Железнодорожный рельс

 

Использование: изобретение относится к железнодорожному транспорту и к прокатному производству рельсов. Сущность изобретения: железнодорожный рельс содержит головку 1, подошву 2 и шейку 3, в средней части которой по всей длине рельса выполнено утолщение. Рельс имеет по концам болтовые отверстия в шейке 3, предназначенные для стыковых соединений с примыкающими к нему с обоих торцов другими рельсами. Толщина среднего утолщенного участка шейки, в котором расположены болтовые отверстия, составляет 1,3 - 1,8 толщины шейки. В средней части утолщения симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей через оси болтовых отверстий, выполнена плавная выемка высотой 0,5 - 0,65 диаметра болтового отверстия. Глубина выемки не превышает толщины одностороннего утолщения средней части шейки 3. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и к прокатному производству.

В качестве ближайшего прототипа настоящего изобретения принят железнодорожный рельс типа Р65 по ГОСТ 16210-77.

Известная конструктивная форма сечения железнодорожного рельса порождает два основных его недостатка: 1) В процессе производства рельса известного устройства по всей длине его головки неизбежно возбуждаются значительные по величине остаточные растягивающие напряжения, сокращающие продолжительность его эксплуатации; 2) В рельсах известного устройства часто возникают опасные косые трещины, берущие начало от болтовых отверстий в шейке, которые, в свою очередь, образуются под действием значительных скалывающих (касательных) напряжений и часто повторяющихся ударных нагрузок, возникающих в рельсовых стыках при перекатывании через них колес локомотива и поезда.

Рассмотрим указанные недостатки более подробно.

На заключительном этапе процесса горячей прокатки железнодорожных рельсов из-за значительной разницы в толщине отдельных элементов сечения раската по головке, шейке и подошве их температура оказывается весьма различной. В то время, как массивные (с минимальным отношением поверхности охлаждения к площади своего сечения) головка и средняя часть подошвы к концу процесса сохраняют относительно высокую температуру металла (порядка 920 980^o C), более тонкие элементы сечения профиля средняя часть шейки и концы подошвы - из-за повышенных теплопотерь в предыдущих проходах имеют пониженнуюсреднемассовую температуру металла (порядка 760 830^oC).

Более интенсивное охлаждение этих элементов сечения рельсового раската является следствием повышенного отношения поверхности охлаждения к площади сечения средней части шейки и концевых участков подошвы в последних 5 7 проходах при горячей прокатке. При этом, как известно, основная часть теплопотерь происходит вследствие интенсивного теплового излучения поверхностными слоями металла этих элементов сечения. Кроме того, на шейку рельсового раската в последних проходах попадает вода, стекающая с верхнего рабочего валка, которая, находясь в своеобразном желобе между головкой и подошвой, дополнительно интенсивно ее охлаждает.

В результате указанных потерь тепла после окончания горячей прокатки между наиболее горячими элементами сечения рельсового раската (головкой и средней частью подошвы) и наиболее "холодными" частями сечения (средней частью шейки и концами подошвы) возникает значительный температурный перепад - порядка 130 170^oC, а иногда и более.

После полного охлаждения металл каждого элемента сечения рельса приобретает одинаковую температуру, равную температуре окружающей среды.

Свободная температурная усадка металла каждого элемента сечения рельса при этом должна была бы быть различной, пропорциональной разнице между исходной температурой горячего металла данного элемента сечения в конце процесса прокатки и конечной температурой окружающей среды, которую воспримет полностью охлажденный рельс.

После холодной правки неразрывно связанные друг с другом головка, шейка и подошва получают одинаковую длину. Такое положение оказывается возможным только потому, что металл головки и средней части подошвы переводится в состояние упругого растяжения по длине, которое вызывается и уравновешивается упругим продольным сжатием металла средней части шейки и концов подошвы.

Вследствие этого в металле головки и средней части подошвы возникают продольные остаточные растягивающие напряжения, а по шейке и концам полок подошвы возникают соответственно сжимающие остаточные напряжения.

Многочисленными исследованиями установлено, что остаточные продольные растягивающие напряжения в головке приводят к заметному сокращению продолжительности эксплуатации рельсов, поскольку они способствуют повышению износа рабочих поверхностей головки, приближают момент наступления контактной усталости металла, а также способствуют образованию и развитию дефектов в головке.

