Обоснование технологических параметров и обеспечение их контроля при алюминотермитной сварке рельсов

Железнодорожный транспорт Российской Федерации занимает особое место в жизнеобеспечении страны. Он позволяет обслуживать производящие отрасли хозяйства и удовлетворять потребности населения в перевозках вне зависимости от погоды, практически во всех климатических условиях и в любое время года. Поэтому, несмотря на относительно бурное развитие автомобильного, воздушного и трубопроводного транспорта, вот уже более 170 лет железнодорожный транспорт остаётся основным средством перемещения грузов и массовых перевозок населения [1].

Одним из важнейших технических средств железнодорожного транспорта является железнодорожный путь. Он состоит из верхнего строения пути и нижнего строения пути [2]. Изучением и совершенствованием конструкции верхнего строения пути занимались такие известные учёные, как В. Г. Альбрехт, Г. Е. Андреев, Е. М. Бромберг, В. И. Власов, В. Д. Данилов, В. Н. Зверев, П. С. Иванов, Н. И. Карпущенко, А. Я. Коган, 3.JI. Крейнис, Н. Н. Кудрявцев, М. И. Кулагин, А. И. Лебедев, Н. Т. Митюшин, Н. П. Парфёнов, С. П. Тимошенко, Г. М. Шахунянц, JI.M. Школьник, В. Ф. Яковлев и многие другие учёные.

Конструкция верхнего строения пути может быть звеньевой или бесстыковой [1]. В настоящее время, как на железных дорогах России, так и за рубежом, происходит отказ от звеньевой конструкции пути. Одним из основных недостатков звеньевого пути является наличие стыка.

Рельсовый стык представляет собой место, в котором происходит «разрыв» рельсовой нити, что, несмотря на стыковые накладки, приводит к уменьшению жёсткости и увеличению просадки. Это приводит к тому, что при движении подвижного состава через стык происходит удар колеса о головку принимающего конца рельса. Толчки и удары в стыках приводят к интенсивному износу, как ходовых частей подвижного состава, так и самих рельсов. В результате ударов происходят смятие и выколы головки рельсов в зоне стыка на расстоянии 60−80 мм от стыкового зазора, изломы рельсов по болтовым отверстиям, изломы накладок, стыковых болтов, подкладок и при-крипителей. Вред от стыков тем больше, чем слабее их конструкция и чем хуже состояние (короткие четырехдырные накладки, плохо затянутые болты, неплотно подбитые шпалы и т. д.). Кроме того, на звеньевом пути с 25-ти метровыми рельсами очень сложно поставить и сохранить расчётные стыковые зазоры в пределах допусков. Укладка рельсошпальной решётки, как правило, производится летом, поэтому зазоры в стыках больше, чем расчётные. Для обеспечения безопасного движения поездов, путейским бригадам приходится проводить сезонные разрядки стыковых зазоров с заменой рельсов нормальной длины на укороченные (весной или летом) и удлинённые (осенью или зимой). На электрифицированных линиях, оборудованных путевой автоматической блокировкой наличие стыков ухудшает токопроводимость цепей, что вызывает нарушение в работе автоблокировки.

Этих недостатков лишён бесстыковой путь. Многолетние исследования МИИТа, ВНИИЖТа, ПГУПСа, РГОТУПСа и ряда других ведущих организаций и опыт эксплуатации бесстыкового пути в России и на зарубежных магистралях подтвердили высокую эффективность бесстыковой конструкции температурно-напряжённого типа без сезонных разрядок напряжений.

