Рус Eng Укр

      Современные проблемы   системы колесо — рельс       На научно-практической конференции Современные проблемы взаимодействия       подвижного состава и пути. Колесо — рельс 2003», которая проходила 20 – 21 ноября 2003 г. на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа в подмосковной       Щербинке, состоялось подробное обсуждение существующих в настоящее время       проблем в области системы колесо — рельс. В данной статье рассмотрены       проблемы колеса и рельса на разных этапах развития железнодорожного       транспорта России и других стран, дискуссионные вопросы, а также целевые задачи и стратегическая программа обеспечения устойчивого взаимодействия       системы колесо — рельс . Взаимодействие колеса и рельса является физической основой движения       поездов по железным дорогам. Именно оно во многом определяет безопасность, а также такие важнейшие технико-экономические показатели, как масса поездов, скорость их движения и уровень эксплуатационных расходов. При       этом требования к показателям взаимодействия колес и рельсов в разных       зонах контактирования противоречивы. С одной стороны, сцепление колес с       рельсами должно быть таким, чтобы обеспечивалось малое сопротивление       движению поезда. С другой — для реализации требуемой силы тяги необходимо       обеспечивать высокий и стабильный уровень сцепления локомотивных колес с       той же поверхностью. Помимо этого, для предотвращения вкатывания колеса на       головку рельса, снижения износа гребня колеса и боковой поверхности головки рельса, а также сопротивления движению поезда в кривых требуется       максимально возможно снизить трение между гребнем колеса и боковой      поверхностью головки рельса.   Применяемые материалы должны обладать высокой прочностью, чтобы       воспринимать вертикальные и боковые статические нагрузки и динамические       воздействия, вызванные вертикальными и горизонтальными ускорениями       элементов подвижного состава. При этом интенсивность изнашивания элементов       и скорость развития усталостных дефектов должны быть такими, чтобы обеспечивалась экономически целесообразная эксплуатация подвижного состава       и пути.       Проблемы колеса и рельса      на разных этапах      развития железных дорогНа разных этапах развития железнодорожного транспорта России (и ранее       СССР) возникали проблемы, которые представляли серьезную угрозу       функционированию железных дорог. К числу наиболее важных из них относятся:

 

        проблема сходов подвижного состава с рельсов;

        проблема контактной усталости колес и рельсов;

        проблема повышенной интенсивности изнашивания колес и рельсов.

 

  Проблема сходов, являющаяся частью проблемы безопасности движения, подробно рассмотрена. Контактная усталость и износ являются конкурирующими механизмами      повреждаемости и при сочетании определенных условий поочередно возникают       на железных дорогах, приводя к повышенной сменяемости колес и рельсов.       Так, рост грузонапряженности на отечественных железных дорогах в 1960-х       годах выявил несоответствие применявшейся конструкции верхнего строения       пути с сырыми рельсами Р50 ужесточающимся условиям эксплуатации. Резко       возрос выход рельсов по наиболее опасному для безопасности движения       дефекту — контактно-усталостным повреждениям головки рельса. Это потребовало соответствующего усиления пути и в первую очередь       рельсов.       Были созданы рельсы тяжелых типов Р65 и Р75, разработаны и внедрены       технологии поверхностной и объемной закалки этих рельсов. Одновременно с       решением задачи повышения безопасности движения поездов переход на       массовое применение рельсов тяжелых типов позволил значительно снизить       эксплуатационные расходы железных дорог. Были пересмотрены в сторону       увеличения (с 350 до 650 млн. ткм брутто) межремонтные сроки работы       верхнего строения пути, а также нормы расхода ресурсов на его содержание.       Изменение межремонтных сроков позволило при существующей       грузонапряженности снизить потребность в капитальном ремонте пути на 4,4       тыс. км в год и сократить на 1,58 тыс. км в год объемы работ по смене       рельсов в кривых. В ценах 2002 г. это дает снижение годовых расходов на       11,24 млрд. руб., из которых 5,62 млрд. руб. относится на увеличение       погонного веса рельсов и 5,62 млрд. руб. на их термоупрочнение.       Продолжившийся в 1970 – 1980-е годы рост объемов перевозок и       грузонапряженности сети железных дорог предопределил многофакторное изменение словий заимодействия подвижного состава и пути в течение достаточно длительного времени. Одновременно с внедрением рельсов тяжелых       типов с большой погонной массой и увеличенной поперечной жесткостью в       контакте колеса с рельсом и рассогласованием профилей головок рельса и       поверхности катания колес произошли перевод грузовых вагонов с подшипников       скольжения на роликовые буксы с увеличением сопротивления повороту       колесной пары относительно боковины, рассогласование скоростей движения и       возвышения наружного рельса в кривых, существенное изменение режимов       движения поездов, падение технологической дисциплины в содержании пути и       ремонта подвижного состава. В результате действия всех этих разноплановых       факторов система колесо — рельс вышла из условий допустимых износов, в       результате чего резко возросла интенсивность изнашивания гребней колес       подвижного состава и боковой поверхности головки рельса. К 1989 – 1990 гг.       она достигла для гребней бандажей локомотивов в среднем по сети железных       дорог 5 мм/10 тыс. км, а в отдельных депо до 10 мм/10 тыс. км. В несколько       раз выросла интенсивность изнашивания боковых поверхностей головок       рельсов. Это вызвало значительный рост эксплуатационных расходов в       локомотивном и вагонном хозяйствах, связанных с неплановыми обточками      колесных пар, дополнительным приобретением новых бандажей и колес. Убытки