Помимо того, при возникновении вертикальных сжимающих напряжений в металле головки рельса, появляющихся от давления колеса, и одновременного наличия продольных остаточных растягивающих напряжений в металле головки возникает плоская схема напряженного состояния с главными напряжениями разных знаков, при которой снижается сопротивление металла наступлению пластической деформации. Чем выше сумма абсолютных значений этих двух главных нормальных напряжений, тем самым, вероятнее наступление необратимых деформаций.

Так, например, исследованиями Носкова М.М. и Раузина Я.Р. Пути повышения работоспособности рельсов и крестовин: Науч. труды (ЦНИИ МПС, М. Транспорт, 1971, вып. 434, с. 70 78) установлено, что знак и величина остаточных напряжений в головке рельсов оказывают существенное влияние на предел контактной выносливости. Остаточные растягивающие напряжения в поверхностном слое головки величиной в 860 МПа в 5 раз снижают предел контактной выносливости, в то время как сжимающие остаточные напряжения в 320 МПа повышают его на 30% по сравнению с рельсами, не имеющими в поверхностном слое остаточных напряжений.

В работе других авторов Шура Е.А. Конюхова А.Д. Остаточные напряжения и прочность железнодорожных рельсов. Научн. труды (ЦНИИ МПС. М. Транспорт, 1973, вып. 491, с. 69 77) установлено, что остаточные растягивающие напряжения в металле головки рельсов приводят к резкому снижению предела выносливости, уменьшению числа циклов нагружения до момента зарождения усталостных трещин, а также до полного износа рельсов, уменьшению критического размера усталостной трещины и сокращению живучести закаленных рельсов.

Исследованиями Люблинского С.П. Изв. Вузов. Черная металлургия. 1982, N 2, с. 121 123, показано, что остаточные растягивающие напряжения в металле головки рельсов способствует увеличению износа в процессе эксплуатации, т.е. снижают ресурс их работы.

В работе Л.И.Мелантьева, В.Л.Порошина, С.И.Фадеева. Содержание и ремонт рельсов. М. Транспорт, 1984, с. 231 (стр. 142) установлено, что в головке наиболее часто используемых рельсов Р65 величина остаточных растягивающих напряжений составляют 150 170 МПа, что отрицательно оказывается на их работоспособность.

Известны способы снижения остаточных растягивающих напряжений в головке рельсов.

Так, согласно изобретению, сотрудников французской фирмы Сасилор Р.И. Лероша, И. Бурдона и А.Фаесселя, авт. св. 1232125, рельсовую полосу после прокатки и охлаждения подвергают растяжению до появления по всей длине остаточного удлинения не ниже 0,27% в результате чего в условиях наступления пластического состояния металла по всему сечению рельсовой полосы резко сокращаются остаточные растягивающие напряжения в головке (эффект релаксации).

Для реализации этого способа необходимо располагать соответствующим оборудованием для размещения длинного рельсового раската, устройствами для его пластического растяжения и последующей холодной резки на мерные длины. Подобного оборудования в рельсобалочных цехах отечественных металлургических предприятий нет.

Известен патент Японии N 59-53628 (кл. C 21 9/04), согласно которому для снятия остаточных растягивающих напряжений на концевых участках головки рельса, которые работают в особо неблагоприятных условиях из-за значительных ударных нагрузок вблизи стыков, их подвергают дополнительной термообработке. Согласно указанному патенту каждый конец рельса нагревают до 1300^oC, при которой металл переводится в пластическое состояние и за счет этого полностью освобождается от остаточных напряжений. Затем за счет выборочного по сечению интенсивного охлаждения отдельных элементов сечения сжатым воздухом или паром в головке рельса инициируют появление полезных сжимающих напряжений.

Реализация этого способа требует специального термического оборудования. Кроме того, одновременно с возбуждением в металле головки остаточных сжимающих напряжений, в шейке неизбежно будут образовываться остаточные растягивающие напряжения, которые, в свою очередь, способствуют возникновению и развитию опасных косых трещин, берущих свое начало от внутренней поверхности болтовых отверстий.

