Результаты исследований напряженного состояния рельсов и геометрии их поверхностей катания

ской эффективности системы тягового электроснабжения и электропотребления на нетяговые нужды / М. М. Никифоров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск. - 2010. - № 3. - С. 110 - 116.

7. Черемисин, В. Т. Основные направления реализации федерального закона № 261-ФЗ от 23.11.09 «Об энергосбережении...» в холдинге «Российские железные дороги» [Текст] / В. Т. Черемисин, М. М. Никифоров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 2. - С. 119 - 123.

8. Маслов, Г. П. Аэродинамические показатели токоприемников скоростного электрического подвижного состава [Текст] / Г. П. Маслов, М. А. Дятлова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 1. - С. 20 - 25.

9. Матяш, Ю. И. Моделирование процессов протекания жидкости в ультрафиолетовом стерилизаторе модернизированной системы водоснабжения пассажирского вагона [Текст] / Ю. И. Матяш, О. С. Томилова, В. В. Томилов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 2. - С. 16 - 21.

10. Пат. РФ на полезную модель № 88327, МКИ В 61 D 35/00. Устройство для обработки воды ультрафиолетовым излучением [Текст] / Ю. И. Матяш, О. С. Мотовилова. -№ 2009127016/22; Заявлено 14.07.2009; Опубл. 10.11.2009 // Открытия. Изобретения. - 2009. -№ 31. - 4 с.

УДК 625.143.3:624.024

В. В. Шилер

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВ И ГЕОМЕТРИИ ИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАТАНИЯ

Представлен анализ состояния геометрических параметров рельсовой колеи и внутренних напряжений металларелъсов. Предложены новые методы их измерения с повышенной точностью. Приведенырезулътаты измерения напряженного состояния рельсов после релъсошлифования. Выявлены серьезные недостатки в технологии шлифовки рельсов и контроля еерезультатов.

Как известно, при равномерном износе рельсы эксплуатируются в течение достаточно длительного времени, неравномерный износ приводит к быстрому выходу рельсов из строя. Согласно статистическим данным поездная нагрузка (по пропуску тоннажа), выдерживаемая рельсом в течение срока его службы до снятия с пути, варьируется от 100 млн до 2,5 млрд т брутто. Причинами такого широкого диапазона (25-кратный) ресурса рельсов, как правило, является неудовлетворительная динамика системы «подвижной состав - пути». Анализ показывает, что максимальные величины динамических добавок давления колеса на рельс, возникающие при движении подвижного состава, на 90 - 99 % создаются за счет волнообразного износа рельсов; за счет групповых неровностей на колесе - 1 - 4 %, от изолированных неровностей на колесе - 0,2 ^ 1,5 % [2]. Волнообразный износ на отдельных участках поражает до 50 % рельсов от общей протяженности рельсовых путей. По своей форме волнообразный износ разделяют на два характерных вида: короткие волны - от 0,03 до 0,08 м, отличающиеся наличием светлых горбов в чередовании с темными впадинами (рифли), и длинные неровности с волнами длиной от 0,2 до 2 м [1].

Целью представленной работы является определение уровня напряженного состояния рельса и поиск путей его снижения.

В ОмГУПСе разработан и изготовлен путеизмерительный комплекс, предназначенный для одновременной и с повышенной точностью регистрации восьми геометрических параметров рельсовой колеи [3]. Результаты измерений, полученные с помощью путеизмерительного комплекса, преобразованы в абсолютные значения координат поверхностей катания

54 ИЗВЕСТИ* Тра нссиба №203111)

рельсовых нитей. На рисунке 1 в аксонометрической проекции представлены траектории рельсовых нитей участка железнодорожного пути длиной 24 м со всеми видами геометрических неровностей.

Рисунок 1 -Траектории рельсовых нитей и колеи в трехмерном представлении

По результатам измерений рельсовой колеи выполнен статистический анализ и определены законы распределения амплитуды всех видов геометрических неровностей. За критерий согласия принято условие Пирсона р{х2) > 0,1 ^ 0,05. Установлено, что амплитуды волнообразного износа имеют логнормальный закон распределения, который формируется при действии большого числа взаимно независимых факторов [1, 4]. Для этого вида распределения случайный прирост амплитуды волны пропорционален уже достигнутому к этому моменту значению (т. е. интенсивность образования неровностей нарастает с увеличением их амплитуд). Все остальные виды неровностей имеют нормальный закон распределения амплитуды.