 только локомотивного хозяйства в те годы оцениваются в 6,0 млрд. руб./год       в ценах 2002 г. В 2 – 3 раза выросла сменяемость рельсов по боковому       износу головки (с 12 тыс. шт. в 1988 г. до 47 тыс. шт в 1995 г.).       Одновременно заметно снизилась сменяемость рельсов по       контактно-усталостным дефектам, поскольку повышенная интенсивность       изнашивания выполняла роль естественного шлифования, удаляя с поверхности       зарождающиеся микротрещины.       Интенсивность износа гребней колесных пар и бокового износа рельсов       зависит от нагруженности зоны контакта, скоростей относительного проскальзывания колеса, определяемых углами набегания колесных пар на       рельсы, температуры в зоне контакта, наличия и свойств третьего тела в       зоне контакта. Из всех этих параметров наиболее прямым и управляемым       способом является введение в зону контакта третьего тела с заданными       характеристиками. Именно поэтому в качестве первоочередной и наиболее       быстро реализуемой меры была выбрана лубрикация боковой поверхности       головки рельсов. В кратчайшие сроки были созданы передвижные       рельсосмазыватели ВНИИЖТ, работающие на консистентной смазке РП, и ВНИТИ       на твердосмазочном покрытии РС.       На нагруженность и скорость скольжения в зоне контакта влияет более двух       десятков факторов, связанных с конструкцией и техническим состоянием как       ходовых частей подвижного состава, так и пути. Поэтому решением       руководства МПС к участию в научно-техническим разработках по проблеме       колесо — рельс были приглашены институты Российской академии наук,       промышленность, включая оборонный комплекс, вузы, конструкторские бюро       отрасли и локомотивостроительных заводов. К опытной реализации были       приняты все предложения, не приводящие к нарушению безопасности движения.       Для более широкого привлечения к решению проблемы специалистов железных       дорог на страницах ведущих отраслевых журналов было открыто публичное       обсуждение причин возникновения интенсивного износа и пути его снижения.       По результатам предварительных исследований МПС России определило три       направления работ по снижению интенсивности износа гребней колес и       бокового износа рельсов (указание МПС № 151у от 25.11.1994 г.):

             технологии, технические средства и смазочные материалы для лубрикации

             зоны контакта гребня колеса с рельсом;

             восстановление наплавкой изношенных гребней колес;

             организационно-технические мероприятия по повышению качества ремонта и

             текущего содержания ходовых частей подвижного состава и пути.