Для уменьшения склонности к образованию трещин, идущих от болтовых отверстий и пересекающих их под углом 45^o, т.е. по направлению действия максимальных скалывающих напряжений, используют специальные предупредительные меры снятие фасок с обеих сторон каждого болтового отверстия, а также обкатывание металла (с наклепом) вокруг отверстия. Однако, несмотря на эти предупредительные меры, выход железнодорожных рельсов из строя из-за появления косых трещин, пересекающих болтовые отверстия, остается одной из наиболее часто встречающихся причин отказа рельсов и аварий (М.А.Фришман, Н.А.Пономаренко, С.И.Финицкий. Конструкция железнодорожного пути и его содержание М: Транспорт, 1980 -414 стр. см. стр. 57, а также: Черная металлургия. Бюл. научно-технической информации. Металлургия, М. Черметинформация, 1990, вып. 12, с. 52 56, см. стр. 55).

Указанный вид разрушения железнодорожных рельсов (по классификации МПС - дефекты 53,1 и 53,2) возникает в результате концентрации максимальных скалывающих напряжений вблизи ослабленного болтовым отверстием наиболее тонкого участка сечения шейки и одновременно влияния многократных ударных нагрузок, возникающих при перескакивании колес с одного рельса на другой по месту стыкуемого соединения.

Рельс обычно уподобляют балке, воспринимающей изгибающий момент, в которой наибольшие рабочие напряжения возникают в крайних волокнах поперечного сечения в головке и подошве. При этом часто упускают из вида, что опоры рельсов (шпалы) располагаются с относительно малым шагом. А в этих условиях (при коротких балках) определяющее значение приобретают перерезывающие силы и вызываемые ими скалывающие напряжения, максимальные значения которые получают вблизи нейтральной горизонтальной плоскости рельса, т.е. как раз по месту расположения болтовых отверстий.

Наиболее близким к предложенному является железнодорожный рельс по патенту Германии N 23289, кл. НКИ 19a 11/02, 1883 г, содержащий головку, подошву и шейку, в средней части которой по всей длине рельса выполнено утолщение, имеющий по концам болтовые отверстия в шейке для стыковых соединений.

Цель изобретения состоит в увеличении срока службы железнодорожного рельса, обеспечиваемого за счет уменьшения величины остаточных растягивающих напряжений в металле головки, и устранения косых трещин, берущих свое начало от болтовых отверстий в шейке.

Поставленная цель достигается тем, что толщина среднего утолщенного участка шейки, в котором расположены болтовые отверстия, составляет 1,3 1,8 толщины шейки. А также тем, что в средней части утолщения симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей через оси болтовых отверстий выполнена плавная выемкавысотой 0,5 0,65 диаметра болтового отверстия, а глубина выемки не превышает толщины одностороннего утолщения средней части шейки.

За счет изготовления железнодорожных рельсов с местным утолщением шейки обеспечивается существенное увеличение температуры металла в средней части шейки к моменту окончания процесса горячей прокатки. Оно, в свою очередь, объясняется двумя причинами: во-первых, благодаря местному утолщению в средней части шейки лучше сохраняется тепло (поскольку сокращается отношение поверхности охлаждения к площади сечения указанного участка шейки), а во-вторых, стекающая с верхнего рабочего валка вода не задерживается на выступающем вверх утолщенном участке шейки и вследствие этого меньше его охлаждает.

В результате уменьшается разница между среднемассовой температурой металла головки и шейки, т.е. сокращается исходный температурный перепад по сечению рельсового раската. Кроме того, по утолщенному участку в средней части шейки уменьшается скорость охлаждения после окончания прокатки и, тем самым, отдаляется момент перехода металла шейки в упругое состояние.

Все это, в конечном счете, приводит к некоторому выравниванию процессов охлаждения шейки и головки (подошвы), а, следовательно, обеспечивает уменьшение остаточных напряжений, в том числе нежелательных растягивающих напряжений в головке рельса.

За счет этого обеспечивается повышение износостойкости металла головки, снижается склонность к зарождению усталостных трещин, повышается предел контактной выносливости, что имеет большое значение при увеличении предельной осевой нагрузки до 24 т (вместо прежних 9, а затем 16 т).

С другой стороны, увеличение толщины средней части шейки, в пределах которой сверлят болтовые отверстия, обеспечиваетсоответствующее уменьшение скалывающих (тангенциальных) напряжений и, тем самым, предотвращает возникновение и развитие косых трещин, берущих свое начало от внутренней поверхности отверстия.

Как показали исследования, в зависимости от типа железнодорожных рельсов, условий их эксплуатации и формы боковой поверхности утолщения среднего участка шейки, габаритная толщина ее для достижения поставленных целей должна составлять 1,3 1,8 наименьшей толщины шейки, относительно основного и исходного контура рельса.

При относительно малых значениях утолщения среднего участка шейки в пределах, указанных выше, боковые поверхности утолщения целесообразно выполнять плоскими, ограниченными прямыми линиями с плавными сопряжениями концов с основным профилем шейки.

При верхних значениях указанных выше пределов утолщения среднего участка шейки, с целью уменьшения собственной металлоемкости рельса, в средней части утолщения симметрично плоскости, проходящей через оси болтовых отверстий, может выполняться плавная выемка высотой 0,5 0,65 диаметра болтового отверстия, при этом глубина выемки не должна превышать толщины одностороннего утолщения средней части шейки.

Поскольку наибольшие скалывающие напряжения возникают в плоскости, пересекающей болтовое отверстие под углом 45^o, то начало выемки может располагаться между параллельными линиями, пересекающими болтовое отверстие сверху и снизу, с расстояниями между ними не более 0,65 диаметра болтового отверстия (что соответствует углам в 40^o по местам пересечения параллельными прямыми окружности болтового отверстия).

Ширина среднего утолщенного участка шейки рельса может устанавливаться из следующих соображений. Наибольшая толщина указанного участка должна перекрывать наиболее опасный диапазон углов с точки зрения возможного зарождения косых трещин (например, 45±10^o),считая от горизонтальной плоскости, проходящей через ось болтового отверстия. После 55^o, в принципе толщина среднего утолщенного участка шейки может уменьшаться. Однако, по конструктивным соображениям и с учетом дополнительной гарантии от возникновения косых трещин ширину среднего утолщенного участка целесообразно принимать равной диаметру болтового отверстия (или на 2 4 мм больше него).

Более значительные размеры утолщения среднего участка шейки нежелательны, поскольку излишне утяжеляют собственную массу рельса без дополнительного положительного эффекта.

Утолщение шейки с указанными выше оптимальными габаритными размерами свободно размещается во внутренней канавке, соответствующей каждому типу железнодорожного рельса стандартной боковой накладки и, следовательно, не препятствует их установке и заклиниванию в стыковых соединениях рельсов.

Утолщение среднего участка шейки обеспечивает увеличение температуры конца прокатки этого элемента рельса и, следовательно, способствует сокращению температурного перепада между головкой и шейкой. А это, в свою очередь, обеспечивает снижение нежелательных остаточных растягивающих напряжений в головке рельса.

С другой стороны, утолщение среднего участка шейки компенсирует ослабление ее по месту расположения болтовых отверстий, а также уменьшает значение наибольших касательных напряжений, вызывающих образование наклонных к горизонтальной плоскости (под углом 45^o) трещин, берущих свое начало с внутренней поверхности болтового отверстия.

На фиг. 1 изображен железнодорожный рельс с утолщением в средней по высоте части шейки, в пределах которого сверлят болтовые отверстия.

Условные обозначения: 1 головка рельса, 2 подошва рельса, 3 шейка рельса, 4 болтовые отверстия, 5 утолщения в средней части по высоте шейки, n наименьшая толщина основного контура шейки без учета утолщения, S - толщина среднего утолщенного участка шейки, a ширина среднего утолщенного участка шейки, d диаметр болтового отверстия в шейке.

На фиг. 2 показан вариант выполнения утолщения в средней части шейки рельса с облегчающими канавками.

Условные обозначения: S₁ толщина участков с наибольшим утолщением шейки рельса, S₂ толщина шейки рельса по месту расположения облегчающих канавок (по впадинам), c ширина облегчающей канавки по впадине. r радиус дуги сопряжения утолщенного участка с основным контуром шейки железнодорожного рельса.

Остальные обозначения как на фиг. 1.

Здесь, как и на фиг. 1, a=d+(2 4) мм.

В этом варианте устройства участки с наибольшим утолщением (S₁), располагаются сверху и снизу болтовых отверстий, перекрывая наибольшей толщиной наиболее опасные, с точки зрения возникновения наклонных трещин, участки шейки.