В частотной области спектры волнообразного износа получены через преобразование Фурье корреляционной функции. По рельсовым нитям спектры волнообразного износа отличаются как по количеству пиков, так и по амплитуде. Например, по результатам измерений конкретного участка спектр волнообразного износа для правой рельсовой нити имеет пять пиков на длине волн 2; 5; I; 0,3; 0,175; 0,125 м, для левой нити - три пика: 4; 1,25; 0,3 м.

Амплитуды пиков на спектре для правого рельса в два раза превышают уровень амплитуд пиков спектра на левом, кроме того, оба спектра относительно друг друга сдвинуты по частотной оси на 0,5 Гц. Такое распределение износа по рельсовым нитям обусловлено тем, что правая нить находится по уровню ниже левой и поэтому воспринимает более значительные по величине вертикальные и направляющие силы от колесных пар подвижного состава.

Статистический спектральный анализ имеет ряд недостатков. Так, в спектральном методе все формы траекторий усредняются за счет преобразования в гармонический ряд, который в спектральной плотности показывает распределение дисперсии амплитуд по частотам. Поэтому по спектральной плотности невозможно идентифицировать вид и протяженность групповых неровностей с различной длиной волн, установить форму траектории одиночной неровности, выполнить привязку к конкретному отрезку пути. В результате при использовании спектральной плотности теряется большая часть информации о состоянии поверхностей катания головки рельса, что существенно затрудняет установление причин образования любого вида износа поверхностей головки рельса.

Поэтому в дальнейших исследованиях по результатам регистрации неровностей рельсо-

ИЗВЕСТИЯ Транссиба 55

вой колеи наряду со спектральным анализом применяется анализ параметров и траектории каждой одиночной неровности. Анализ неровностей производился по следующим параметрам: длине волн и амплитуде неровностей, форме их траекторий, сочетанию неровностей с различной длиной волн. Для объективной оценки параметров одиночных или групповых геометрических неровностей предложен показатель, который в числовой форме характеризует неровность как коэффициент динамического фактора в системе «колесо - рельс». В качестве порогового критерия для оценки допустимых значений параметров неровностей волнообразного износа принято равенство %в.н = 1, а коэффициент пропорциональности определен для значений параметров неровности, которые для допустимых скоростей движения подвижного состава считаются предельными (а = 1,5 мм при I = 1,0 м). Коэффициент динамического фактора (хв.н) является безразмерной относительной величиной:

V = 6,66

/ъ в.н ' Ц2

где а - амплитуда неровности волнообразного износа, мм;

I - длина волны неровности волнообразного износа, м.

Приведенное выражение может быть использовано при условии безударного взаимодействия колеса и рельса, а его значения интерпретируются следующим образом: если %в.н >1, то силовое динамическое воздействие колеса на рельс, вызванное исследуемой неровностью, превышает допустимую величину. В противном случае (%в.н < 1) - динамическое воздействие от неровности находится в допустимых пределах.

В процессе эксплуатации существует несколько способов управления износом рельсов: шлифовка рельсов, лубрикация колес подвижного состава и рельсов, выбор скорости движения и настройка рессорного подвешивания подвижного состава [1]. Для поддержания требуемых очертаний поперечного профиля и продольной траектории поверхности катания головки рельсов применяют шлифование.

Цели шлифования следующие:

поддержание баланса между всеми механизмами изнашивания рельсов для предотвращения преждевременной их замены из-за накопления контактной усталости в поверхностном и подповерхностном слоях, улучшение вписывания экипажей и обеспечение их динамической устойчивости;

уменьшение уровня амплитуды неровностей на поверхности катания рельсов с целью недопущения роста динамических нагрузок и вибраций в пути.

Для шлифования рельсов на сети российских железных дорог и за рубежом применяются самоходные поезда с использованием вращающихся шлифовальных кругов, торцовые плоскости которых во время шлифовки прижимают к рельсу. Одновременно торцовые плоскости шлифовальных кругов, которые прижимают к поверхности катания рельса, задают положение щлифовальных кругов относительно рельса во время шлифовки. Диаметр шлифовального круга равен 0,25 м, и неровности с такой длиной волны отшлифовываются полностью при условии выполнения необходимого количества проходов рельсошлифовального поезда. Неровности с большей длиной волны не отшлифовываются, поскольку шлифовальный круг перемещается по их траектории.

