Содержание
Задача №1. Мотоцикл массой 300 кг начал движение из состояния покоя на горизонтальном участке дороги. Затем дорога пошла под уклон, равный 0,02. Какую скорость приобрел мотоцикл через 10 с после начала движения, если горизонтальный участок дороги он проехал за половину этого времени? Сила тяги и коэффициент сопротивления движению на всем пути постоянны и соответственно равны 180 Н и 0,04.
Задача №2. Брусок массой 2 кг находится на наклонной плоскости с углом наклона 30°. Какую силу, направленную горизонтально (рис. 39), надо приложить к бруску, чтобы он двигался равномерно по наклонной плоскости? Коэффициент трения бруска о наклонную плоскость равен 0,3.
Задача №3. Поместите на линейке небольшой предмет (резинку, монету и т. д.). Постепенно поднимайте конец линейки, пока предмет не начнет скользить. Измерьте высоту h и основание b полученной наклонной плоскости и вычислите коэффициент трения.
Задача №4. С каким ускорением а скользит брусок по наклонной плоскости с углом наклона α = 30° при коэффициенте трения μ = 0,2?
Задача №5. В момент начала свободного падения первого тела с некоторой высоты h второе тело стало скользить без трения с наклонной плоскости, имеющей ту же высоту h и длину 1 = nh. Сравнить конечные скорости тел у основания наклонной плоскости и время их движения.
Задача №6. С какой силой, направленной горизонтально, давит вагон трамвая массой 24 т на рельсы, если он движется по закруглению радиусом 100 м со скоростью 18 км/ч? Во сколько раз изменится эта сила, если скорость движения увеличится в 2 раза?
Задача №7. Автомобиль массой 2 т проходит по выпуклому мосту, имеющему радиус кривизны 40 м, со скоростью 36 км/ч. С какой силой автомобиль давит на мост в его середине?
Задача №8. Мальчик массой 50 кг качается на качелях с длиной подвеса 4 м. С какой силой он давит на сиденье при прохождении среднего положения со скоростью 6 м/с?
Задача №9. На конце стержня длиной 1 м укреплен груз массой 0,4 кг, приводимый во вращение в вертикальной плоскости с постоянной частотой обращения. С какой силой действует груз на стержень в верхней и нижней точках траектории при частоте обращения: а) 0,4 с-1; б) 0,5 с-1; в) 1 с-1?
Задача №10. Велотрек имеет закругление радиусом 40 м. В этом месте он наклонен на 40° к горизонту. На какую скорость езды рассчитан такой наклон?
Выдержка из текста работы
Движение считают тяжеловесным, если осевые нагрузки равны 25 т и более, объем ежегодных перевозок по линии составляет не менее 20 млн. т брутто или масса поездов превышает 5000 т.
В настоящее время на Российских железных дорогах в постоянном обращении находятся поезда массой 6 тыс.т. В период до 2010 г. для перевозки руды, угля и нефти планируется организовать движение поездов массой от 6 до 18 тыс.т. В связи с этим проводятся комплексные исследования по применению осевой нагрузки 30 т, которую планируется вводить на отдельных участках железных дорог.
При использовании высокопрочных сталей в системе колесо-рельс в перспективе в эксплуатации возможны осевые нагрузки, достигающие 60 т и более.
За рубежом тяжеловесное движение поездов осуществляется, как правило, на специализированных однопутных линиях. Нормы устройства и содержания на этих линиях устанавливаются исходя из динамических характеристик подвижного состава конкретных типов, используемого для перевозки грузов, и могут не совпадать с общепринятыми.
При смешанном движении грузовых и пассажирских поездов в основном используются однопутные линии и двухпутные участки, построенные по габаритам однопутных (исключение составляют железные дороги европейских стран). При таком устройстве линий устранена возможность попадания сошедшего подвижного состава на соседний путь, т.е. практически исключается столкновение с ним поезда, следующего по другому пути. Это позволяет ряду железных дорог принимать сугубо экономические критерии оценки безопасности движения и допускать существенно менее жесткие нормы устройства и содержания пути, чем на Российских железных дорогах.
Введению в обращение тяжеловесных поездов и подвижного состава с повышенными осевыми нагрузками, как правило, предшествуют работы по усилению пути. Особое внимание уделяется вопросам прочности и устойчивости земляного полотна, созданию высокоэффективных систем дренажа, водоотвода и специальных защитных слоев. Жесткие требования предъявляются к качеству балластных материалов. Вводится контроль жесткости пути, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Применяются деревянные шпалы, изготовленные только из твердых пород древесины. Предпочтение отдается рельсовым скреплениям раздельного типа, обеспечивающим постоянную величину прижатия подошвы рельса к шпале. Такие меры позволяют не только обеспечить прочность и надежность верхнего строения пути, но и существенно снизить затраты на его текущее содержание.
Администрации железных дорог имеют возможность выбора путей оптимизации эксплуатационной деятельности при тяжеловесном движении с обеспечением его экономической эффективности. Процесс оптимизации основывается на системном подходе, в котором одновременно рассматривается единица подвижного состава, колесо, рельс и путь в целом.
