Е.П. Корольков, доктор технических наук, профессор Московского университета путей сообщения
В контакте взаимодействия колеса и рельса реализуются очень высокие давления (более 1000 МПа), приводящие при больших коэффициентах трения к пластическим деформациям поверхностей трения. Качение колеса по рельсу, особенно при движении в кривых, сопровождается значительным поперечным проскальзыванием. Кроме того, в паре колесо — рельс при торможении возможны случаи полного скольжения колеса по рельсу. Это приводит к термомеханическим повреждениям поверхности катания и достаточно быстрому выкрашиванию поверхностных поврежденных слоев под действием контактных напряжений. В российском железнодорожном техническом лексиконе применяется термин «выщербины», объединяющий оба вида повреждений. Классификация неровностей колесных пар и их элементов выделяет три типа выщербин: по светлым пятнам, ползунам, наварам; по усталостным трещинам и по сетке термотрещин.
В 2001 г. из более чем 1,4 млн. обточенных колесных пар 35% были обточены из-за выщербин всех видов, а из-за наличия ползунов и наваров — 26%. Таким образом, дефекты поверхности катания, образовавшиеся в результате контактной усталости, составили 61%. В результате обработки сетевых статистических данных по колесам за 2002 г. получены следующие результаты: средняя толщина обода — 49,7 мм, среднее за год число обточек — 4,5, средняя толщина слоя, снимаемого при обточке, — 7,62 мм.
Анализ более 96 тыс. случаев отцепок грузовых вагонов с выщербинами, ползунами и наварами, выполненный в 1998 г., показал, что в зимние и переходные месяцы число отцепок по выщербинам возрастает соответственно в 2,2 и 1,3 раза по сравнению с летними месяцами, а по ползунам практически не меняется.
В 2000 и 2001 гг. обследовали 326 колесных пар вагонов, проходивших плановый и отцепочный ремонт в депо Лосиноостровская Московской железной дороги и депо Череповец Северной железной дороги. Всего было обнаружено 332 выщербины на 274 колесах, из которых 184 были расположены попарно на 92 колесных парах, а у 90 колес — по одной на колесной паре. Таким образом, выщербин оказалось примерно в 1,2 раза больше, чем поврежденных колес, и в 1,8 раза больше, чем обточенных колесных пар.
В 2010 г. было проведено обследование партии колесных пар в ремонтном цехе вагонного депо Брянск-Льговский Московской железной дороги. Из 52 колесных пар, поступивших на участок обточки, 31 содержала выщербины, ползуны и навары. Перечисленные дефекты располагались в пределах поверхности катания. На контактирующих поверхностях гребней колес подобных дефектов обнаружено не было. Глубина некоторых выщербин достигала 5 мм.
Анализ статистических данных показывает, что доля обточек по выщербинам увеличилась в 1,8 раза, по ползунам — в 1,7 раза, а по тонкому гребню уменьшилась в 1,8 раза. Если причины уменьшения числа обточек по тонкому гребню объясняются внедрением лубрикации и применением ремонтных профилей, имеющих более тонкий гребень, то существенное увеличение образования выщербин на колесах грузовых вагонов требует детального исследования.
Помимо экономической стороны вопроса, касающейся демонтажа, монтажа и обточки колесных пар, следует учесть и проблему безопасности движения на железных дорогах. Образование подповерхностных контактно-усталостных повреждений в случае многократно обточенного обода при действии ударных нагрузок может привести к разрушению колеса.
Одной из причин некоторых распространенных дефектов деталей машин является контактная усталость. Основной причиной возникновения контактно-усталостных повреждений в паре колесо – рельс является значительное нормальное давление в сочетании с касательными силами, возникающими при качении колеса по рельсу, и их повторяемость. Для определения усталости используются два подхода, один из которых основывается на критерии Данг Ванна.
Развитие усталостных повреждений может происходить при различных сочетаниях нормальных и тангенциальных напряжений. Известно, что в контакте колеса с рельсом нормальные напряжения могут возрастать до 2300 М Па. Поэтому зарождение усталостного разрушения может происходить даже при незначительных касательных напряжениях, которые возникают и в продольном, и в поперечном направлениях при движении экипажа в кривых участках пути.
