21 января 2021 18:05

Между колесом и рельсом

Профиль колеса влияет на его износ

Взаимодействие в системе «колесо – рельс» всегда будет сопровождаться износом. Проблема – его интенсивность, скорость потери металла с рабочей поверхности гребней колёс и с боковой поверхности рельсов.
Игорь Пухов, ведущий конструктор дорожного конструкторско-технологического бюро Дальневосточной железной дороги
На этот процесс влияет много факторов. Поспешное изменение некоторых из них в начале 90-х годов прошлого века привело к очередному «колёсно-рельсовому вирусу». Чтобы найти от него «лекарство», были проведены десятки комплексных исследований взаимодействия подвижного состава и железнодорожного пути, внедрены технологии лубрикации и упрочнения. Но интенсивность износа всё же остаётся высокой.

При этом в академической науке наступил кризис идей, там до сих пор муссируют мифы о факторах, повлиявших на всплеск износа. Среди них – перевод букс с подшипников скольжения на подшипники качения, внедрение рельсов тяжёлых типов и железобетонных шпал, а также увеличение нагрузки на ось, излишнее возвышение рельсов, ухудшение состояния подвижного состава.

Действительно, когда одновременно меняется несколько факторов и все они оказывают то или иное негативное воздействие, выявить причину непросто. Большинство специалистов убеждены в том, что базовой причиной является сужение колеи с 1524 на 1520 мм. Так, перешивка путей в кривых на нормы широкой колеи (1524 мм) в метрополитене в 1992 году уменьшила на порядок интенсивность износа. На железной дороге тоже проводили эксперименты по возврату к широкой колее, но значительного эффекта они не дали. Дело в том, что на железнодорожном транспорте к тому времени изменились и другие факторы. Хотя, казалось бы, что можно поменять на консервативной железной дороге, чтобы за пару лет увеличить интенсивность износа в несколько раз? Ответ: за столь короткий срок можно изменить только профиль колёс, которые, как известно, перетачивают не реже одного раза в год. Профиль колёс вагонов в России не меняли с 30-х годов. А вот на бандажах локомотивов проводили многочисленные эксперименты.

В конце 80-х на локомотивах внедрили профиль Зинюка – Никитского, разработанный на основе американского профиля AAR-1B Львовской железной дорогой, и профиль ДМетИ, разработанный в Днепропетровском металлургическом институте на основе европейского профиля S1002. На бумаге профили получились идеальными. Кратковременные эксплуатационные испытания подтвердили низкую интенсивность износа гребня и боковой поверхности рельса. Новшество одобрили. Но через пару лет массовой эксплуатации локомотивных колёс с новыми профилями путейцы заметили, что выход рельсов по боковому износу значительно увеличился. Связать всплеск износа с внедрением новых профилей учёные не смогли, ведь износ этих колёс по сравнению с гостовскими профилями и сейчас меньше. Новые профили были и остаются вне подозрений. Остроту проблемы смягчили лубрикацией рельсов.

Что изменилось в системе «колесо – рельс»? Почему после внедрения новых профилей колёс изменение ширины колеи не оказывает влияния на интенсивность износа? И почему ремонтный профиль (тонкий гребень), который де-факто расширяет колею, не вернул износ к нормам середины 80-х? Почему сейчас интенсивность износа гребней колёс с профилями Зинюка – Никитского и ДМетИ больше, чем была в 80-х годах на колёсах с гостовскими профилями?

Всё дело в том, что наклон поверхности катания на профилях Зинюка – Никитского и ДМетИ не соответствует нормативной подуклонке рельсов. Колёса с новыми профилями довольно быстро стёрли поверхность катания на наружных рельсах с внутренней стороны на конус на величину в 0,5–1 мм. Подуклонка поверхности катания головки рельса изменилась с 1/20 на 1/12–1/15. Но кроме локомотивов на дороге есть ещё и вагоны, колёса которых, как известно, точат по ГОСТу. На наружном рельсе, стёртом на конус, контакт вагонных колёс сместился к краю колеи на 6–10 мм, что уменьшило разность диаметров колёс на колее 1520 мм по окружностям взаимодействия с 1,4 до 0,8–0,4 мм. А на колее 1530 мм – с 2,4 до 1,8–1,4 мм. Фактор испорченных рельсов на суженной колее ухудшил вписываемость вагонных колёс в несколько раз. Из-за этого увеличилось относительное проскальзывание колёс, которое усилило давление гребня на рельс и, соответственно, значительно повысило интенсивность изнашивания гребня и боковой поверхности рельса.

С гостовскими колёсами всё понятно, но почему колёса с новыми профилями потеряли все преимущества? Тут всё сложнее. Дело в том, что поверхность колеса стремится принять профиль нового рельса, а поверхность рельса – профиль нового колеса. В итоге при износе поверхности колеса в районе выкружки профиль ДМетИ переходит на изношенных рельсах в двухточечный режим взаимодействия, при этом поверхность катания наружного рельса практически перестаёт изнашиваться. Небольшое увеличение ресурса бандажей локомотивных колёс обернулось для железных дорог колоссальными затратами.

В Европе проблему испорченных рельсов решили шлифованием и фрезерованием. И продвинулись в этом направлении несколько дальше. Они не просто восстанавливают поверхность головки рельса, а выполняют асимметричное шлифование, при котором происходит смещение мест взаимодействия к центру кривой. Необходимая для этого периодичность шлифования – после пропуска 7–22 млн тонн брутто. Технологам известно, что шлифование – очень затратный технологический процесс. Стоимость шлифовки метра рельсов составляет около 7 евро. В 90-х годах для наших дорог купили в Европе десяток шлифовальных поездов, но массово шлифование рельсов у нас не пошло.

На износ скрытно повлиял ещё один фактор – изменение в 1975 году профиля рельса. Изменение выкружки с 13 на 15 мм на головке рельса увеличило период приработки колеса к рельсу. Износ из-за данного фактора продолжает расти, так как упрочнение и лубрикация только ухудшают приработку поверхностей.

Какие ещё известны способы решения проблемы износа?

В Америке и Европе специалисты нашли свой путь: они посчитали, что конформный профиль колёс и подуклонка рельсов 1/40 решат проблему износа. Теперь даже теоретически они уже не могут изменить профиль колеи. В США для этого придётся заменить все рельсы, а в Европе – все шпалы. То, что проблема износа в Европе и Америке менее остра, чем в России, – это миф. Действительно, износ гребней колёс и боковой поверхности рельсов у них несколько меньше, но при этом затраты от износа поверхностей катания колеса и рельса, восстановления рельсов шлифованием на порядок больше, чем тратится у нас на замену рельсов и переточку колёс.

Как решить проблему износа в системе «колесо – рельс» на российских железных дорогах? Во-первых, необходимо отказаться от профилей, не согласованных с нормативной подуклонкой рельсов (ДМетИ Зинюка – Никитского и им подобных), а затем восстановить поверхность катания рельсов (заменой, перекладкой, шлифованием, фрезерованием). Во-вторых, нужно изменить характер взаимодействия в системе «колесо – рельс». В прямых и пологих кривых оставить проверенное веками двухточечное взаимодействие, а в кривых средних и малых радиусов контакт колеса с рельсом выполнить конформным по европейскому типу. Конформный профиль – это профиль обода колеса, который от опорной поверхности катания до рабочей поверхности гребня подобен профилю рельса от опорной поверхности качения до боковой поверхности рельса. Рельсы в кривых малых и средних радиусов нужно установить асимметрично, развернув их относительно подошвы в сторону от центра кривой. Частично данный приём использовался в МПС СССР для внутренних рельсов, которые устанавливали с подуклонкой 1/12 (ЦП/2023 от 27.06.1959). Правда, объясняли это увеличением сопротивляемости рельса опрокидыванию наружу колеи, не подозревая, что при этом снижается интенсивность износа. С внедрением струнобетонных цельнобрусковых унифицированных шпал про данную технологию просто забыли.

Как правильно с точки зрения теоретической механики сделать колею в кривых асимметричной? В кривых малых радиусов наружный рельс установить с нулевой подуклонкой перпендикулярно относительно шпалы так, как устанавливают сейчас на стрелочном переводе, а внутренний рельс установить с двойной подуклонкой (1/10). При этом ширина колеи останется нормативной, а возвышение наружного рельса компенсирует дополнительный наклон рельсов. Данным действием мы сместим точки взаимодействия на 13 мм на обоих колёсах к центру кривой, увеличив этим разницу диаметров колёс по окружностям взаимодействия с 1,4 до 4 мм на колее 1520 мм. На колее 1530 мм разница составит около 5 мм. Увеличение разности диаметров с существующих 0,8 до 4 мм улучшит вписываемость колёсной пары в пять раз!

В кривых средних радиусов дополнительный наклон нужно сделать меньше либо подуклонку изменить только на одной рельсовой «нити». Как смещение мест взаимодействия к центру кривой работает на снижение износа, можно узнать на примере асимметричного шлифования, которое уже 30 лет применяется в Европе. На первом этапе изменить подуклонку рельса можно заменой подкладки рельсового скрепления или только подрельсовой прокладки. При этом снятые элементы остаются пригодными для прямых участков пути. В дальнейшем при капремонте нужно укладывать асимметричные шпалы с типовыми скреплениями. И при изменении колеи для снижения контактных напряжений необходимо согласовать поверхность рельса с профилем классического колеса. Для этого выкружку на колесе нужно выполнить слегка большей, чем на рельсе, а поверхность рельса в месте контакта надо сделать плоской, как поверхность катания на классическом колесе, с углом наклона, равным нормативной подуклонке рельса. Самое главное – решать эту системную задачу специалистам пути, тяги и вагонных компаний придётся вместе.

Почему такое простое решение не было реализовано раньше? До 80-х годов проблема износа так остро не стояла, колёса в основном точили по превышению проката. Интенсивность износа боковой поверхности рельсов в кривых 350 м была не более 0,015 мм/млн тонн брутто. Позже перевести колёса локомотивов с одноточечных профилей на профиль по ГОСТу стало невозможно.

Даже прочитав данную статью, сразу отказаться от ложных мифов смогут не многие. Не спорю: проблема для понимания архисложная, но решить её на российских железных дорогах можно, так как колёса вагонов ещё точат по ГОСТу под прямой классический профиль. Улучшение взаимодействия колёсной пары с колеёй – это только первый этап решения проблемы, не пройдя который нельзя изменить другие факторы, влияющие на интенсивность износа.
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
    1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17 18 19
20 21 22 23 24 25 26
27 28 29 30