      За прошедшие годы в рамках этой программы разработаны технические      средства, смазочные материалы и технологии лубрикации зоны контакта гребня       колеса с рельсом. Наиболее эффективными оказались передвижные       рельсосмазыватели. Для защиты гребней направляющих осей локомотивов       используются бортовые гребнесмазыватели НПП «Фромир» (Ростов-на-Дону)       АГС-8, работающие на консистентной смазке. Лубрикация стрелочных переводов       осуществляется стационарными путевыми лубрикаторами, для которых       разработана всесезонная смазка СПЛ. На Северо-Кавказской железной дороге       используется система гребнесмазывания, разработанная РГУПСом.       Созданы установки, специальная наплавочная проволока и технологии наплавки       на гребни вагонных колес специального противоизносного слоя. Разработаны и       применяются технологии магнито-плазменного и плазменного упрочнения       поверхностного слоя гребней бандажей локомотивов.       Определены ремонтные профили обточки локомотивных и вагонных колесных пар,       полученные в результате естественного изнашивания с головками рельсов в       кривых. В каждом локомотивном депо разрешено иметь свой профиль обточки       гребней бандажей, наиболее полно соответствующий условиям эксплуатации на       закрепленных за депо плечах обращения локомотивов.       Введены более жесткие нормы содержания пути в части минусового допуска на       ширину колеи, оптимизации возвышения наружного рельса в кривых,       ограничения на боковой износ головки рельса.       Разработаны новые технологии и оборудование восстановления изношенных пар       трения экипажной части грузовых вагонов. Применяемые материалы и       технологии обработки восстановленных поверхностей обеспечивают снижение       сил трения в этих узлах и облегчают вписывание тележек в кривые.      Меры по снижению интенсивности изнашивания позволили получить следующие       результаты:         благодаря лубрикации зоны контакта гребней колес с рельсами,         магнитоплазменному упрочнению гребней бандажей локомотивов и введению         ремонтных профилей обточки колесных пар удалось уже в 1997 г. уменьшить         на многих железных дорогах, в основном в восточном регионе,         интенсивность износа гребней бандажей до величины ниже уровня 0,5 мм на         10 тыс. км пробега, установленного указанием МПС № 151у от 25.11.1994 г.         В 1998 – 1999 гг. на большинстве железных дорог и практически на всех         сериях локомотивов она составила 0,25 – 0,35 мм на 10 тыс. км пробега. В         дальнейшем (с 2000 г.) вследствие ослабления контроля за лубрикацией,         грубых нарушений ее технологии и применения на многих дорогах смазочных         материалов, не имеющих допуска МПС, интенсивность износа гребней         бандажей вновь стала возрастать. Тем не менее в большинстве депо         существует возможность выхода на расчетный режим эксплуатации         локомотивов — работы без смены бандажей до капитального ремонта.         Необходимым условием этого является стабильное применение установленных         технологий лубрикации в течение не менее пяти лет. Исходя из         достигнутого ресурса бандажей дополнительные эксплуатационные расходы         локомотивного хозяйства снижены по сравнению с 1992 г. на 2,65 млрд.         руб. в ценах 2002 г.;         в вагонном хозяйстве расчетный ресурс колес составляет 12 лет. В начале         1990-х годов он сократился до 4 – 5 лет в связи с высокой интенсивностью         износа гребней. Меры по лубрикации, наплавке изношенных гребней и         внедрению ресурсосберегающего ремонтного профиля обточки позволили         увеличить срок службы колес до 7 – 8 лет. При рабочем парке вагонов         497,9 тыс. ед. это позволило снизить потребность в колесных парах на         114,4 тыс. ед. и, соответственно, сократить эксплуатационные расходы на         1548,3 млн. руб. в год;         число снятых с главных путей рельсов по дефекту 44 (боковой износ         головки) снизилось с 47 631 в 1995 г. до 11 751 в 2001 г., т. е. на         35880 шт., в том числе на 20 тыс. шт. в связи с введением переукладки        рельсов со сменой канта. Таким образом, применение лубрикации позволило         сократить выход рельсов на 15 880 ед. в год, что соответствует экономии         эксплуатационных расходов путевого хозяйства на 2504,08 млн. руб.       Суммарное годовое снижение эксплуатационных расходов в рамках программы       колесо — рельс составило в 2002 г. по сравнению с 1992 г. 6702,38 млн.       руб. без учета снижения расхода топливно-энергетических ресурсов на тягу       поездов и сокращения числа сходов подвижного состава с рельсов.       На современном этапе основными задачами в области взаимодействия колеса и       рельса являются:

        снижение числа сходов по причине вкатывания колеса на рельс;

        поддержание интенсивности изнашивания колес вагонов и локомотивов и

        рельсов на заданном уровне по всей сети дорог;

        реализация комплекса мер по снижению сменяемости колес грузовых вагонов

        вследствие контактной усталости;

        сокращение числа случаев изъятия рельсов по контактно-усталостным     повреждениям.

