.

В десятом номере журнала Локомотив в октябре 2022 года опубликована статья В.А. Гапановича, в которой он отмечает вклад учёных СПбУПС д.т.н. Александра Алфеевича Воробьева, к.т.н. Александра Альбертовича Соболева и преподавателя  ОмИИТа Тамары Геннадьевны Буньковой, утверждающих, что отношение твёрдостей колеса и рельса должно быть на уровне 1.

И сообщает,  что исследованиями, проведёнными во ВНИИЖТе, установлено соотношение твёрдостей колеса и рельса на уровне 1,2 для равной износостойкости. Соотношение аналогичных твёрдостей в США — 1,1, а для стран Европы 1,2 в пользу колеса. И вроде в теории и международной практике всё понятно, что колесо обязано быть твёрже рельса, но в РЖД всё наоборот. И это иллюстрируют цифры последнего предложение этого слайда.

Здесь стоит отметить отзыв профессора физики прочности московского инженерно-физического института д.т.н., заслуженного деятеля наук Евгения Михайловича Морозова на работу Милявского. Он напоминает, что колесо на 20% должно превышать твёрдость рельса. В случае если колесо менее твёрдое, чем рельс, оно сминается, что приводит к повышению сопротивления движению и износу колеса.

Упомянем также академика РАН, заведующего лабораторией конструктивных сталей и сплавов института металлургии и металловедения им. Байкова РАН Олега Александровича Банных, который отмечает, в числе прочего, что, в отличие от железных дорог, в метрополитенах используют незакалённый рельс и проблем с износом колёс там не возникает.

К чему привело внедрение закалённых рельсов? К катастрофическому износу и колёс, и рельсов.

Из таблицы видно, насколько он увеличился за годы эксплуатации таких рельсов и продолжает увеличиваться дальше, что потребует строительства всё новых заводов по их изготовлению.

Это также спровоцировало появление нового дефекта износа, которого, как видно из таблицы, ранее никогда не было. Это дефект №44 — боковой износ, а у локомотивщиков «подрез гребня», хотя ранее основным дефектом колёсной пары был прокат. Ухудшилась ситуация с безопасностью движения. В частности, увеличилось количество сходов порожних вагонов.

Кроме того, закалённый рельс тормозит скоростное движение. Ведь ни «Сапсан», ни «Ласточка», ни другие поезда, которые должны быть скоростными, не идут с заявленной скоростью.

«Сапсан» идёт со средней скоростью всего лишь 162–185 км/ч!

Дело в том, что на объёмно-закалённых рельсах, когда их твёрдость выше твёрдости колеса, снижается сила сцепления. И для ее восстановления применяется песок, который, помимо запесочивания балласта, повышения износа колес и рельсов, «сажает поезд на песок», повышая тем самым сопротивление движению, увеличивая силу тяги локомотива, что проводит к  повышенному расходу электроэнергии и дизельного топлива.

Предложения Ю.И. Милявского для снижения износа рельсов и колёсных пар на сети железных дорог

Нормальное сцепление в паре «колесо-рельс» невозможно без применения специальных средств борьбы с боксованием, а эту пару реально рассматривать только вместе при условии, если колесо твёрже рельса, а не наоборот. Именно тогда образуется «ложбинка» контакта, которая обеспечивает сцепление — главное условие тяги локомотива. На «объёмно-закалённых» рельсах она практически не образуется, а если и образуется, то очень неглубокая, недостаточная для обеспечения силы сцепления и устойчивого положения колеса на рельсе.

В 2007 году по разрешению вице-президента ОАО «РЖД» В.А. Гапановича Ю.И. Милявским во ВНИИЖТе были проведены эксплуатационные испытания по определению сопротивления движению на горячекатаных и закалённых рельсах с целью изучения влияния закаливания на тяговые свойства локомотивов. Испытания на Московской дороге показали, что сила тяги, необходимая для трогания с места локомотива и ускорения движения поезда до скорости 30 км/ч с составом весом от 1006 т до 4588 т по «объёмно-закалённым» рельсам, должна быть на 25% выше, чем на горячекатаных рельсах.

Эти результаты не были приняты к сведению и исследования больше не проводились. Увеличение износа, в том числе и бокового, объясняются неустойчивым положением колеса на рельсе и возникающим вследствие этого вилянием из-за изменения радиуса головки рельса с 300 мм на 500 мм.

Закаливание рельсов явилось научной и технологической ошибкой.