Из работ [2−4] следует, что к достоинствам бесстыкового пути может быть отнесено:

• уменьшение на 30−40% затрат на текущее содержание пути и повышение безопасности движения поездов, надёжность конструкции;

• снижение на 8−10% основного удельного сопротивления движению поездов и, в связи с этим, экономия топлива и электроэнергии на тягу, что весьма существенно в условиях непрерывного роста цен на энергоносители;

• увеличение сроков службы верхнего строения пути, за счёт меньшей, чем в звеньевом пути повреждаемости рельсов (трещины в кромках болтовых отверстий, выколы головки, смятие и седловины). Так, отказы бесстыковых плетей по дефектам (контактно-усталостным и в стыках) возникают в 1,8−2,0 раза реже, чем рельсов звеньевого пути, а без учёта уравнительных пролётов — в 3−4 раза;

• снижение объёмов работ по выправке пути (до 25−30%), связанных с просадками в стыках, особенно работ по ликвидации выплесков, которые с увеличением осевых нагрузок становятся большой проблемой;

• снижение интенсивности бокового износа наружной рельсовой нити в кривых и, соответственно, повреждений рельсов по этой причине в 1,5−1,6 раз;

• сокращение потребности в очистке щебёночного балласта на угольно-рудных маршрутах в 1,5−2,0 раза;

• сокращение расходов металла на стыковые скрепления (до 4,5 т-км);

• уменьшение расходов на ремонт ходовых частей вагонов и локомотивов;

• повышение комфортабельности проезда пассажиров;

• повышение надёжности работы электрических рельсовых цепей автоблокировки.

Не маловажным преимуществом бесстыковой конструкции верхнего строения пути является и то, что она позволяет использовать железобетонное подрельсовое основание, которое повышает запас устойчивости, сопротивляемость продольным и поперечным перемещениям рельсов и обеспечивает равную жёсткость пути по длине. К тому же, использование железобетонных шпал уменьшает расход деловой древесины.

Бесстыковой путь на железобетонных шпалах признан во всём мире единственно возможным вариантом верхнего строения пути для скоростных и высокоскоростных магистралей. Эта конструкция верхнего строения пути в России и странах СНГ позволила освоить повышенные до 140−160 км/ч скорости пассажирских поездов на радиальных направлениях от Москвы до ближайших областных центров и до столиц бывших союзных республик.

Кроме того, бесстыковой путь по сравнению со звеньевым не только экономически эффективнее, но и надёжнее. Так, по данным Департамента пути и сооружений ОАО «РЖД», из 71 схода подвижного состава, произошедшего на сети железных дорог в 2001;2002 гг. и отнесённого на путевое хозяйство, 67 произошли на звеньевом пути и только 4 — на бесстыковом [4].

Благодаря этим и другим преимуществам бесстыковой конструкции, этот вариант верхнего строения пути в настоящее время стал основным на главных линиях во всем мире.

Бесстыковой путь на железных дорогах России начал применяться с 60-х годах прошлого века. По состоянию на 01.01.2004 г. протяжённость бесстыкового пути достигла 52,73 тыс. км, что соответствует 42,5% длины главных путей. При сложившихся темпах роста прогнозируется, что протяжённость бесстыкового пути к 2010 г. достигнет 70 тыс. км, что составит 56% длины главных путей. Расширение полигона укладки будет осуществляться за счёт применения новых и старогодных материалов, снимаемых с участков капитального ремонта бесстыкового пути. Такой путь будет укладываться не только в центральной Европейской части страны, но и в сложных климатических условиях Севера, Сибири и Дальнего Востока [4].

До недавнего времени основным способом сварки рельсов был электроконтактный. Однако в связи с невозможностью сварки рельсов в зонах стрелочных переводов контактными машинами, начиная с 1995 г., на железных дорогах России началось применение алюминотермитной сварки рельсов (АТСР), и в настоящее время решаются вопросы, связанные с применением АТСР не только в зоне стрелочных переводов, но и на перегонах.

Однако при применении бесстыковой конструкции верхнего строения пути остаётся не решённым ряд вопросов, в частности, требуют дальнейшей проработки вопросы повышения прочности сварных швов и зоны термического влияния, т.к. количество опасных дефектов на этом участке составляет 13−15% от общего числа дефектов на рельсовой плети.

