Влияние новых рельсорезных абразивных машин на качество железнодорожного пути при его ремонте и текущем содержании

Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов с рельсовыми путями даже при весьма интенсивном развитии автомобильного, трубопроводного и авиационного транспорта все равно принимает на себя большую часть нагрузки при перевозке разнообразных грузов. Это существующее сегодня положение обещает сохраниться еще в течение долгого времени.

Наиболее ответственным и требующим больших затрат элементом, от надежности и состояния которого в первую очередь зависит безопасная и бесперебойная работа промышленных, городских и магистральных рельсовых путей, является рельсошпальная решетка. Расход металла на железнодорожные рельсы весьма велик. В одни только главные пути железнодорожных линий России уложено около 25 млн. тонн стали. Если сюда добавить пути станционные и промышленные, то суммарное количество рельсовой стали, вложенной в железные дороги в целом, приблизится к 50 млн. тонн, не считая путей трамвая и метрополитена.

Для нужд путевого хозяйства, для того, чтобы обеспечить поддержание рельсовой колеи в нормальном состоянии, ежегодно требуется свыше 3 млн. тонн новых рельсов. Очевидно, что ежегодная выплавка такого количества рельсов требует колоссальных капиталовложений. Поскольку проблема обеспечения путевого хозяйства новыми рельсами в таких количествах вряд-ли разрешится в ближайшем будущем, вопросы реализации рельсосберегающих технологий, повышения эффективности использования рельсов промышленных, городских и магистральных путей встают весьма остро. В частности, по разным причинам часто возникает необходимость использования старогодных рельсов повторно, что неразрывно связано с вопросами ремонта рельсов.

Приведем некоторые общие сведения о промышленных, городских и магистральных путях и рассмотрим факторы, обуславливающие актуальность темы диссертации.

Современный пассажирский и грузовой транспорт в значительной своей части состоит из маршрутных транспортных средств общего пользования, среди которых важная роль отводится рельсовым транспортным средствамэлектрифицированным и неэлектрифицированным железным дорогам метрополитену, трамваю и монорельсовым видам транспорта.

Массовый пассажирский и грузовой транспорт по сравнению с индивидуальным отличается значительной вместимостью и большой провозной способностью, что в сочетании со все возрастающими объемами перевозок предъявляет все большие требования к несущей способности и качеству рельсового пути.

Условия прокладки рельсовой колеи в старых городах, а также на промышленных предприятиях (общая сеть промышленных железнодорожных путей составляет около 160 тыс. км, а промышленного железнодорожного транспорта— 41 тыс. подъездных путей, 70% которых имеют протяженность до 3 км [37]) предусматривают введение в путь кривых малых радиусов (20.60м [24]), что неизбежно приводит к необходимости разрезания рельсовых плетей на куски требуемой длины для последующего их качественного соединения в кривой. Кроме того, в условиях промышленных предприятий (особенно в металлургической отрасли) наличие кривых малых радиусов в сочетании с нагрузкой от колесной пары специализированного подвижного состава, достигающей 524 кН [24], приводит к необходимости существенного дополнительного усиления путив связи с возникающими при прохождении кривых высокими поперечными силами, что также требует качественного подхода, в частности к организации рельсовых стыков.

Следует отметить, что операция по резанию закаленных рельсов является более трудоемкой и ответственной в части получения необходимого качества среза при отсутствии металлургических изменений в материале рельса, поскольку резание таких рельсов идет с большим выделением тепла. Таким образом становится очевидным существенное влияние состояния стыков рельсов и рельсовых плетей на качество всего рельсового пути. По статистике до 50% рельсов выходят из строя по дефектам в стыковой зоне, а в бесстыковом пути до 80% повреждений рельсов происходит в уравнительных пролетах. Стыки же в огромном количестве (несколько сотен тысяч в год) при укладке пути, его текущем содержании и различных ремонтах образуются при использовании различного специального оборудования (в том числе и рельсорезных станков), характеристики которого обуславливаются требуемыми и фактическими показателями качества участков рельсового пути и его элементов, в первую очередь, рельсов.