Таким образом, контактно-усталостные повреждения образуются под действием высоких давлений и касательных усилий, которые наблюдались и раньше. Тем не менее на протяжении последних сорока лет нагрузки на ось практически не менялись, как и не менялась геометрия колеса вагонов и головки рельсов. Однако доля дефектов по выкрашиванию увеличилась. Так, если в 1980-е годы доля дефектов колес наиболее нагруженных вагонов по выщербинам составляла 5,4%, по ползунам —8,7%,то в 1992 и 2001 гг. соответственно 19,4 и 35,1 по выщербинам, 12,6 и 21,5 по ползунам. В то же время доля дефектов по выщербинам и ползунам колес пассажирских вагонов, нагрузка на ось которых значительно меньше, в 1980-х и в начале 1990-х гг. составляла соответственно 7,8 и 7,1 %.
Сочетание больших нормальных и тангенциальных напряжений является необходимым условием появления выщербин, но недостаточным. Действительно, при однократном приложении опасного сочетания нагрузок выщербина не появится. Для ее появления такие нагрузки должны быть многократны, и, как показывают исследования, число циклов до разрушения в зависимости от эквивалентных напряжений меняется от 200 тыс. до 1,6 млн.
В 1970-е гг. на железных дорогах России началась перешивка колеи с 1524 на 1520 мм и замена деревянных шпал на железобетонные. К началу 1990-х гг. большинство участков уже перевели на новую колею. В результате контакт гребня с боковой поверхностью рельса происходит уже в кривых R<1248 м вместо R<938 м, т.е. величина радиуса кривых возросла в 1,33 раза. Более того, допускаются отклонения от нормативного зазора в сторону сужения колеи вплоть до 1512 мм, что увеличило значение радиуса кривых, в которых происходит набегание колесных пар на внешний рельс, до 3572 м.
Как показывают исследования, в случае контакта с рельсом одного из двух жестко насаженных на вагонную ось колес, катящихся по рельсу, второе проскальзывает боксованием вдоль направления качения. Одновременно колеса скользят к центру кривой, так как в этом случае функцию направления движения в кривой выполняет внешний рельс, а не разность радиусов кругов катания. Таким образом, в кривых, не обеспечивающих бесконтактное движение колесных пар, имеет место неблагоприятное сочетание нормального и тангенциального напряжений, обусловливающее образование выщербин. Многократное число циклов нагрузки и разгрузки опасного сечения колеса создает условия разрушения поверхности катания колеса. Каждые дополнительные 10 м длины кривых, в которых происходит скольжение одного из колес, добавляют 3 цикла, тем самым ускоряя достижение критического значения числа циклов для образования выщербин.
В данном случае рассмотрено только влияние увеличения радиуса кривых без влияния физических процессов, происходящих при контакте колеса с рельсом из-за проскальзывания поверхности катания колеса по рельсу. Это влияние существенно, так как в процессе скольжения поверхностей при контакте повышается температура, влияющая на поверхностную структуру материала колеса. Это влияние требует более тщательного и детального исследования. В дополнение к сказанному следует добавить, что в некоторых случаях явное скольжение может приводить к прокату, который способствует образованию выщербин.
Почему отбраковка колесных пар по выщирбинам была незначительной в колее 1524 мм? Ведь условия появления выщербин не изменились, нагрузка на ось постоянна в течение последних 40 лет, касательные усилия в контакте в результате качения наблюдаются, как наблюдаются и проскальзывания колеса по рельсу в кривых радиуса менее 938 м.
Основным дефектом отбраковки колесных пар в этом случае, как известно, был прокат поверхности катания, причем в силу свойства качения колес с коническими поверхностями катания он появлялся с первых метров эксплуатации, образуя криволинейный участок профиля поверхности катания. Следовательно, с увеличением времени эксплуатации из-за увеличения площади пятна контакта уменьшались нормальные и касательные напряжения. Из-за кривизны профиля поверхности колеса увеличивался участок контактирования точек колеса при поперечных перемещениях колеса по рельсу, тем самым уменьшалась частота циклов контакта точек поперек направления движения экипажа. Кроме того, из-за достижения предельного проката колесная пара изымалась из эксплуатации до достижения критического значения числа циклов для образования выщербин.
В то же время при современных нормах устройства пути с применением лубрикации при анализе статистических данных отбраковки колесных пар по дефектам поверхности катания уменьшается отбраковка по тонкому гребню в 1,8 раза и увеличивается по выщербинам — тоже в 1,8 раза. Необходимо отметить определенную пользу от применения лубрикации для уменьшения износа гребней колес, однако необходимо также отметить и влияние лубрикации на образование выщербин. Так как с сужением колеи участок контакта уменьшился и отбраковка по прокату снизилась до 1,6%, можно предположить увеличение времени контактирования сечений, в которых возникли условия зарождения выщербин, в 1,8 раза из-за того, что обточка колес происходит позже, чем достигается предельное число циклов образования выщербин.
В заключение можно сделать следующие выводы: