РЕЛЬС

Область применения
Заявленная полезная модель относится к рельсам и может быть использована при укладке и ремонте рельсовых путей всех типов.
Предшествующий уровень техники
Известен, выбранный в качестве ближайшего аналога, рельс, включающий подошву, шейку и головку, на внешней поверхности которой (головки) нанесен антифрикционный слой, выполненный из антифрикционного состава, включающего смесь серпентинита и органического связующего (публикация RU 2111141, кл. МПК В61К 3/00, опубл. 20.05.1998 г.)
Недостатком указанного рельса является то, что в нем антифрикционный слой, нанесенный на поверхность головки, нарушается под воздействием неблагоприятных внешних факторов, как то: погодные условий (температурные перепады, температуры выше 40°С, температуры ниже -15°С, осадки, ветры), вибрации от проходящих железнодорожных составов, прохождение железнодорожных составов, в которых не предусмотрена система смазки рельсов.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом, который может быть получен в заявленной полезной модели, является создание рельса, который будет сохранять свои антифрикционные свойства в два раза дольше, чем рельс-аналог при воздействии неблагоприятных внешних факторов.
Технический результат достигается за счет введения в рельс новых конструктивных элементов и их взаимного расположения.
Более конкретно, заявленный технический результат достигается тем, что в рельсе, имеющем постоянный симметричный по длине профиль включающий подошву, головку и соединяющую их шейку, на внешней поверхности головки размещен антифрикционный слой, выполненный из антифрикционного состава, включающего смесь серпентинита и органического связующего, в головке выполнено множество глухих отверстий, диаметр которых относится к глубине как 1 к 5-12, а максимальное расстояние между упомянутыми отверстиями составляет десять диаметров, при этом упомянутые отверстия заполнены упомянутым антифрикционным защитным составом, кроме того, предпочтительно, что бы оси упомянутых отверстий расположены под углом к поверхности головки, составляющим 30°-45°.
Для улучшения механических свойств поверхностного слоя головки рельса в антифрикционный состав введены частицы двуокиси титана и оксида меди при следующем соотношении компонентов:
6
4
10
8
серпентинит Mg(SiO)(OH) - 40-60 мас.%;
2
двуокись титана ТiO - 1-4 мас.%;
оксид меди СuО - 1-4 мас.%;
3
2
7
олеиновая кислота СН(СН) СН -1-4 мас.%,
органическое связующее - остальное,
при этом частицы серпентинита, двуокиси титана и оксида меди имеют размер от 1 до 10 мкм.
Описание чертежей
Заявленная полезная модель поясняется при помощи чертежей, представленных на фиг.1-3.
На фиг.1 показан общий вид рельса, в соответствии с настоящей полезной моделью.
На фиг.2 показана часть головки рельса в разрезе с глухими отверстиями выполненными по нормали к поверхности головки.
На фиг.3 показана часть головки рельса в разрезе с глухими отверстиями выполненными под углом к поверхности головки.
При этом на фиг.1-3 приняты следующие обозначения:
- подошва 1 рельса,
- шейка 2 рельса,
- головка 3 рельса,
- антифрикционный слой 4,
- глухое отверстие 5,
- диаметр D глухого отверстия 5,
- глубина h глухого отверстия 5.
Осуществление полезной модели
Заявленный рельс, представленный на фиг.1, имеет постоянный симметричный по длине профиль включающий подошву 1, головку 3 и соединяющую их шейку 3. В качестве описанного в данной полезной модели рельса может быть рельс Р65 ГОСТ 8161-75 или любой другой аналогичный ему рельс. На внешней поверхности головки 3 рельса нанесен антифрикционный слой 4.
Антифрикционный слой 4 расположен на всей внешней поверхности рельса, для того, что бы рельс находился в контактном взаимодействии с бандажом колесной пары и гребнем упомянутого бандажа через посредство упомянутого антифрикционного слоя 4.
