Организация и планирование ремонтов пути и текущего содержания (стр. 9 из 10)
Доказана необходимость применения дифференцированной термической обработки сварных стыков, заключающейся в упрочнении головки стыка с повторного перекристаллизационного индукционного нагрева всего его сечения с последующей нормализацией подошвы и шейки рельса. В результате такой операции повышается твердость металла головки до необходимого уровня. Вследствие измельчения структуры металла в шейке и подошве сварного стыка при нормализации индукционным нагревом возрастает усталостная и хрупкая прочность.
Бесстыковой путь у нас работает в сложных климатических и эксплуатационных условиях. На дорогах Сибири и Дальнего Востока годовые амплитуды температуры рельсов колеблются от 105 до 125 °С. Максимальные суточные амплитуды температур равны 35-60 °С. Такие перепады создают критический уровень температурных сил, приводящий к выбросам плетей или их изломам с образованием зазоров 60-80 мм, причем почти 30 % их приходится на места сварки.
Следует также отметить, что в морозы увеличивается вероятность хрупких разрушений как самих рельсов, так и сварных стыков. Критическая температура поднимается с образованием в стали крупнозернистой структуры металла при сварке и с появлением в месте дефекта неблагоприятных остаточных напряжений.
Проведенные ВНИИЖТом комплексные исследования показали, что незакаленные рельсы становятся хрупкими при минус 15-20 °С, термически упрочненные - при минус 30-35 °С, сварные стыки закаленных рельсов - при минус 20-40 °С.
В морозы сопротивляемость удару сварных стыков значительно ниже, чем целых несварных объемнозакаленных рельсов. При температуре - 60 °С, являющейся основным охрупчивающим фактором, охватывающей все климатические зоны нашей страны и лежащей заведомо ниже критической температуры хрупкости объемнозакаленных рельсов и их сварных стыков, сопротивляемость удару сварных рельсов в 6 раз меньше, чем несварных.
Хрупкие разрушения во время эксплуатации происходят очень редкоблагодаря строгому соблюдению технологии, режимов сварки и обработки стыков, а также отсутствию в них дефектов. Если была нарушена технология при изготовлении сварных плетей и в стыках появились дефекты, то разрушения такого типа возможны, особенно в виде хрупких доломов, которыми заканчивается развитие усталостной трещины, образовавшейся от дефекта.
Дифференцированная термическая обработка сварных стыков рельсов с упрочнением головки и нормализацией шейки и подошвы устраняет зональную структурную неоднородность металла. При этом упрочненный слой головки представляет собой мелкозернистый сорбит отпуска с тонкой сеткой феррита вокруг зерен, микротвердость составляет Н5о = 3200-3450 МПа. Данная структура типична для упрочненной рельсовой стали. Микроструктура металла шейки и подошвы стыка - это сорбитообразный перлит с разрозненной сеткой феррита, микротвердость равна Н5о - 2600-2800 МПа, что характерно для неупрочненной рельсовой стали.
Конструкционная прочность сварных стыков - важнейший фактор, влияющий на их эксплуатационную надежность. Долговечность в области ограниченной выносливости и предел выносливости у термообработанных стыков выше: на 45-50 %, чем у незакаленных и на 15-20 %, чем у цельнокатанных серийных рельсов.
Испытания на копровую прочность рельсовых проб длиной 1200 мм со сварным стыком по середине при температуре - 60 °С выявили, что показатели хрупкой прочности после термообработки увеличиваются на 300 %. Повышение усталостной и хрупкой прочности сварных стыков, подвергнутых дифференцированной термической обработке, благоприятно сказывается на живучести рельсов в северных районах нашей страны.
Применяемые в рельсосварочных предприятиях индукционные установки типа ИТТЗ-250/2,4 не отвечают современным требованиям ресурсосбережения.
Основные причины заключаются в следующем: высока потребляемая мощность (250 кВт); для эффективного охлаждения трансформаторного блока, индукторов и токопреобразователя частоты нужна дистиллированная вода с отдельными накопителями и подающими гидросистемами из нержавеющих сплавов; фор'сунки воздушно-водяного распылителя для закалки головки стыка часто засоряются, что приводит к образованию неблагоприятных закалочных структур на поверхности катания. Имеется 30 таких установок в 17 РСП из 20. В 10 РСП из 17 данное оборудование по приведенным выше причинам не применяется. Анализ остродефектных рельсов показал, что наибольшее количество дефектов в зоне сварных стыков выявлено на тех дорогах, где в РСП не используют или ограниченно используют индукционное оборудование. То есть технология дифференцированной термической обработки стыков в большинстве РСП не применяется из-за несовершенства оборудования.