Для обеспечения длительной работы в пути старогодных рельсов целесообразно применять меры по улучшению условий их работы, соблюдать установленные нормативы по межремонтным срокам, т.к. рельсы, пропустившие сверхнормативный тоннаж, имеют высокую степень поврежденности различными дефектами. В результате этого при ремонте таких рельсов приходится вырезать много участков с внутренними и наружными дефектами контактно-усталостного характера.

При укладке и эксплуатации железнодорожного пути и стрелочных переводов используются разные типы оборудования для резания рельсов. Однако, как показывает эксплуатация, они не лишены определенных недостатков. При этом следует иметь в виду, что систематический рост объемов перевозок на российских железных дорогах привел к необходимости дальнейшего совершенствования и упрочнения верхнего строения пути. С этой целью постоянно растут поставки на железные дороги тяжелых рельсов типов Р65 и Р75 в термоупрочненном состоянии. Все большее внимание уделяется на металлургических предприятиях улучшению качества рельсовой стали, внедрению новых технологий.

Перечисленное привело к тому, что некоторые применяемые типы оборудования для резания железнодорожных, рельсов не справляются с высококачественными закаленными рельсами, либо этот процесс занимает слишком много времени, что никак не допустимо, т.к. работы по текущему содержанию и ремонту верхнего строения пути выполняются преимущественно в одно-двухчасовое «окно» в движении поездов. Все вышеперечисленное создало предпосылки для разработки новых путевых механизированных инструментов, предназначенных для резания рельсов. На смену станкам с ножовочными полотнами и т. п. пришли устройства для резания рельсов абразивными кругами с окружными скоростями резания от 40 до 60 м/с. Внедрение подобных образцов позволило существенно понизить время, затрачиваемое на один разрез. Если раньше на распил затрачивалось несколько десятков минут, то теперь продолжительность этой операции стала составлять 4.6 минут и менее.

В связи с этим, применение абразивных кругов для резания рельсов стало представляться наиболее перспективным направлением для дальнейших разработок.

Первое, с чем столкнулись разработчики рельсорезного оборудования, было явление нагрева рельса при резании и появление в нем в связи с этим нежелательных металлургических изменений — «прижогов», служащих в дальнейшем почвой для проявления усталостных дефектов.

Вторым пунктом явилась возросшая себестоимость производства работ: дорогостоящего абразивного круга хватало лишь на 2.3 разреза, была велика степень его износа при резании.

Обозначенные явления были проанализированы и выявлены определенные режимы резания, при которых эти явления минимизируются. Ряд исследователей стали указывать на то, что было бы целесообразно создать абразивный станок, производящий резание рельсов с окружнными скоростями уже около (85 ±15) м/с, в силу того, что при такой окружной скорости наблюдается оптимизация условий абразивного микрорезания, что положительно сказывается на характеристиках процесса. Встал вопрос об окончательном исследовании преимуществ высокоскоростного резания и обосновании целесообразности внедрения такого оборудования на отечественных рельсовых промышленных, городских и магистральных путях. В целом, на основе вышесказанного могут быть выделены несколько пунктов, обусловивших актуальность темы диссертации:

1. Необходимость повышения надежности и работоспособности рельсовых промышленных, городских и магистральных путей за счет повышения качества ремонта и текущего содержания пути и в первую очередь, образования рельсовых стыков путем обрезки и вырезки дефектных мест в рельсах, их укорочения для укладки в кривых и пр.

2. Необходимость повышения уровня механизации соответствующих ремонтных работ.

3. Необходимость исключения недостатков, обуславливающих появление дефектов стыков, увеличения производительности существующих образцов рельсорезного оборудования (обеспечивающего необходимое высокое качество рельсовых стыков) снижения его массы, повышения долговечности, удобства в работе, словом — повышение уровня качества и конкурентоспособности существующих отечественных станков, не отвечающих сегодняшним требованиям.