Обеспечение оптимальных условий работы колеса и рельса
рельса колесо подвижной состав
В достижении экономии топливно-энергетических ресурсов, расходуемых на тягу поездов, а также увеличения ресурса колес и рельсов, значимая роль принадлежит согласованности их профилей в зоне контакта.
Функционально профили рельса и колеса можно разделить на следующие области:
— область А — контакт между средней частью головки рельса и обода колеса;
— область В — контакт между выкружкой головки рельса и галтелью в основании гребня;
— область С — контакт между наружными зонами рельса и колеса.
Зоны изнашивания колес
Основными формами гребневого контакта являются: двухточечный контакт, одноточечный контакт, конформный контакт*.
(* — контакт конформный — форма контакта области гребня колеса и зоны рабочей выкружки головки рельса, при которой профили колеса и рельса имеют подобные очертания. Имеются определения степени конформности: просто конформный и плотно конформный).
Переход к конформным профилям — это одно из решающих достижений зарубежных железных дорог в решении проблем системы колесо-рельс.
При разработке конформного профиля важно учесть такие моменты:
— радиусы и длины дуг профиля;
— контакт по касательной при слиянии этого профиля с профилем поверхности катания колеса, чтобы гарантировать минимальную возможность двухточечного контакта между поверхностью катания и гребнем;
— допустима некоторая свобода при выборе угла наклона гребня для соответствия существующим стандартам текущего содержания;
— радиусы рабочей грани рельса должны следовать профилю гребня и плавно переходить в профиль поверхности катания головки рельса, избегая возникновения двухточечного контакта между рельсом и колесом.
На отечественных железных дорогах внедрение таких профилей сдерживается недостаточным уровнем оснащенности железных дорог рельсошлифовальными поездами и, главным образом, конструкцией и техническим состоянием станочного оборудования для обточки колесных пар. Грамотное применение на отечественных железных дорогах «ремонтных» профилей обточки колес позволило несколько увеличить их ресурс. Однако одной из важнейших задач является разработка и широкое внедрение специального оборудования, обеспечивающего поддержание в эксплуатации профилей поверхности катания колес с допуском не более 2мм.
Конформный контакт возникает по мере износа рабочей выкружки рельса и гребня колеса до общего профиля вследствие интенсивного гребневого контакта в кривых. Отмечено, что этот профиль примерно одинаков при различных условиях гребневого контакта на разных железных дорогах. Независимо от механизма конформного контакта, профили рельса и колеса, изношенные до соответствующей ему конфигурации, успешно ее сохраняют и показывают хорошую работоспособность с точки зрения усталостной долговечности.
Контакт гребня с рельсом зачастую является показателем неправильно организованного направления колесной пары в колее и причиной изнашивания и потерь энергии и поэтому должен быть объектом особого внимания. При контакте стального колеса со стальным рельсом обеспечивается чрезвычайно низкое сопротивление качению подвижного состава. Как показывает опыт, зазор в колее в кривых не должен увеличиваться более чем на 10-12 мм. При больших зазорах происходят усталостные повреждения внутреннего рельса, а интенсивность изнашивания гребня и боковой поверхности головки рельса увеличивается. Для оптимизации профилей колеса и рельса по контактным напряжениям даются рекомендации, в том числе менять зазор в колее на прямых участках.
Поверхность катания прерывается в зоне стыков и на стрелочных переводах и пересечениях некоторых типов. В результате возникают ударные нагрузки на колесо и рельс, и смещается зона контакта на профиле колеса. Это, в свою очередь, может оказать влияние на направление колесной пары.
Вертикальная нагрузка в зоне контакта зависит от массы подвижного состава, скорости его движения, характеристик рессорного подвешивания и геометрических параметров пути. Динамические характеристики подвижного состава оказывают непосредственное влияние на элементы пути такие, как рельсы, рельсовые подкладки, шпалы, балласт и земляное полотно.
Наиболее типичными ограничениями, препятствующими созданию оптимального пути, являются:
— стоимость рельсовых скреплений;
— ограничения по стоимости материалов, которые используются для балласта и в основании пути, и их объему;
— затраты на строительство, текущее содержание и ремонт пути.
Лубрикация боковой поверхности головки рельса и гребней колес
Рельс представляет собой наиболее дорогой элемент путевой структуры. На многих железных дорогах расходы в рельсовом хозяйстве стоят на третьем месте после затрат на оплату труда и топливно-энергетических ресурсов. Пропущенный тоннаж, выдерживаемый рельсом до снятия с пути, варьируется от 100 млн. до 2,5 млрд. т брутто.
Для условий тяжеловесного движения широко используются высокопрочные термообработанные рельсы. В российских стандартах оговорена твердость на глубине 10-22 мм от поверхности катания, например, для рельсов категории Т1 — не менее 321 НВ на глубине 22 мм. Это требование должно выполняться для обеспечения необходимого уровня износостойкости, когда головка рельса изношена. Требуемый минимум твердости рельсовой стали — 300 HB. Разброс значений твердости на поверхности катания одного рельса не должен превышать 30 HB.
Механические свойства первосортных рельсов
Рельсы и колеса металлургически сходны. В обоих элементах применяют стали, имеющие высокое содержание углерода (0,65-0,82%). Бейнитные стали (содержание углерода 0,20-0,43%) были созданы с целью увеличить сопротивляемость рельсов повреждениям в условиях высокоскоростного и тяжеловесного движения. Российский стандарт на рельсы и колеса регламентирует также содержание неметаллических включений.