Кроме того, антифрикционный слой 4 является защитным слоем, защищающим рельс от коррозии при длительном хранении рельса без его эксплуатации.
Антифрикционный слой 4, как и антифрикционный слой ближайшего аналога, выполнен из антифрикционного состава и включает смесь серпентинита и органического связующего, в качестве которого могут быть использованы мазут, петролатум, смесь мазута и петролатума и другие органические связующие.
В головке 3 выполнено множество глухих отверстий 5. Так как твердые частицы антифрикционного состава, из которого выполнен антифрикционный слой 4, имеют размеры от 0,1 микрометра до несколько десятков микрометров, то целесообразно выполнять глухие отверстия 5 с диаметром D предпочтительно равным 100 мкм. При этом частицы антифрикционного состава, заполняющие указанные отверстия 5, должны плотно заполнять указанные отверстия 5, не покидать указанные отверстия 5 при длительном хранении рельса и постепенно покидать указанные отверстия 5 под воздействием давления и вибрации от проходящих по рельсу железнодорожных составов.
Для определения удовлетворяющих этим условиям размеров указанных отверстий 5, были взяты отрезки (образцы) рельса, в головках которых посредством лазерного сверления были выполнены глухие отверстия с различными диаметрами и глубинами. Затем глухие отверстия были заполнены антифрикционным составом без спрессовывания указанного состава в указанных отверстиях, а на поверхность головок был нанесен тот же антифрикционный состав. При этом было выявлено, что антифрикционный состав заполняет только часть глухих отверстий, расположенную у поверхности головки рельса, в глухих отверстиях у которых диаметр относится к глубине как 1 к менее чем 5. Поэтому образцы рельса с глухими отверстиями, у которых диаметр относится к глубине как 1 к менее чем 5, не подвергались дальнейшим исследованиям.
После чего образцы рельс с глухими отверстиями, у которых диаметр относится к глубине как 1 к более чем 5, подвергали испытаниям на вибрационном стенде при воздействии вибрации с частотой 50 Гц в течение 1 часа.
После указанных испытаний было обнаружено, что антифрикционный состав выпал из глухих отверстий, у которых диаметр относится к глубине как 1 к более чем 12.
Таким образом, для того, чтобы частицы антифрикционного состава плотно заполняли глухие отверстия, не покидая эти отверстия рельса под воздействием давления и вибрации от проходящих по рельсу железнодорожных составов, диаметр D глухих отверстий 5 должен относится к глубине h глухих отверстий 5 как 1 к 5-12. Оси глухих отверстий 5 могут быть расположены перпендикулярно внешней поверхности головки 3, однако предпочтительно, чтобы оси упомянутых отверстий 5 расположены под углом к поверхности головки 3, составляющим 30°-45°. Это связано с тем, что при давлении колесной пары железнодорожного вагона на рельс антифрикционный состав из глухих отверстий 5 выдавливается эффективней чем из глухих отверстий 5, оси которых перпендикулярнвы поверхности головки 3.
Кроме того, при воздействии вибрации было определено, что для равномерного распределения, выходящего из глухих отверстий 5 антифрикционного состава, по поверхности головки 3 рельса максимальное расстояние между упомянутыми отверстиями 5 должно составлять десять диаметров D.
Для подтверждения заявленного технического результата, были взяты отрезки (образцы) рельса, в головках которых посредством лазерного сверления были выполнены глухие отверстия 5, у которых диаметр D глухих отверстий 5 относится к глубине h глухих отверстий 5 как 1 к 5-12, а максимальное расстояние между упомянутыми отверстиями 5 составляет десять диаметров D. Затем глухие отверстия были заполнены антифрикционным составом без спрессовывания указанного состава в указанных отверстиях, а на поверхность головок был нанесен тот же антифрикционный состав. Для сравнения на такие же отрезки рельс (образцы для сравнения) без сверления глухих отверстий был нанесен тот же антифрикционный состав, что и на образцы с глухими отверстиями.