4. Высокое влияние скорости резания на сам процесс резания, возникновение дефектов стыков и, вместе с тем, низкая скорость резания у существующих образцов, отсутствие возможности корректировки скорости резания по мере износа круга, вопрос о зажимных устройствах.

5. Недостаточная теоретическая проработка проблем расчета, проектирования и конструирования высокоскоростных станков для резания рельсов абразивными отрезными кругами (дисками), ислючающих или снижающих до приемлемого уровня дефекты стыков.

Таким образом, цель работы: повышение качества, надежности и долговечности рельсового пути транспортных и транспортно — технологических систем при его ремонте и текущем содержании за счет использования новых созданных рельсорезных станков, исключающих или уменьшающих до допустимого значения дефекты рельсовых стыков.

Объект исследования. Рельсовые стыки промышленных, подъездных, городских и др. путейих дефектырельсорезные станкиих конструкции и режимы работы, минимизирующие дефекты стыков.

Задачи исследования: исследование причин и условий появления дефектов рельсовых стыков при ремонте и текущем содержании рельсов с использованием рельсорезного оборудованияустановление связи между появлением дефектов стыков рельсов и режимными, параметрическими и схемно — конструктивными характеристиками этого оборудованияизыскание путей сведения к допустимому минимуму и исключения дефектов стыков при использовании наиболее прогрессивного рельсорезного оборудования ротационного типа с отрезными абразивными кругамиреализация найденных путей в высокоэффективной конструкции указанного оборудованиядоведение этой конструкции до внедрения в производство.

Научная новизна: аналитическое и экспериментальное определение связи возникновения микрои макродефектов рельсовых стыков с режимными, параметрическими и схемно — конструктивными характеристиками оборудования для обрезки рельсов и вырезки их дефектных местопределение рациональных значений вышеуказанных характеристик рельсорезных станков с абразивными отрезными кругами, применение которых при ремонте и текущем содержании пути исключает или уменьшает до допустимых пределов микрои макродефекты рельсовых стыковразработка методик расчета и проектирования высокоэффективных станков для «бездефектного» резания рельсов при их ремонте и текущем содержании.

Достоверность основных научных положений диссертации подтверждена сходимостью результатов аналитических исследований и результатов лабораторных и производственных испытаний с допустимой погрешностью сопоставления в (7. 10)%, одобрением рекомендаций специалистами и принятием этих рекомендаций для реализации в серийно выпускаемой модели станка РР80.

Практическая значимость (личное участие): разработка установки для проведения экспериментальных исследований дефектов стыков при использовании для ремонта рельсорезных станков с абразивными дискамианалитическое и экспериментальное определение зависимости контактной температуры в зоне среза, при которой не возникает микродефектов, от режимов работы рельсорезных станков с отрезными абразивными кругамиопределение параметрических и схемно — конструктивных характеристик станков с повышенной поперечной жесткостью, минимизирующей макродефекты стыкаразработка методик конструирования высокоэффективных станков с абразивными отрезными кругами для высококачественного резаниярельсов при их ремонтеразработка конструкции станка для «бездефектного» резания рельсов. Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно — технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ПГУПС и технических совещаниях КЗТМ (в 1998.2002г.г.).

Существенный вклад в решение проблем повышения работоспособности и безопасности работы рельсового транспорта, качества рельсового пути, ремонта рельсов, устранения их дефектов (в том числе и в стыках), создания эффективной в работе рельсорезной техники внесли такие известные ученые, как Андреев Г. Е., Альбрехт В. Г., Великанов А. В., Говоров В. В., Дьяков К. Н., Дудкин Е. П., Клюкова О. О., Коссой Ю. М., Крысаков Л. Г., Мелентьев Л. П., Никеров Н. С., Порошин В. Л., Смирнов М. П., Шур Е. А., Яковлев В. Ф., Горохов Л. Н., Исакова Т. А., Козлов Н. А., Коровкевич В. Б., Сухих Р. Д., Чукаев Л. В., Шевченко А. И., и многие другие.