      Дискуссионные вопросы       На конференции были даны предложения по оптимизации параметров рельсового       экипажа, управлению состоянием железнодорожного пути, технологиям       лубрикации, технологиям восстановления и упрочнения колес, допустимым       скоростям движения, обеспечивающим безопасность перевозочного процесса, и       ряду других проблемных вопросов, которые были учтены в программе колесо —       рельс.       Особое внимание было уделено еще не опробованным предложениям по повышению       износостойкости пары трения гребень колеса — головка рельса. Конференция       рекомендовала создать специальную секцию Научно-технического совета ОАО       «РЖД» по взаимодействию пути и подвижного состава, на которой более       детально рассмотреть эти предложения и другие вопросы. Среди них — выбор       рациональных решений по совершенствованию конструкции тележки подвижного       состава, поиск взаимоувязанных норм устройства и содержания пути и       экипажей, применение новых технологий, в частности технологии       ультразвуковой финишной обработки поверхностей трения, позволяющей       формировать на этих поверхностях специальные слои и управлять трением в       зоне контакта.       Выяснению степени обоснованности таких предложений должно способствовать       более широкое применение имитационного моделирования с использованием       трибодинамической модели и учетом реальных схем формирования поезда и       режимов его движения. Одними из первых для обсуждения должны стать задачи       согласования ремонтных профилей обточки колесных пар и профильного       шлифования рельсов в кривых для разных условий эксплуатации и разных       конструкций верхнего строения пути.       В изменившихся условиях эксплуатации необходима технико-экономическая       оценка сферы применения унифицированной ширины колеи.       Международный опыт [4, 5] и исследования ВНИИЖТа [6] показывают       необходимость повышения твердости колес подвижного состава и рельсов до       уровня 370 – 400 НВ, что позволит получить их максимальный ресурс. Для       колес, находящихся в эксплуатации, необходимо продолжить поиск       рациональных способов упрочнения.       Проблемы взаимодействия      колеса и рельса      на зарубежных железных дорогах      и способы их решения Хотя общий набор проблем, связанных с взаимодействием колеса и рельса, в       целом известен, разнообразие условий работы железных дорог мира и       экономические возможности разных стран приводят к тому, что у железных       дорог на первых местах оказываются разные проблемы.       В последнее время международные железнодорожные организации направляют       свои усилия на обобщение мирового опыта в решении проблем взаимодействия       колеса и рельса. Примером такого обобщения является выпущенная в 2001 г.       по инициативе Международной ассоциации тяжеловесного движения (IHHA) книга       [4], русское издание которой вышло в 2002 году [5].       Для железных дорог, работающих в условиях тяжеловесного движения, когда       осевая нагрузка находится в пределах 25 — 35 т и в регулярном обращении       находятся поезда массой более 5000 т, проблемами взаимодействия в       настоящее время являются:

          контактно-усталостные повреждения колес и рельсов, включая термомеханические

          повреждения;

          образование проката колес корытообразной формы;

          пластическое течение рабочих поверхностей колеса и рельса;

         отколы обода колес;

         сходы из-за вползания колеса на рельс;

         излом рельса;

         разрушение рельсов в зоне сварного, в частности алюмотермитного, стыка.

 

      Для железных дорог с преимущественно пассажирским движением (в том числе       скоростным) главными проблемами являются:

        износ рельсов и колес;

        некруглость колес, вызывающая повышенные вибрации и воздействие на путь

        и подвижной состав;

        поверхностная контактная усталость на выкружке рельсов (head checks);

        волнообразный износ рельсов;

        повышенный шум, особенно в районах городской застройки.

 

      Возникающие проблемы решаются на основе системного подхода, при котором       учитываются экономическая эффективность эксплуатации и необходимость       обеспечения безопасности движения.       Стратегическая программа      обеспечения устойчивого взаимодействия      пути и подвижного состава      Обеспечение устойчивого взаимодействия колеса и рельса требует учета       взаимозависимости всех отдельных компонентов, а также их влияния на       эффективность работы железнодорожного транспорта (рисунок).       