Известно, что оставленные после шлифования волнообразные неровности величиной более 0,25 мм довольно быстро вновь начинают увеличиваться. Как показывает практика применения рельсошлифовальных поездов РШП-48 на магистральных участках «РЖД», шлифовка рельсов не дает ожидаемой эффективности в повышении ресурсов рельсов. Так, например, на Западно-Сибирской железной дороге ежегодно для своевременного удаления дефектов производится шлифование более 3200 км рельсов. Несмотря на выполняемые объемы шлифования количество рельсов с дефектами поверхности катания снизилось только на 10 %, а выход остродефектных рельсов по контактно-усталостным дефектам наоборот увеличился на 20 %. Например, опыт применения рельсошлифовальных поездов на зарубежных дорогах, в том числе в США, Германии, Канаде, Австралии, показывает, что периодической профильной шлифовкой рельсов можно повысить срок их службы в 1,5 - 2,0 раза.

56 ИЗВЕСТИ* Тра нссиба №203111)

Автор с целью выявления причин неэффективного применения технологии рельсо-шлифовки в условиях российских железных дорог с использованием путеизмерительного комплекса «Изген-3» выполнил измерения рельсовой колеи перед началом шлифовки и после ее завершения. На графике рисунка 2 показаны траектории продольных профилей поверхности катания головки рельса до шлифовки (кривая 1) и после нее в объеме четырех (кривая 2) и шести (кривая 3) проходов. Разность по высоте между траекториями поверхностей рельса (линии 1, 2 и 3) соответствует величине толщины снятого в процессе шлифовки рельсового металла. Анализ траекторий поверхности катания рельса до шлифовки показывает, что в зоне пути на отрезке пути между второй и третьей метровыми отметками имеется пробуксовина (дефект №14). На отрезке четвертой - шестой отметок присутствует длинная неровность с длиной волны, равной 2 м, и амплитудой 0,4 мм. В зоне стыковой неровности между десятой и одиннадцатой метровыми отметками сформировались короткие групповые неровности с длиной волн в интервале 0,06 -0,5 м.

При толщине отшлифованного металла толщиной в один миллиметр все параметры длинных неровностей на поверхности рельса остались без изменения. После шлифовки остается незначительная часть коротких неровностей, у которых динамический фактор %в.н увеличился по сравнению с исходным значением с 0,66 до 0,73. Эти оставшиеся короткие неровности и являются источником более интенсивного формирования новых коротких групповых неровностей.

Пробуксовина (см. рисунок 2, на отрезке 2 - 3 м дефект №14) до начала шлифовки имела коэффициент динамического фактора, равный 166000, а после шлифовки он уменьшился до 16. Несмотря на значительное снижение показателя динамического фактора его значение остается высоким и является мощным источником возмущения колебаний в системе «колесо -рельс», которые в процессе эксплуатации приведут к интенсивному образованию новых групповых неровностей в ее окрестности.

Анализ уровня концентраций напряжений (ВПТ) в поверхностном слое металла головки рельса был произведен в зоне пробуксовины (дефект № 14) с использованием прибора ИКН-ЗМ-12. Усредненные результаты измерений концентрации напряженности приведены на графике рисунка 3. Так, по результатам измерений, выполненных до шлифовки и после нее, зафиксировано двукратное увеличение амплитуды пиков внутренних напряжений (Нр) как в положительной, так и в отрицательной зонах. Таким образом, шлифование рельсов не устраняет общего уровня концентраторов напряжений в металле рельса, а наоборот приводит к дополнительному его увеличению. Эти результаты подтверждают данные статистики, представленные выше, об изъятии рельсов из эксплуатации по контактно-усталостным дефектам после их шлифовки.

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

\ \ 1 »

1 1

•1 / ♦   * Ч* 1

\ • * • г* • ч Ч, 4* *

1\ г \

\

\ т ОЛЩИ! та сня ГОГО N теталл [а

1 1 1 1 1

0

2

4

6

8

Ь

12

Рисунок 2 - Волноо бразный износ участка: 1 - до шлифовки; 2 - после четырех шлифовок, 3 - после шести шлифовок

Ь

м;п3!11) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 57

Выполнены измерения внутренних напряжений металла рельса с использованием тензо-метрической аппаратуры. Записи производились при прохождении поезда по контролируемому участку пути со скоростями движения 20, 40, 60, 70 км/ч и опытного поезда со скоростью 2 км/ч (статическое нагружение).

800 -------------

А/м_____________

400 1

200 ______I___/ __

-200 -----

| -400 _____I______

-600 _____________

-800 _____________

600 _________ '

Нр 400 _____Ц~~2

200

-200 ^^ ---

-400 -600 -800

Рисунок 3 - Распределение напряженности магнитного поля концентраторов напряжений в металле рельса по его длине в окрестности пробуксовины до шлифовки рельса

Результаты измерения напряжения в подошве рельса в виде интервала зарегистрированных значений приведены на рисунке 4. При допускаемом напряжении в металле рельса, равном 350 МПа [1], рельс имеет трехкратный запас по внутренним напряжениям.