Ежегодные потери от внедрения «объёмно-закалённых» рельсов составляют более 60 млрд руб., с учётом потери скоростей — 100 млрд руб.

В связи с этим необходимо:

- рекомендовать ОАО «РЖД» отказаться от «объёмно-закалённых» рельсов;
- разработать технические условия на производство колёс и рельсов, соотношение твёрдостей которых обеспечивает контакт, отвечающий физическим законам трения-качения;
- при строительстве моста через Керченский пролив использовать только
горячекатаные рельсы типа Р-50;
- заменить тормозные неметаллические колодки на чугунные с содержанием фосфора 1%, в перспективе с увеличением до 3%;
- вернуться к ширине колеи 1524 мм и изменить радиус головки рельса R на 300 мм вместо 500 мм, как принято в мировой практике.

При корректировке этой презентации я получил из ВНИКТИ статью учёных ВНИИЖТа, которые ещё 25 лет назад зафиксировали повышенный износ бандажей локомотивов и рельсов в 80-х годах прошлого столетия и сделали вывод о недопустимости превышения твёрдости рельса над бандажом, который специалистами МПС не были приняты во внимание. А заслуга Ю.И. Милявского в том, что он все эти годы пытался донести эту истину до высшего руководства ж.д. транспорта, проводя испытания.

Ну а я дополнительно для себя дополнительно делаю ещё следующие выводы:

1. Применение так называемой системы «поосного регулирования силы тяги» на локомотивах, которая по существу является обычной схемой прекращения боксования колёсных пар локомотивов, является средством борьбы с высокой твёрдостью рельса и, соответственно, снижением силы сцепления в контакте «колесо-рельс». И я нигде не видел на зарубежных тепловозах с электрической передачей мощности переменно-постоянного тока схемы прекращения боксования с воздействием на снижение напряжения каждого тягового электродвигателя, так как на той инфраструктуре обеспечивается требуемое физическое соотношение твёрдостей бандажа и рельса.

2. Существующие эмпирические формулы для расчёта основного сопротивления движению локомотивов и вагонов, приведённые в «Правилах тяговых расчётов для поездной работы», нуждаются в уточнении, так как они были определены в 50-х годах прошлого века при соотношении твёрдостей бандажа и рельса 1,06 в пользу бандажа.

3. Бороться нужно не со следствиями, а с причинами явлений, учит нас наука. Поэтому ни поосное регулирование, ни модификаторы трения, ни лубрикация не решают проблему повышенного износа бандажей и рельсов. И только восстановление исторического соотношения твёрдостей бандажа и рельса в пользу бандажа, а также восстановление радиуса головки рельса 300 мм обеспечат решение этой задачи.

Фото из открытых источников

4. При существующем соотношении твёрдостей системы «колесо-рельс» получить оговоренный техническими условиями ресурс бандажа тепловозов 2ТЭ25КМ до среднего ремонта 1200 км пробега не представляется возможным. По данным ПКБ ЦТ, средний ресурс бандажа грузовых серий тепловозов составляет 365,3 тыс. км (из доклада представителя ПКБ ЦТ А.В. Зелюкина на заседании ОПЖТ 05.10.2022 года под председательством В.А. Гапановича).

И теперь мне понятно, почему тепловоз 2ТЭ25А с асинхронным тяговым приводом, у которого расчётная длительная тяга составляет 79.6 тс, не может вести состав массой 7100 тонн. Сегодня его норма на БАМе 5600 тонн, такая же, как и для тепловоза 2ТЭ25КМ с передачей переменно-постоянного тока с длительной тягой 66 тс. По моему мнению, причина в низком коэффициенте сцепления на объёмно-закалённых рельсах.

Довожу до сведения, что трёхсекционный тепловоз 3ТЭ25К2М с длительной тягой 99 тс. при проведении испытаний на участке Таксимо — Советская Гавань с поездом массой 7100 тонн только в одной точке на подъёме 18%, где обязательно будет применяться толкач, реализовал тягу 79 тс при отказе третьей секции толкача тепловоза 3ТЭ10МК».

Больше лёгкого чтива для тяжёлых будней ищите в нашем разделе LIGHT и в Telegram-канале @Vgudok

Александр Кулабухов, главный специалист Департамента локомотивного
хозяйства МПС России в отставке

*МНЕНИЕ АВТОРА МОЖЕТ НЕ СОВПАДАТЬ С ПОЗИЦИЕЙ РЕДАКЦИИ