Химический состав (массовая доля элементов), %, рельсовой стали
(*- стандарт будет изменен в ближайшее время).
Химический состав (массовая доля элементов),% колесной стали
Ни одна конкретная конструкция не может обеспечить движение без взаимодействия гребней колес с рельсами при движении в кривых. Естественной реакцией на такую ситуацию является смазывание гребней. Лубрикация гребня — быстрый и эффективный путь решения проблемы, причем без ущерба для направляющих сил. Если профиль колеса в области гребня конформен профилю рельса, имеют место самая большая площадка контакта и наименьшие контактные напряжения, а также создаются оптимальные условия для поддержания смазочной пленки. Это одно из главных преимуществ конформного контакта, поскольку лубрикация сразу снижает интенсивность износа гребня и рабочей грани рельса. Опыт показывает, что интенсивность изнашивания гребня снижается в 6 раз по сравнению с условиями, когда лубрикация не производится.
Выгоды от введения лубрикации включают:
— снижение износа боковой поверхности головки рельсов и гребней колес, что приводит к уменьшению интенсивности замены колес и рельсов;
— сокращение расхода топлива или электроэнергии, обусловленное улучшением взаимодействия колеса и рельса;
— уменьшение выделения шума, связанного с взаимодействием колеса и рельса.
Оптимальной является такая система лубрикации, которая обеспечивает уменьшение расхода энергии, изнашивания и сменяемости колес и рельсов без создания отрицательных эффектов воздействия на тяговые характеристики поезда и движение экипажей в кривых.
Вместе с тем лубрикация — дорогая и обременительная технология, связанная с проблемами материально-технического обеспечения. Поэтому любое, даже половинчатое решение в направлении совершенствования является положительным.
Существуют три типа устройств для лубрикации рельсов и колес:
— передвижные лубрикаторы;
— локомотивные гребнесмазыватели;
— напольные лубрикаторы (с механическим, гидравлическим или электрическим приводом).
Требования к смазочным материалам для лубрикации должны включать необходимость обеспечивать смазывание до заданного уровня контактных давлений и при повышенной и пониженной влажности. Смазочные материалы не должны смываться дождем и выдерживать окружающую температуру от — 40 до + 70 градусов. Кроме того, материал должен выдерживать температуру, возникающую при взаимодействии колеса и рельса и во время торможения. Песок, применяемый для увеличения сцепления колеса с рельсом, не должен прилипать к материалу после нанесения на поверхность. Материал также не должен воспламеняться, быть опасным или оказывать вредное воздействие на окружающих. Все смазочные материалы, предназначенные для лубрикации в системе колесо-рельс, должны быть сертифицированы.
Для передвижных рельсосмазывателей ежемесячно определяются три показателя: средняя протяженность регулярно смазываемых участков пути, расход смазочного материала на километр смазываемого пути, число проходов рельсосмазывателя. Величины этих показателей зависят от характеристик конкретного участка пути, объема движения, типа смазочного материала и конструкции устройства для его нанесения. Измеренные значения показателей сравниваются с расчетными для данного участка пути, типа рельсосмазывателя и применяемого смазочного материала.
На ряде железных дорог разработан метод оценки эффективности лубрикации на основе визуального контроля состояния поверхностей рельсов с применением специальной экспертной таблицы.
Экспертная таблица эффективности лубрикации
|
Наблюдаемое состояние боковой поверхности головки рельса |
Оценка коэффициента трения |
|
|
Грубая, со следами вырывов от схватывания |
Около 0,6 |
|
|
Грубая, изборожденная |
0,45-0,6 |
|
|
Гладкая, блестящая, несмазанная |
0,35- 0,45 |
|
|
Гладкая, со следами смазочного материала на 10 — 40 % поверхности |
0,30-0,35 |
|
|
Гладкая, на 40 — 60 % покрытая смазочным материалом |
0,25-0,30 |
|
|
Гладкая, на 60 — 90 % покрытая смазочным материалом |
0,20-0,25 |
|
|
На 100 % покрытая тонким слоем смазочного материала |
0,15- 0,20 |
|
|
На 100 % покрытая толстым слоем смазочного материала темного цвета |
Менее 0,15 |
Из опыта тяжеловесного движения можно заключить, что:
— лучшие результаты получаются при использовании консистентных, а не жидких смазочных материалов;
— при применении напольных рельсовых лубрикаторов загрязняются непосредственно прилегающие к ним участки рельсов, что создает проблемы со сцеплением локомотивов. Кроме того, смазывание рельсов утрачивает эффективность на расстоянии более 100 м от лубрикатора, а также требуется длительное время, чтобы распределить смазочный материал по поверхности рельсов после шлифования;
— лубрикация гребней локомотивов может быть эффективной только при поддержке персонала локомотивной службы, который обычно с подозрением относится к лишним объектам внимания при обслуживании локомотивов;
— лубрикация рельсов с помощью перемещающихся по пути рельсосмазывателей, как оказалось, является оптимальным техническим решением. Смазочный материал наносится равномерно по всему рельсу, который требует лубрикации. Смазывание можно выполнять немедленно после шлифования. Недостаток этого способа заключается в том, что он требует выделения особых ниток графика для пропуска транспортного средства с рельсосмазывающим устройством.