Если работы по совершенствованию электроконтактного способа сварки велись на протяжении длительного времени и ведутся по настоящее время ВНИИЖТом, ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины и рядом других ведущих научно-исследовательских институтов и организаций, то работы по совершенствованию технологии АТСР в нашей стране долгое время не проводились. Поэтому, к настоящему времени нет научного обоснования рациональных технологических параметров процесса АТСР.

Поэтому, для повышения качества рельсовых стыков, сваренных данным способом, необходимо проведение исследований влияния параметров технологического процесса сварки на получаемую структуру металла сварного соединения.

Проведение исследований, связанных с определением распределения температур, термических циклов сварки, скоростей охлаждения, определение зависимости структурных составляющих от этих параметров и обоснование режимов технологического процесса являются актуальными в настоящее время.

Общие выводы по работе.

1. Сравнительный анализ данных Департамента пути и сооружений ОАО «РЖД» показал, что из 71 случая сходов подвижного состава, произошедших на сети железных дорог в 2001;2002 гг. и отнесённых на путевое хозяйство, 67 произошли на звеньевом пути и только 4 -на бесстыковом. В стыках, выполненных АТСР разрушений не выявлено.

2. В результате проведённого анализа установлено, что единственно возможным способом, для получения неразъёмного соединения рельсов в зонах стрелочных переводов, является АТСР, т.к. захваты контактных сварочных машин имеют значительные габариты и ими невозможно захватить концы рельсов, а электродуговой (ванный) и газопрессовый способы в настоящее время не применяются, из-за низкой производительности и невысокого качества сварного шва.

3. Проведённый анализ существующих методов расчета температурных полей и скоростей охлаждения показал, что ни один из них в полном объеме не может быть применен к способу АТСР методом промежуточного литья с предварительным высокотемпературным подогревом, т.к. требуется учесть ряд особенностей по условиям технологического процесса сварки. В связи с этим, для анализа тепловых процессов при АТСР потребовалась разработка расчётных методов в линейной и нелинейной постановках, позволяющих получать результаты с достаточной для инженерных расчетов степенью точности.

4. Разработанные в диссертации алгоритмы и программное обеспечение позволяют проводить расчёты температурных полей, скоростей охлаждения и структурных составляющих, по которым возможно оценить склонность к зарождению трещин и последующему хрупкому разрушению сварных стыков рельсов.

5. Достоверность разработанных методов проверена путём сопоставления расчётных данных с результатами экспериментов, проведённых на натурных образцах, с использованием современной аппаратуры. Установлено, что расхождение расчётных и экспериментальных данных находится в пределах 10−13%, при использовании для расчёта метода конечных разностей в нелинейной постановке и около 12−15% - в линейной.

6. Численные исследования, проведённые с использованием разработанного метода, позволили выявить особенности распределения температурных полей, скоростей охлаждения и структурных составляющих, как в продольном направлении, так и в поперечных сечениях рельсов. Установлено, что при подогреве рельсы прогреваются неравномерно по высоте: головка нагревается до большей температуры, чем подошва, шейка рельса имеет промежуточную между ними температуру.

7. В результате проведённого численного анализа установлено, что структурный состав сварного шва, зоны сплавления и зоны термического влияния определяется основными технологическими параметрами термитной сварки. Наибольшее влияние оказывают такие параметры как тепловая мощность газового пламени и продолжительность подогрева. Так, например, повышение мощности газового пламени с одновременным снижением продолжительности этапа подогрева способствует образованию мартенситной структуры на периферийных участках подошвы рельсов, что может привести к образованию трещин и разрушению при эксплуатации.

8. Многочисленные натурные испытания сварных образцов рельсов подтвердили, что несоблюдение технологических параметров при выполнении АТСР приводит к хрупким разрушениям по зоне сплавления, начинающимся от периферийных участков подошвы рельса, расположенных в зоне сплавления. Дальнейшее распространение трещин происходит по зоне сплавления с возможным переходом в основной металл рельса или сварной шов.