Изложенным выше (см. также [61].. 67]) достигнута цель и решены задачи повышения качества рельсового пути промышленного, городского и магистрагь ного транспорта за счет использования при его ремонте и текущем содержании новых высокоэффективных рельсорезных абразивных машин (станков), сводящих к минимуму микрои макродефекты стыков, срезов. Достижение цели и решение поставленных задач есть результат совокупности исследований и предложений, изложенных в диссертации. Главное, за счет чего достигнуты цели —это научно техническое обоснование реализации высокоскоростного абразивного резания за счет согласования между собой всех параметров сложной системы «рельсовый путь транспортных и транспортно-технологических систем — рельсы —•отьпси — рельсорезный станок — оператор», назначение по возможности рациональных зт чений этих параметров и конструктивных предложений, позволивших реалию вать рекомендации. В качестве обобщений и выводов по работе предлагается сле дующее.1. Рельсовые пути транспортных и транспортно-технологических систем страны, ее регионов и городов в настоящее время работают в тяжелых }с ловиях высоких нагрузок, недостаточного уровня организации и механи зации текущего содержания и ремонта, имеют кривые участки малого ра диуса кривизны, что предъявляет высокие требования к рельсамнаибо лее ответственным и дорогостоящим элементам пути, от состояния кото рых в первую очередь зависит бесперебойная и безопасная работа систем. Поиск и внедрение рельсосберегающих технологий представляет актуаль ную технико-экономическую задачу.2. Рельсовые стыки, срезы, являются наиболее «слабым» местом всех рель совых путей, обуславливающим качество всего рельсового пути. При ю благоприятном стечении обстоятельств в рельсах и рельсовых плетях всв никают напряжения, близкие к критическим с точки зрения предела проч ности сварных рельсовых стыков. До 50% рельсов выходят из строя по дефектам в стыковой зоне.3. Стыки в огромном количестве (несколько сотен тысяч в год) образуются при укладке пути в кривых, текущем содержании и различных ремонтах путем обрезки и вырезки дефектных мест при использовании рельсорв ных абразивных машин (станков), характеристики которых в настоящее время не оптимальны.4. Недостаточно высокое качество стыков, образованных с применением существующего оборудования, обусловлено высокой температурой нагре ва рельса в зоне среза, приводящим к нежелательным металлургическим изменениям материала рельса, недостаточной, жесткостью самих станков, приводящей к появлению макродефектов, малой долговечностью a6pi;