В обязанности специалистов-путейцев входит обеспечение максимально эффективного использования рельсов. В достижении этой цели действенными средствами являются поддержание оптимального профиля рельсов и тщательный контроль их технического состояния.
Продлить срок службы рельсов и снизить связанные с их эксплуатацией расходы можно за счет реализации комплекса следующих мер:
— перепрофилирование рельсов;
— управление трением (с применением различных видов лубрикации);
— контроля ширины колеи;
— контроля состояния рельсов.
Перепрофилирование рельсов. Срок службы рельсов и колес уменьшается при ухудшении условий их контакта вследствие смещения полосы контакта или смятия головки рельса. Регулярным снятиям металла можно управлять контактной усталостью рельса, которая, в конечном счете, связана с внутренними дефектами. Возникновением и развитием дефектов можно управлять периодическим перепрофилированием рельсов.
Управление трением. Обеспечение коэффициентов трения на рабочей грани и поверхности катания головки рельса в заданных (разных для каждой поверхности) пределах может способствовать снижению износа рельсов и колес и уменьшению расхода топлива.
Контроль ширины колеи. С увеличением бокового износа рельсов происходит уширение колеи и изменение местоположения зоны контакта колеса и рельса, что может увеличить изнашивание и контактную усталость. При уширении колеи в результате динамического воздействия колес в рельсах могут возникать контактно-усталостные дефекты. Лубрикацией и поддержанием рельсовых скреплений в надлежащем состоянии можно повысить стабильность ширины колеи.
Контроль состояния рельсов. Контактная усталость рельсов под воздействием высоких осевых нагрузок в сочетании с уменьшением поперечного сечения головки рельса в результате изнашивания и шлифования является идеальной предпосылкой для разработки и реализации на практике системы текущего содержания и ремонта пути по фактическому состоянию с использованием имеющихся на сегодняшний день измерительных устройств. По мере интенсификации развития некоторых внутренних дефектов они могут быть выявлены с помощью современных средств дефектоскопии, и при обнаружении дефектов, выходящих за пределы допустимого, соответствующий рельс заменить. Достижения технологии позволяют достаточно точно и единообразно измерять профиль рельса и, соответственно, определять интенсивность изнашивания и на основании этого планировать текущее содержание и ремонт.
Для полного использования ресурса рельсов целесообразно:
1. Разрабатывать проектные профили рельса, обеспечивающие минимальные контактную усталость и износ.
2. Измерять состояние рельсов и колес для определения потребности в техническом обслуживании и ремонте.
3. Разработать методологию прогнозирования изнашивания рельсов и колес.
4. Разработать методологию прогнозирования контактно-усталостной долговечности рельса и колеса.
5. Выполнить экономическую оценку рельсов различных типов исходя из соответствия их прочности и надежности условиям эксплуатации. Определить сферы применения рельсов из стали высококачественных и средних марок на линиях с разной грузонапряженностью и в кривых разного радиуса, исходя из минимальной стоимости их содержания за весь срок службы. На основе технико-экономического анализа разработать систему перекладки и повторного использования старогодных рельсов.
6. Ввести в практику перепрофилирование (профильное шлифование) рельсов до очертаний проектного профиля для устранения выкрашиваний металла, волнообразного износа и сетки параллельных трещин на рабочей выкружке рельса.
7. Установить напольные лубрикаторы в местах повышенной интенсивности бокового износа рельсов.
8. Ввести увеличенные пределы допускаемого износа рельсов, уложенных на второстепенных линиях, и разработать для этого новую конструкцию стыковой накладки (предельные нормы износа рельсов связаны с недопущением касания гребнем колеса стыковой накладки).
9. Установить новые пределы допускаемого износа колес.
10. Регулярно и достаточно часто проводить ультразвуковую дефектоскопию рельсов, а также регулярно измерять параметры их профиля и износа. При этом важное значение имеет качественная оценка результатов измерений. Для разработки единой политики в этой области необходимо определить взаимосвязь износа рельсов и состояния пути по геометрическим параметрам, в том числе по уширению колеи.
11. Регулярно и достаточно часто проводить дефектоскопию колес, а также регулярно измерять параметры их профиля.
12. Регулярно и достаточно часто осуществлять шлифование рельсов. Периодичность шлифования, которое предпочтительно выполнять за один проход, устанавливать исходя из недопущения пластических деформаций и накопления контактной усталости в металле головки между очередными шлифованиями.
13. Скорректировать нормативы перепрофилирования рельсов и периодичность проверки рельсов на линиях с увеличенными допусками на износ рельсов.
14. Внедрить систему перепрофилирования колес по их фактическому состоянию.
Не все из указанных мер сразу дадут существенную экономию эксплуатационных расходов. В продление срока службы рельсов и колес частичный вклад внесет каждая из них. Решающее значение в осуществлении этой стратегии имеет ясное понимание всеми специалистами конечной цели и роли каждого из элементов системы. Это потребует от руководства служб пути и специалистов-путейцев овладения знаниями о роли правильного определения профилей рельсов и колес, механизмах контактной усталости рельсов и интенсивности их изнашивания.
Контроль состояния рельсов
Для обеспечения максимального срока службы рельсов железные дороги с тяжеловесным движением контролируют интенсивность развития в них дефектов, основываясь на результатах их периодической проверки ультразвуковыми или индукционными средствами контроля, с заменой рельсов с очевидными признаками контактно-усталостных повреждений.
На железных дорогах с тяжеловесным движением чаще всего применяется ультразвуковой метод дефектоскопии рельсов.
При контроле состояния рельсов решающее значение имеет интервал между проверками. Чтобы минимизировать себестоимость рисков, администрация железной дороги должна выбирать частоту проходов контрольно-измерительных средств исходя из баланса стоимости контроля и замены рельсов с учетом предполагаемых убытков от возможных сходов. При этом надежность и рабочая скорость измерительной системы играют важную роль.
Основная цель дефектоскопии рельсов заключается в снижении годовых расходов, связанных с изломами рельсов. Однако при этом следует учитывать большое число переменных параметров, важнейшие из которых приведены ниже:
Факторы управления риском схода подвижного состава из-за излома рельса
Основные положения управления рисками. Непосредственная стоимость не выявленных повреждений рельсов представляет собой разность между стоимостью замены лопнувших рельсов в аварийной ситуации и стоимостью замены дефектных рельсов в обычном порядке.
Число выходов из строя рельсов в эксплуатации тесно связано с эффективностью контроля. Железные дороги с тяжеловесным движением располагают специализированными мобильными контрольно-измерительными средствами, с помощью которых можно проверять рельсы достаточно часто (даже ежемесячно). Темп развития дефектов непостоянен и зависит от многих факторов, поэтому редко удается прогнозировать его с достаточной достоверностью. На линиях с тяжеловесным движением контроль состояния рельсов сопряжен с определенными трудностями. Из-за высокой грузонапряженности интенсивность роста дефекта высокая, что требует сокращения интервала между проверками. Интенсивность развития дефекта может также возрастать вследствие многократного повторения единообразных воздействий колес на рельсы. В то же время высокие осевые нагрузки могут приводить к накоплению контактных усталостных повреждений поверхности рельса, в результате чего показания контрольно-измерительной аппаратуры могут быть ошибочными. Применение рельсов с различными металлургическими характеристиками еще более осложняет задачу. Большинство железных дорог с тяжеловесным движением пытаются управлять рисками, определяя достоверность контроля путем оценки количества отказов, происходящих вскоре после проверки и сравнения соотношения количества проверенных и дефектных рельсов.
Практикуется более тщательная проверка стрелочных переводов и сварных стыков. Некоторые железные дороги используют ручные методы, при которых обычно применяются такие же схемы контроля, как в вагонах-дефектоскопах. Из практики следует, что расходы, связанные с низкой эксплуатационной надежностью линий, столь высоки, что выгоднее применять весьма эффективные системы контроля, придавая особое значение высокой эффективности обнаружения больших дефектов, в сочетании с частыми проверками.
Прогнозирование контактной усталости рельса. На большинстве железных дорог регулярное прогнозирование срока службы рельсов осуществляют с использованием распределения Вейбулла для расчета интенсивности накопления усталости.
Для получения соответствующих результатов анализа рельсов путь должен быть разделен на однородные участки. Для анализа требуется следующая информация:
— тип дефекта (классификация повреждений);
— наработка до выхода рельса из строя;
— продолжительность эксплуатации до выхода рельса из строя;
— сведения о выполненных работах по текущему содержанию и ремонту;
— сведения об инфраструктуре (местоположение в пути и т.д.).
Длины отдельных участков пути в зависимости от конкретных условий могут варьироваться в диапазоне от 5 до 50 км.
Метод Вейбулла полезен для идентификации мест, где тенденции носят установившийся характер, по сравнению со случаями, когда дефекты остаются неизменными. Более опасной является ситуация, при которой возрастает интенсивность возникновения дефектов, так как это может свидетельствовать о сформировавшемся усталостном процессе. Эти прогнозы используются для выявления установившихся закономерностей в появлении дефектов, что помогает более обоснованно назначать сроки замены рельсов. Выявленные закономерности позволяют выбирать мероприятия по улучшению состояния рельсов, например подбивку рельсовых стыков, наплавку концов рельсов, снятие внутренних напряжений на рабочей выкружке головки рельса или устранение ползунов на колесах.
Рельсы следует заменять тогда, когда годовые затраты на устранение дефектов рельсов превышают выгоды от отсрочки замены на следующий год.
Методы восстановления профиля рельсов и цели шлифования
В эксплуатации после огромного числа взаимодействий колеса и рельса их поверхностная твердость увеличивается по сравнению с исходной. Хотя процессом эксплуатационного упрочнения управлять трудно, это явление необходимо учитывать при оптимальной технологии шлифования рельса и обточки колес.
Одним из самых эффективных способов продления срока службы рельсов является шлифовка (корректирующее шлифование). Благодаря максимально возможной отсрочке замены рельсов без риска для безопасности движения поездов можно экономить значительные средства (до 14% от стоимости укладки 1 км новых рельсов).
Для поддержания требуемого профиля рельсов применяют шлифование и строгание. Чаще всего выполняют шлифование рельсов, при котором снимают ограниченное количество металла. К строганию обычно прибегают в том случае, если головка рельса деформирована до такой степени, что для восстановления ее профиля требуется удаление большого количества металла.
Естественные процессы износа и структурных изменений рельсовой стали могут протекать с различной интенсивностью. В одном случае они позволяют эксплуатировать рельсы в течение достаточно длительного времени, в другом — приводят к быстрому выходу рельсов из строя. Это зависит от величины возникающих контактных напряжений и предела текучести рельсовой стали. Несбалансированность этих показателей приводит к неэкономичному использованию ресурса рельсов.
Шлифование рельсов развивалось как действенное средство контроля процессов появления и развития контактной усталости металла на поверхности катания рельсов и пластической деформации. Для железных дорог с тяжеловесным движением особенно характерны пластические деформации, которые ухудшают состояние поверхности катания и видоизменяют профиль головки рельса. На линиях со смешанным движением основное внимание сосредоточено на обеспечении плавности хода и снижении шума в условиях ограниченного времени занятия перегона. Несмотря на различие методов шлифования, применяемых на разных железных дорогах, его цели одни и те же:
— поддержание баланса между всеми механизмами изнашивания рельсов для предотвращения преждевременной их замены из-за накопления контактной усталости в поверхностном и подповерхностном слоях;
— улучшение вписывания и обеспечение динамической устойчивости экипажей;
— контроль состояния поверхности катания рельсов с целью недопущения роста динамических нагрузок и вибраций в пути;
— контроль характеристик взаимодействия колеса и рельса.
Схемы шлифования
Схема шлифования — сочетание местоположения шлифовальных кругов с их приводами и величин прикладываемого давления, обеспечивающее формирование заданного профиля головки рельса при последовательном проходе ряда шлифовальных кругов. Схемы шлифования обычно характеризуются долей (в процентах) шлифовальных кругов, размещаемых в каждой из шести основных зон шлифования рельса.
Зоны шлифования головки рельса
Зоны головки рельса и результаты, ожидаемые после шлифования этих зон:
|
Зона |
Цель шлифования |
|
|
Дальняя часть наружной головки рельса |
Удалить наплывы металла на внутреннем рельсе кривой. Обеспечить зазор между ложным гребнем и внутренним рельсом кривой на участках со стабильной шириной колеи, например на ж.б. шпалах. Увеличить радиус круга катания колеса пот наружному рельсу для улучшения вписывания в пологие кривые за счет перемещения контакта к рабочей выкружке головки рельса. |
|
|
Ближняя часть наружной головки рельса |
Уменьшить радиус поверхности катания чрезмерно плоской головки внутреннего рельса кривой. Обеспечить зазор между ложным гребнем и рельсом на участках с уширенной колеей или меняющейся шириной колеи. |
|
|
Средняя зона головки рельса |
Увеличить ширину полосы контакта, в зоне которой наблюдаются чрезмерные контактные напряжения из-за частого профильного шлифования. Удалить волнообразные неровности максимальной величины в средней зоне головки рельса. Удалить параллельные поверхностные трещины на полосе контакта. Удалить пробоксовины на рельсе и неровности в сварных стыках. |
|
|
Ближняя часть внутренней зоны головки рельса |
Уменьшить радиус круга катания колеса по внутреннему рельсу для улучшения вписывания в пологие кривые за счет перемещения контакта к наружному краю головки рельса. Увеличить радиус поверхности катания головки бывшего наружного рельса кривой, переложенного на внутреннюю нить. Удалить трещины и отслоения металла на рабочей выкружке головки рельса. Которые распространяются к середине. |
|
|
Средняя часть внутренней головки рельса |
Удалить трещины и поверхностные выкрашивания металла на рабочей выкружке головки рельса на участках со стабильной шириной колеи. Удалить пластические деформации металла на рабочей выкружке внутреннего рельса кривой. Удалить наплывы металла и подповерхностные трещины на рабочей выкружке наружного рельса кривой, который до перекладки был внутренним. Обеспечить конформный контакт колеса и рельса или сгладить зону контакта внутренней грани рельса и галтели у основания гребня колеса. |
|
|
Дальняя часть внутренней зоны головки рельса |
Удалить отслоения и выщербины на рельсе на участках с интенсивным выкрашиванием металла, плохим состоянием шпал или в крутых кривых малого радиуса. Удалить наплывы металла на внутренней грани головки рельса. |
Предварительное планирование
Факторами, определяющими высокую эффективность и производительность шлифования, являются соблюдение режимов шлифования и планирование работ. Рабочий план-график должен быть составлен до прибытия рельсошлифовальной машины на линию и основываться на результатах обследования выделенных участков. Обследование следует проводить с использованием шлифовального шаблона и прямоугольно-клинового путевого шаблона. Представитель службы пути должен участвовать в выработке плана.