Все образцы были разделены на четыре группы, в которые входили как образцы с глухими отверстиями 5, так и образцы без глухих отверстий 5. На образцы первой группы оказывалось температурное воздействие имитирующее воздействие температуры выше 40°С и вибрацию от движения железнодорожного состава. На образцы второй группы оказывалось температурное воздействие имитирующее воздействие температуры ниже -15°С и вибрацию от движения железнодорожного состава. На образцы третьей группы оказывалось воздействие имитирующее воздействие ветра и вибрацию от движения железнодорожного состава. На образцы четвертой группы оказывалось воздействие имитирующее воздействие осадков и вибрацию от движения железнодорожного состава.
Все образцы первой группы были нагреты до температуры 50°С, после чего были подвержены вибрации на вибрационном стенде с частотой 50 Гц в течении 1 часа, после чего снова нагреты до температуры 50°С. Затем образцы были подвержены испытаниям на трибометре при одинаковых условиях, при нагрузочном давлении 60Н. При испытаниях было определено, что с образцов для сравнения, в которых не выполнено глухих отверстий, антифрикционный слой удалился через 4 минуты испытаний на трибометре. С образцов, в которых выполнены глухие отверстия 5 антифрикционный слой удалился через 20 минут испытаний на трибометре.
Все образцы второй группы были охлаждены до температуры -20°С, после чего были подвержены вибрации на вибрационном стенде с частотой 50 Гц в течении 1 часа, после чего снова охлаждены до температуры -20°С. Затем образцы были подвержены испытаниям на трибометре при одинаковых условиях, при нагрузочном давлении 60Н. При испытаниях было определено, что с образцов для сравнения, в которых не выполнено глухих отверстий, антифрикционный слой удалился через 2 минуты испытаний на трибометре. С образцов, в которых выполнены глухие отверстия 5 антифрикционный слой удалился через 10 минут испытаний на трибометре.
Все образцы третьей группы были подвержены обдуву воздухом в течении 2 часов при температуре 20°С, после чего были подвержены вибрации на вибрационном стенде с частотой 50 Гц в течении 1 часа. Затем образцы были подвержены испытаниям на трибометре при одинаковых условиях, при нагрузочном давлении 60Н. При испытаниях было определено, что с образцов для сравнения, в которых не выполнено глухих отверстий, антифрикционный слой удалился через 3 минуты испытаний на трибометре. С образцов, в которых выполнены глухие отверстия 5 антифрикционный слой удалился через 20 минут испытаний на трибометре.
Все образцы четвертой группы были погружены в водопроводную воду на 30 минут при температуре 18°С, после чего были подвержены вибрации на вибрационном стенде с частотой 50 Гц в течении 1 часа. Затем образцы были подвержены испытаниям на трибометре при одинаковых условиях, при нагрузочном давлении 60Н. При испытаниях было определено, что с образцов для сравнения, в которых не выполнено глухих отверстий, антифрикционный слой удалился через 4 минуты испытаний на трибометре. С образцов, в которых выполнены глухие отверстия 5 антифрикционный слой удалился через 25 минут испытаний на трибометре.
Таким образом, можно утверждать, что заявленный рельс сохраняет свои антифрикционные свойства при воздействии неблагоприятных внешних факторов, однако из глухих отверстий 5 со временем полностью удаляется антифрикционный состав. Оставшиеся пустые глухие отверстия 5 можно вновь заполнить антифрикционным составом, но в реальных условиях указанные отверстия 5, как правило, заполняются посторонними частицами и/или веществами (различными окислами, органическими соединениями и т.д.), которые уже невозможно удалить из указанных отверстий 5. Выполнение новых глухих отверстий 5 в головке 3 рельса приведет к снижению прочностных характеристик указанной головки 3. Для того, что бы указанного снижения не произошло, можно заменить рельс новым, но эта замена экономически не выгодна.