зивного инструмента, влекущей за собой дороговизну работ по ремонту и текущему содержанию.5. Повышение качества стыков и устранение недостатков существующих абразивных рельсорезных машин связано с использованием новых высо кокачественных абразивных кругов, позволяющих реализовать высокую окружную скорость резания рельсов до 80… 100 м^ разработкой новых схемно-конструктивных решений станков, развитием теории высокосю ростного резания рельсов, совершенствованием методов структурного синтеза механизмов рельсорезных станков, развитием методов их расчета, проектирования и конструирования.6. В ходе аналитических исследований по вопросам создания нового обо рудования были выявлены определенные зависимости между величиной скорости резания, качеством стыка и параметрак1и резания, в частности: установлен благоприятный факт понижения касательной силы резания Fz при увеличении окружной скорости резания vустановлено, что мощность резания Р по мере увеличения окружной ско рости остается примерно постояннойустановлен факт существенного повышения производительности абра зивной обработки Я при возрастании скорости резанияаналитически показано, что контактная температура высокоскоростного +/- 35) Н, причем исключаются дефекты стыков в виде прижогов и микротрещин .7. Результатами экспериментальных исследований бьши подтверждены всв можные значения параметров резани^ определенные аналитическим спо собом. При этом численные значения их составили (в скобках приведены результаты аналитических вычислений): .скорость объемного износа режущего инструмента Vk (MMVC) = 1-Ь6…374 (255…846,7) — долговечность режущего инструмента Г (мин.) = 12 (4,8… 19Д) — контактная температура в зоне резания 7^ («С) = 220 («200…400) — производительность П (MVC) = [120…400 (200…600)]х 10^ На основании анализа всей совокупности полученных результатов сделан вьгоод о целесообразности применения высокоскоростных рельсорезных абразш ных станков, обуславливающих высокое качество стыков промьшшенных, маги стральных и городских путей. 8. В ходе проработки вопросод связанных с расчетом, проектированием и конструированием высокоскоростных рельсорезных станков для применения при текущем содержании и ремонте рельсовых путей транспортных и транспортно технологических систем были рассмотрены критерии качества станка, которых следует придерживаться при проектировании, чтэбы уменьшить вредные явления такие, как перекос стыка, шероховатости, задиры и пр.: высокая поперечная жесткостьвозможность наложения на основное движение круга дополнительных ос цилляцииавтоматическое поддержание на постоянном уровне окружной скороети р зания по мере радиального износа кругавозможно более низкая масса станкавозможность разрезания рельса с одного (максимум с двух) установасоответствие окружной скорости круга рациональному диапазону (90±10)м/свозможность быстрой установки и снятия станка с рельса, надежность его за крепления- ^ обеспечение перпендикулярности реза к оси рельсавысокая динамическая сбалансированность вращающихся частей, исклю чающая вибрацию и вредное воздействие на руки оператора и прспециальная рецептура отрезных кругов. По каждому из рассмотренных критериев были выработаны конкретные практические рекомендации. В частности рассмотрены способы поддержания го стоянной окружной скорости резания у электроприводных и бензопрйводных станков, предложен вариант кулачкового рельсового зажима для любого из трех типов рельса (Р65, Р70, Р75), исследованы динамические процессы, протекающие в работающем станке и аналитически показано, что несмотря на высокую ско рость вращения отдельных частей вредных динамических явлений (в частности резонансного характера) наблюдаться не будет.9. Для разработки механизмов подач путевых механизированных инстру ментов изложен метод структурного синтеза по принятому числу звеньец основ ные зависимости для механизмов различных семейстц произведен анализ воз можных разновидностей механизмов со второго по шестое семейство с иллюстра циями и рассмотрено применение метода структурного синтеза к созданию раз личных механизмов подач. На основании изложенного сделаны выводы о наибо лее предпочтительных методах синтеза и структурных вариантах механизмов. Кроме того, сделано уточнение к теории строения рельсообрабатывающих стан ков, состоящее в предложении рассматривать систему «станокрельс», как замк нутую, с трехподвижной кинематической парой «абразивный круг — рельс». Расмотрен также вопрос устранения избыточных связей в механизмах подач пув вых инструментов.10. В рамках исследования вопросов охраны труда при возросшей скорости режущего инструмента изложена методика расчета и выполнен расчет и проекти рование нового усиленного защитного кожуха для предохранения оператора от травм в случае разрыва круга в процессе работы.11. Выполнен сравнительный анализ предложенного станка с зарубежными аналогами по показателям качества, в ходе которого установлено соответствие нового образца общепринятым стандартам и его конкурентоспособюсть.12. Обоснована экономическая целесообразность внедрения нового образца взамен устаревших станков. При этом установлено, что несмотря на более высо кую стоимость нового режущего иструмента, увеличенный годовой объем работ и более низкий расход абразивных кругов, компенсируют возникающие издержки.13. На базе ОАО «КЗТМ» налажено серийное производство в объеме 120… 150 шт. в год, высокоскоростных абразивных рельсорезных станков. РР80, обеспечивающих требуемое высокое качество рельсового пз^ ги транспортных и транспортно-технологических систем страны, ее регионов и городов при ремонте и текущем содержании.