В плане-графике должны быть подробно описаны применяемые схемы, указаны число проходов и скорость шлифования. Эти параметры рекомендуется нанести на плане пути с профилем, чтобы привязать местоположение кривых к постоянным сигналам и переездам. Это необходимо для того, чтобы оператор смог заранее настроить машину на определенную схему шлифования и выбрать скорость движения, обеспечивающую снятие слоя металла требуемой толщины. Руководитель работ должен сосредоточить основное внимание на внесении в план-график необходимых изменений и контроле качества шлифования. С планом-графиком следует ознакомить всех участников работ. Этот план, в частности, используется для информации поездного диспетчера о необходимости предоставления «окон» для проведения работ. Зная это, он может более эффективно регулировать движение поездов по блок-участкам.
Образец плана-графика работ по шлифованию рельсов, составленного с использованием персонального компьютера
Контроль качества работ
Высокая производительность шлифования требует, чтобы каждый привод с электродвигателем обеспечивал заданные давление и угол наклона шлифовального круга. Регулярная проверка процесса шлифования способствует повышению эффективности шлифования. Очередные проверки руководитель работ обязан проводить, по меньшей мере, один раз в «окно» продолжительностью 2 часа или больше.
Оптимизация срока службы колес и рельсов
Колесо и рельс выполняют функции передачи статических и динамических нагрузок то кузова вагона на верхнее строение пути. На площадке контакта между колесом и рельсом должна восприниматься вертикальная нагрузка и передаваться тормозная и тяговая направляющие силы. Взаимодействие в системе колесо-рельс играет основную роль в обеспечении работы системы экипаж-путь. Рассмотрение рельса, колеса и зоны их контакта в качестве самостоятельных элементов системы, а также управление взаимодействием колес и рельсов как системой позволяют оптимизировать их работу в условиях тяжеловесного движения.
Оптимизация срока службы рельсов
Рельс является неподвижным элементов системы колесо-рельс, поэтому его легче измерять и содержать. Для оптимизации срока службы рельсов предельно допустимые значения контактной усталости и износа должны достигаться одновременно. Однако лучше снимать рельсы с пути по износу до возникновения высокой степени риска усталостного разрушения. Если контактная усталость рельса находится под контролем посредством регулярного шлифования, рельсы в кривых или прямых можно в плановом порядке заменять по достижении предельного износа.
Условия максимального использования ресурса рельсов
Опыт показывает, что в процессе эксплуатации рельсы работают неодинаково и степень их износа зависит от радиуса кривых, режима лубрикации и даже от вида подрельсового основания. С экономической точки зрения имеет смысл рассмотреть планируемую замену отдельных рельсовых нитей в кривых и в прямых длиной 300-400 м. Из-за более высокой стоимости рельсов как таковых по сравнению со стоимостью их укладки обычно считают нецелесообразным заменять обе рельсовые нити кривой одновременно, если есть возможность продлить хотя бы на год эксплуатацию одной из нитей.
Поэтапное развитие износа рельса можно проиллюстрировать диаграммой износа:
Зоны выбора решений при управлении использованием ресурса рельсов
Боковой износ
Двумерное представление в виде вертикального износа по оси у и бокового износа по оси x является признанием того факта, что геометрические ограничения износа рельса и накопление внутренних напряжений совместно увязаны с величиной вертикального и бокового износа головки рельса. На диаграмме показаны несколько зон выбора решений, которые способствуют продлению срока службы рельса. В разных областях нарастания износа специалист-путеец вынужден принимать одно из следующих решений:
— перепрофилирование рельса путем шлифования;
— корректировка режима лубрикации;
— корректировка подуклонки рельсов;
— корректировка ширины колеи;
— перекладка рельса в другую нить (транспозиция);
— снятие рельса с последующим использованием на малодеятельной линии;
— снятие рельса со сдачей в металлолом.
При надежном и регулярном контроле состояния рельсов и четком представлении о максимально допустимом уровне изнашивания можно судить о значимости принимаемых решений и обеспечить активное управление состоянием рельсов в каждой отдельной кривой или прямой с целью продления их срока службы. Более экономично предусматривать транспозицию рельсов, имеющих скорее боковой, чем вертикальный износ.
Зоны выбора решений при управлении использованием ресурса рельсов массой 68 кг/м приведены на рисунке:
Стратегия использования рельсов
Стратегия максимального использования эксплуатационного ресурса рельса заключается в регулярном определении уровня износа через вектор изнашивания. Регулярное шлифование с предварительной оценкой состояния рельса предназначено для исключения преждевременной замены рельса вследствие чрезмерного накопления контактной усталости поверхности катания. Перепрофилирование позволяет также держать под контролем зону контакта колеса и рельса в наружной области головки рельса, на которой происходит внецентренная передача нагрузки. Также контролируется чрезмерное повреждение рабочей грани головки рельса.
В кривых большого и среднего радиуса при величине износа, соответствующей линии В, планируется замена рельсов.
Стратегия использования рельсов для кривых большого и среднего радиуса
В наружных нитях кривых малого радиуса при величине износа, соответствующей зоне транспозиции, для максимального использования ресурса рельса планируется перекладка рельсов с одной нити на другую.
Стратегия использования рельсов для кривых малого радиуса
Параллельно с этим для оценки потребности в замене рельсов из-за наличия внутренних дефектов проводят ультразвуковую дефектоскопию и прогнозирование возникновения и развития дефектов.