6
4
10
8
2
3
2
7
Для того, что бы срок службы заявленного рельса увеличился при многократном выполнении в нем глухих отверстий 5, в антифрикционный состав были введены частицы двуокиси титана и оксида меди, которые также как и частицы серпентинита имеют размер от 1 до 10 мкм, а также олеиновая кислота. При этом соотношение компонентов антифрикционного состава выглядит следующим образом: серпентинит Mg(SiO)(OH) - 40-60 мас.%, двуокись титана TiO - 1-4 мас.%, оксид меди СuО - 1-4 мас.%, олеиновая кислота СН(СН) СН - 1-4 мас.%, органическое связующее - остальное.
Олеиновая кислота создает на частицах серпентинита, двуокиси титана и оксида меди поверхностную пленку, препятствующую их слипанию в конгломераты. Частицы двуокиси титана служат для образования центров кристаллизации и регулирования роста зерен в глухих отверстиях 5, в результате реакции двуокиси титана с серпентинитом. Указанная реакция приводит к образованию в отверстиях 5 поликристаллической структуры кремнеземистой фазы. Частицы оксида меди внедряются в зону пластических деформаций в глухих отверстиях 5, увеличивая микротвердость и усталостную прочность стенок глухих отверстий 5 и, как следствие, всего поверхностного слоя головки 3. Происходит диффузное проникновение частиц оксида меди в кристаллическую решетку стенок глухих отверстий 5 и в образованную в глухих отверстиях 5 поликристаллическую структуру. При этом олеиновая кислота, частицы двуокиси титана и оксида меди не ухудшают антифрикционных свойств антифрикционного слоя 4. В результате одна часть антифрикционного состава из глухих отверстий 5 постепенно выдавливается, образуя антифрикционный слой, а другая часть постепенно заполняет глухие отверстия 5 поликристаллической структурой кремнеземистой фазы, что приводит к полному заполнению глухих отверстий 5 металлом с улучшенными свойствами. После полного износа антифрикционного слоя 4, рельс может быть демонтирован и в нем можно выполнить новые глухие отверстия 5 которые вновь будут заполнены антифрикционным составом. Затем рельс можно повторно использовать при строительстве железнодорожных путей.
Заявленный рельс работает следующим образом.
Антифрикционный состав наносят на всю поверхность головки 3 рельса, при этом указанный состав заполняет глухие отверстия 5, затекая в них (глухие отверстия 5), и одновременно образует антифрикционный слой 4. Затем рельс укладывают на шпалы при строительстве железнодорожных путей. При прохождении по рельсу железнодорожных составов антифрикционный слой 4 постепенно удаляется за счет трения колесных пар. Но одновременно антифрикционный состав выдавливается из глухих отверстий 5 под воздействием давления, оказываемого на головку 3 колесными парами железнодорожных составов, поддерживая наличие антифрикционного слоя 4. При этом неблагоприятные внешние факторы, такие как: погодные условий (температурные перепады, температуры выше 40°С, температуры ниже -15°С, осадки, ветры), вибрации от проходящих железнодорожных составов, прохождение железнодорожных составов, в которых не предусмотрена система смазки рельсов, отрицательно воздействуют на антифрикционный слой 4, ускоряя его износ, не воздействуют на антифрикционный состав заполняющий глухие отверстия 5.
Во время длительного хранения рельса антифрикционный слой 4 и антифрикционный состав, заполняющий глухие отверстия 5, выполняют защитные функции, защищая головку 3 рельса от окислительных реакций, которые могли бы протекать под воздействием неблагоприятных факторов окружающей среды.
Таким образом, за счет того, что в головке рельса выполнено множество глухих отверстий, диаметр которых относится к глубине как 1 к 5-12, а максимальное расстояние между упомянутыми отверстиями составляет десять диаметров, при этом упомянутые отверстия заполнены упомянутым антифрикционным защитным составом, а оси упомянутых отверстий могут быть расположены под углом к поверхности головки, составляющим 30°-45°, антифрикционные свойства рельса сохраняются более чем в два раза дольше при воздействии неблагоприятных внешних факторов.