На основе изложенного можно сделать следующие выводы.

1. Рельсошлифовальный поезд РШП-48 осуществляет эффективное шлифование волнообразного износа рельсов с длиной волны меньше 0,25 м.

2. Процесс шлифовки можно считать эффективным, если неровности на поверхности катания рельса пол-ностью сошлифованы.

3. Максимумы касательных напряжений в головке рельса т^ и т^ находятся на глубине 3 - 5 мм от поверхности выкружки, уменьшаясь наполовину на глубине 8 мм. Поэтому шлифовка поверхности головки рельса металла толщиной 1 мм не полностью устраняет ВПТ.

4. Внутренние напряжения в металле рельсов составляют 30 % от допустимых напряжений, что является существенным резервом в повышении скоростей движения подвижного состава.

Список литературы

1. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса: Пер. с англ. [Текст] / У. Дж. Харрис, С. М. Захаров и др. М.: Интекст, 2002. - 408 с.

1

/ \ 111

—

-

100 200 300 400 мм 600 Ьх-

120

МПа

40

Г > Г

/ / / /

/ / г /

20

40

км/ч

80

V-

Рисунок 4 - Внутренние напряжения в рельсах при прохождении маршрутных поездов.

0

58 ИЗВЕСТИЯ ТрайссиЦа —

Информационные технологии, автоматика, связь, телекоммуникаЩШ

2. Вериго, М. Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава [Текст] / М. Ф. Вериго, А. Я. Коган - М.: Транспорт, 1986. - 559 с.

3. Шилер, В. В. Определение отступлений рельсовых нитей в плане координатным методом [Текст] / В. В. Шилер // Взаимодействие подвижного состава и пути и динамика локомотивов дорог Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера / Труды / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1983. - С. 70 - 74.

4. Балух, X. Диагностика верхнего строения пути. - М.: Транспорт, 1981. - 414 с.

УДК 624.332:621.316.97

В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, Н. К. Слептерева

ОЦЕНКА КОРРОЗИОННОЙ ОПАСНОСТИ АЛЮМИНИЕВЫХ КАБЕЛЕЙ

В ПОЛИМЕРНОМ ИЗОЛИРУЮЩЕМ ПОКРОВЕ В УСЛОВИЯХ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Определено влияние электротяги постоянного и переменного тока на коррозионное состояние алюминиевых кабелей в полимерном изолирующем покрове.

В настоящее время кабели с медными жилами заменяются на волоконно-оптические. На сети железных дорог к 2006 г. была построена волоконно-оптическая магистраль общей длиной более 50 тыс. км, соединяющая 71 регион России. Тем не менее продолжается производство и эксплуатация кабелей связи с металлическими жилами. Поэтому остаются актуальными вопросы защиты от коррозии подземных металлических сооружений связи и исследования коррозионных процессов. Это объясняется постоянно изменяющейся коррозионной ситуацией, вызванной появлением новых источников блуждающих токов и подземных металлических коммуникаций, а также тем, что в эксплуатации находятся кабели, отработавшие свой амортизационный срок, при этом сохранившие в хорошем состоянии параметры передачи [1].

Как известно, особенно высокой коррозионной опасности подвержены протяженные подземные сооружения в зонах блуждающих токов [2, 3]. Все кабели связи в стальных гофрированных и большая часть марок кабелей в алюминиевых оболочках имеют полимерные покровы (полиэтиленовые или поливинилхлоридные), защищающие металлические элементы кабеля от коррозии блуждающими токами, а также от почвенной коррозии благодаря сохранению высокого переходного сопротивления оболочки по отношению к земле. Для кабелей, прокладываемых в грунте, в качестве защитного покрова целесообразнее использовать полиэтилен, учитывая его большую влагостойкость и стойкость к действию кислот и щелочей. Однако при возможных повреждениях изолирующего покрова как в процессах укладки, монтажа, так и во время эксплуатации металлическая оболочка подвергается коррозионной опасности. На скорость процессов коррозии влияет как размер повреждения изолирующего покрова, так и агрессивность грунта, обусловленная его минералогическим составом, а также наличием источников блуждающих токов. Уменьшить коррозионный процесс можно применением электрохимических методов защиты при поддержании потенциала для алюминия от минус 0,85 до минус 1,38 В [4]. Поддерживать заданное значение защитного потенциала, особенно в условиях действия блуждающих токов, практически невозможно. В качестве примера на рисунке 1 приведен график изменения потенциала оболочки кабеля относительно земли.

м: 31121) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 59