            Факторы, влияющие на устойчивое взаимодействие колеса и рельса существенные изменения в причинах повреждений колес подвижного состава и   рельсов, а также возникающие задачи поиска путей освоения возрастающего   объема перевозок делают необходимым развитие программы колесо — рельс с   включением в нее всех аспектов взаимодействия в этой сложной       трибодинамической системе.       На конференции «Колесо — рельс 2003» был обсужден и дополнен проект      стратегической программы [2], разработанный ВНИИЖТом. В этой программе       предусмотрено шесть связанных между собой направлений работы, учитывающих       системный характер проблемы:

        трибомеханика контакта колеса и рельса;

        конструкция экипажной части подвижного состава;

        конструкция пути;

        нормы содержания ходовых частей подвижного состава и пути;

        продольная динамика при движении поезда;

        мониторинг в системе колесо — рельс.

      Создание новых типов подвижного состава и насыщение им сети железных дорог       требует длительного времени. В связи с этим на первом этапе предлагается       сконцентрировать усилия на мероприятиях, дающих максимальный эффект в       кратчайшие сроки:

        разработка технических средств, технологий и материалов для подачи

        «третьего тела» в зону контакта (лубрикация для зоны контакта гребня

        колеса с боковой поверхностью головки рельса и использование активаторов

        трения для увеличения сцепления локомотивов в режиме тяги);

        разработка и поддержание в эксплуатации взаимоувязанных профилей,

        обеспечивающих конформный контакт. Это позволит увеличить зону контакта,

        снизить износ в кривых и одновременно обеспечит устойчивость против

        виляния в прямых за счет профиля конической части и комплексной

        модернизации тележки;

        снижение скоростей относительного проскальзывания колеса и рельса путем

        ужесточения норм содержания пути и ходовых частей подвижного состава;

        снижение удельных давлений в зоне контакта путем улучшения динамических

        качеств пути и подвижного состава.

      Современные достижения теорий взаимодействия пути и подвижного состава,      трибологии и инженерии поверхностей позволяют сделать качественно новый       шаг в решении задачи оптимизации взаимодействия колеса с рельсом и       повышения на этой основе срока их службы. С этой целью ВНИИЖТ совместно с Институтом проблем механики РАН создает трибодинамическую модель      взаимодействия колеса с рельсом [7], позволяющую решать задачи прогноза       ресурса по износу и контактной усталости, оценке различных способов       упрочнения поверхностей трения и управления изнашиванием элементов пары,       оценке системы мониторинга и принятия управленческих решений по       обеспечению заданного срока службы колес подвижного состава и рельсов.       В целом реализация стратегической программы должна позволить увеличить       межремонтный тоннаж верхнего строения пути до 1 млрд. ткм брутто, ресурс       вагонных колес и бандажей локомотивов до 600 млн. км пробега при       одновременном повышении погонных нагрузок грузовых вагонов до 10,5 – 11,0       т/м, массы маршрутных грузовых поездов до 6000 – 10 000 т, маршрутной       скорости пассажирских поездов до 70 – 90 км/ч и технической скорости       грузовых поездов на основных направлениях до 60 км/ч.       Предстоят детализация каждого пункта программы и, что очень важно,       разработка бизнес-планов, в которых будет учтено содержание предложений, сроки, исполнители, источники финансирования, экономическая эффективность       и сроки окупаемости.       Заключение на разных этапах существования Российских железных дорог главными   дефектами в системе колесо — рельс поочередно были контактная усталость и       износ, которые являются конкурирующими механизмами и могут быть снижены до       технически и экономически обоснованного уровня только при помощи       комплексных мер системного характера.      Острая проблема повышенного износа гребней колес и боковой поверхности       головки рельса, возникшая на Российских железных дорогах в конце 1980-х и       начале 1990-х годов, была снята внедрением технологии лубрикации.       Для обеспечения экономически целесообразной эксплуатации колес и рельсов,       выполнения требований по безопасности в условиях повышения массы грузовых       поездов, скоростей движения, осевых и погонных нагрузок, возрастания       объема перевозок необходим системный подход, который охватывает все       основные аспекты сложной трибомеханической системы взаимодействия пути и       подвижного состава. Такой системный подход предложен в стратегической       программе обеспечения устойчивого взаимодействия колеса и рельса,       учитывающей параметры пути и подвижного состава, конструктивные       особенности тележек, профили колес и рельсов, свойства материалов и       поверхностных слоев, режимы движения поезда и многие другие факторы.