На основании новейших достижений в электротермии и совместных разработок ВНИИЖТа и НИИ АЭМ (г. Томск) изготовлено индукционное оборудование нового поколения типа УИН-001-100/РТ (см. рис.3,6), отвечающее требованиям ресурсосберегающей политики ОАО "РЖД".
2.1 Сварка рельсов нового поколения
Прогрессивным направлением усиления верхнего строения пути является замена болтовых стыков сварными. Применение сварки, наряду с увеличением мощности рельсов и термическим их упрочнением, повышением чистоты стали и качества металла, улучшает работу пути и снижает затраты на содержание. Сварка позволяет увеличить длину рельсов, уменьшить количество дорогостоящих болтовых стыков и снизить уровень динамического взаимодействия пути и подвижного состава. В нашей стране большое распространение получила укладка в путь бесстыковых плетей из термически упрочненных рельсов.
Прочность и надежность рельсов, сваренных контактным способом, достигается правильным выбором и строгим соблюдением технологии и режимов сварки, термической и механической обработки сварных стыков. В результате дифференцированной термической обработки сварных стыков на индукционных установках до уровня прочности основного металла термически упрочненных рельсов восстанавливается твердость а головке и структура сорбита закалки. Пределы текучести металла и выносливости сварных рельсов не ниже прокатных. „Лри качественной контактной сварке и обработке стыков усталостных изломов рельсов по сварке в пути практически не бывает. Для обеспечения прочности и надежности работы в пути термическая обработка стыков при сварке рельсов современного и перспективного производства с высоким содержанием углерода и других легирующих элементов является обязательной.
Рис.1. Макро- и микроструктура сварного соединения рельсов без термической обработки: 1 - шов; 2, 3, 4, 5 - соответственно: зоны неполного расплавления металла, крупного и мелкого зерна, неполной нормализации; 6 - основной металл- (XI00).
На дорогах России и других стран разработана и внедрена технология контактной сварки закаленных и термически не упрочненных рельсов, обеспечивающая высокие технико-экономические показатели процесса, механизацию, автоматизацию и компьютеризацию работ.
Сварное соединение рельсов без термической обработки стыков имеет крупнозернистое строение (рис.1) и более низкие механические свойства, чем основной металл.
Зоны сварного стыка по сравнению с прокатными рельсами обладают меньшей пластичностью, вязкостью и большей склонностью к хрупким разрушениям.
У рельсов обычной прочности в зоне сварки разброс твердости колеблется в небольших пределах (НВ 10-30).
При сварке рельсов повышенной и высокой прочности в стыках происходит значительное снижение твердости (соответственно на НВ100 и 150), износостойкости и предела выносливости металла в головке (рис.2).
0 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 l, мм
Рис.2. Твердость металла головки сварных запаленных рельсов.
Единичные измерения твердости металла показаны на графике кружками (белые - сварные стыки без термической обработки, черные - сварные стыки после термической обработки): а-д - рельсы типа Р65, а-г из стали М76, д - из стали" 75ХГСТ; а - термически не упрочненные - малый разброс твердости металла; б-е - закаленные; б, в - сварка прерывистым подогревом и непрерывным оплавленном, закалка с тепла сварки; г, д - закалки с индукционного нагрева с широкой и узкой зоной нагрева в головке и тепла сварки - после пропуска 400 млн. т груза брутто; в процессе эксплуатации твердость металла в головке дополнительно выравнивается и повышается; е - закалка с индукционного нагрева - большое выравнивание и повышение твердости металла; 1 - стыки без термической обработки; 2 - стыки после упрочнения (выравнивание и повышение твердости металла); мм - расстояние
Для повышения прочности (долговечности развития усталостной трещины), живучести, износостойкости и надежности работы в пути на дорогах России и стран СНГ разработана и внедрена сварка бесстыковых плетей с термической и механической обработкой стыков. При термической обработке твердость металла головки сварных стыков рельсов повышается и выравнивается, а в процессе эксплуатации пути твердость металла еще дополнительно выравнивается (см. рис.2, г, д).
В результате исследований, проведенных ВНИИЖТом, ВНИИ ТВЧ им. Вологдина, Департаментом пути и сооружений МПС России и рельсосварочными предприятиями дорог, создан способ и оборудование для сварки рельсов с дифференцированным термическим упрочнением и механической обработкой стыков.