Для улучшения взаимодействия колеса и рельса ряд преимуществ дает использование более твердых рельсов из чистой стали. Прежде всего, они требуют меньшей частоты шлифования. При шлифовании по шаблонам, которые соответствуют естественному характеру изнашивания, т.е. обеспечивают конформный контакт, профиль головки рельса остается неизменным и требуется меньшее снятие металла для компенсации пластических деформаций. Хотя для более твердых рельсов требуются более жесткие допуски на профиль, однако, при правильном очертании головки рельса и надлежащих пределе текучести и чистоте металла термоупрочненные рельсы из легированной стали могут выдерживать современные нагрузки без преждевременного накопления контактной усталости. Если приходится часто восстанавливать профиль головки рельса, это свидетельствует о неправильно выбранном шлифовальном шаблоне.
Системный подход к управлению взаимодействием колеса и рельса
Если все службы, ответственные за содержание подвижного состава и пути в должном состоянии, независимо друг от друга будут предпринимать меры по оптимизации системы колесо-рельс, эти действия могут взаимно нейтрализовать любые возможные улучшения, а в некоторых случаях могут иметь отрицательные последствия.
Наибольшая трудность заключается в том, чтобы заставить службы подвижного состава и пути работать согласованно и вместе определять стратегию улучшения взаимодействия колес и рельсов с целью получения суммарного эффекта от оптимизации работы подвижного состава и пути как единого механизма для достижения устойчивой рентабельности тяжеловесного движения.
Для реализации такой стратегии следует предпринять меры по определению фактически существующих условий эксплуатации, исходя из которых, можно разработать нормы по текущему содержанию, обслуживанию и ремонту технических средств железнодорожного транспорта с учетом рентабельности на длительную перспективу. В их число входят:
По подвижному составу:
— профили колес;
— предельно допустимые величины износа колес;
— предельно допустимые величины некруглости колес и ползунов;
— предельно допустимые величины перекоса тележки в рельсовой колее;
— предельно допустимые величины ударной нагрузки на рельс.
По пути:
— ширина колеи;
— твердость рельсов;
— профили рельсов;
— предельные величины износа рельсов, а также нормы управления трением.
При наличии указанных нормативов колеса и рельсы следует систематически корректировать для поддержания требуемых профилей. Разработанные меры должны реализовываться на единой основе исходя из необходимости достижения согласованности между колесом и рельсом и перехода к профилактическому методу содержания и ремонта.
Важным элементом такого подхода является информационная система, которая нужна для обеспечения необходимыми данными всех специалистов, занимающихся управлением системой колесо-рельс.
Работу рельса нельзя оптимизировать без учета профиля колеса, ходовых характеристик тележки, и наоборот. Оптимизация работы колеса и рельса означает оптимизацию системы колесо-рельс и включает следующие положения:
— поперечное проскальзывание представляет собой фактор, оказывающий наиболее разрушительное воздействие на колесо и рельс, так что необходимы меры по улучшению вписывания в кривые;
— управление рисками повреждения рельсов посредством шлифования и дефектоскопии для достижения того, чтобы рельсы всегда заменяли только по износу;
— управление трением между колесом и рельсом посредством лубрикации;
— регулярное перепрофилирование рельсов с целью обеспечения конформного контакта с колесом и снижения высоких контактных напряжений;
— предотвращение износа поверхности катания колеса по прокату корытообразной формы посредством перепрофилирования;
— обеспечение стабильности ширины колеи с недопущением уширения более чем на 15 мм;
— применение рельсов из чистой, более твердой стали там, где это экономически оправдано.
Оптимизация взаимодействия пары трения колесо-рельс требует содержания рельсовой колеи и подвижного состава в рамках четко определенных допусков. Система их текущего содержания и ремонта должна базироваться на мониторинге технического состояния с прогнозом его изменения на ближайшую и отдаленную перспективу. В этих целях на пути и подвижном составе монтируются специальные комплексы диагностических средств, железные дороги оснащаются средствами оперативной передачи и обработки данных с этих комплексов, а также системами выработки предложений для принятия управленческих решений. Базы данных систем мониторинга содержат информацию не только по объектам инфраструктуры и подвижного состава, но и по формированию и режиму вождения каждого поезда.
Правильно организованное взаимодействие колеса и рельса допускает очень высокие осевые нагрузки. С другой стороны, конструкционные ошибки, недостаточно обеспеченное техническое обслуживание и ремонт могут привести к быстрому износу элементов системы и поставить под угрозу экономические показатели эксплуатационной деятельности железной дороги.
Общие замечания
Компоненты пути и подвижного состава работают в составе единой системы. В определенных обстоятельствах использование особо прочных компонентов позволяет применить другие, обладающие меньшей прочностью или худшими характеристиками (например, хорошо работающая система земляное полотно — балласт — шпалы может допустить использование облегченных рельсов). Однако общие экономические показатели системы достигаются за счет компромисса.
Особенности окружающей среды и практики технического обслуживания и ремонта могут привести к изменению рекомендуемых величин (например, высокий уровень загрязнения песком может потребовать отказа от лубрикации).
Не рекомендуются для широкого распространения или применения на линиях с тяжеловесным движением экспериментальные, новые или неапробированные конструкции, решения или материалы, пока не будет подтвержден их длительный срок службы в эксплуатации.
Размещено на