На фиг. 3 показаны схемы распределения продольных остаточных напряжений по сечению железнодорожного рельса известного устройства (а) и с утолщением в средней части по высоте шейки (b).

За счет более высокой температуры конца прокатки по шейке в железнодорожном рельсе предлагаемого устройства сокращается температурный перепад между металлом головки и средней частью шейки. При этом обеспечивается сближение температур металла указанных участков сечения рельса в течение всего периода охлаждения после прокатки. Благодаря этому сокращаются нежелательные продольные остаточные растягивающие напряжения в головке рельса .

А это, в свою очередь, при одной и той же рабочей нагрузке возникающей от давления колеса, обеспечивает повышенную работоспособность головки, поскольку Повышается также сопротивление металла головки накоплению усталостных трещин и снижается износ.

На фиг. 4 показаны схемы распределения скалывающих напряжений τ по сечению железнодорожного рельса известного устройства (а) и с утолщением в средней части шейки (b) по двум поперечным сечениям: I-I сечение, проходящее по болтовому отверстию; II-II сечение, расположенное между болтовыми отверстиями в шейке рельса.

От давления колеса Р в шейке рельса известного устройства возникают скалывающие напряжения , достигающие наибольшего значения в плоскости, пересекающей болтовое отверстие под углом 45^o. По этой плоскости возникают и развиваются трещины, показанные на чертеже (типа 53,1 и 53,2 по классификации МПС).

Благодаря утолщению среднего участка шейки (нижний рисунок) увеличивается площадь опасного сечения, пересекающего шейку под углом 45^o. За счет этого существенно уменьшаются наибольшие скалывающие напряжения по сравнению с теми, которые возникают в шейке рельса известного устройства .

На фиг. 5 показан железнодорожный рельс предлагаемого устройства в сборе с боковыми накладками, скрепляющими рельсы друг с другом с помощью болтовых соединений.

Условные обозначения: 1 железнодорожный рельс, 2 боковые накладки, 3 болтовое соединение.

Из чертежа видно, что предлагаемые утолщения в средней части шейки железнодорожного рельса свободно размещаются во внутренних канавках (впадинах) боковых накладок, не требуя изменения их конструкции.

В качестве примеров конкретного выполнения железнодорожного рельса взамен известного рельса типа Р65 изготавливается рельс с сохранением габаритных размеров сечения: общей высотой 180 мм, с шириной головки 75 мм, с шириной подошвы - 150 мм.

Симметрично горизонтальной плоскости, проходящей через оси болтовых отверстий диаметром 36 мм (на расстоянии 78,5 мм от опорной поверхности подошвы), выполняется утолщенная часть шейки с размерами: толщиной S=26 мм и шириной a=38 мм.

Таким образом, относительно исходного контура шейки известного устройства, у которого n=18 мм, утолщение S=1,44 n.

При этом, общая масса одного метра железнодорожного рельса увеличится на 2,38 кг.

Как свидетельствует опыт эксплуатации железнодорожных рельсов более тяжелых типов, их технико-экономические показатели оказываются более высокие, чем у рельсов меньшей массы (М.А.Фришман, Н.А.Пономаренко, С.И.Финицкий. Конструкция железнодорожного пути и его содержание. М. Транспорт, 1980, с. 414, с. 45, а также М.А.Чернышев, З.Л.Крейнис. Железнодорожный путь, М. Транспорт, 1985, с. 302, с. 111).

Наряду с этим за счет уменьшения остаточных растягивающих напряжений в головке рельса, как минимум, вдвое (не более 70 80 МПа) будет обеспечен повышенный ресурс его работы и, кроме того, полностью будет исключена вероятность возникновения опасных косых трещин, пересекающих болтовые отверстия.

В качестве примера выполнения утолщения в средней части шейки рельса Р65 с облегчающими канавками может быть принят железнодорожный рельс, как и в первом примере, но с утолщенной частью шейки S₁=28 мм, габаритной шириной утолщенного участка а=38 мм и с облегчающими канавками с размерами: с=23 мм, e=12 мм, S₂=20 мм.

Масса 1 м такого железнодорожного рельса возрастает всего лишь на 1,87 кг, но при этом эксплуатационные качества рельсов и надежность безопасной работы существенно перекроют дополнительные материальные издержки.

Известные боковые накладки для стыкового крепления железнодорожных рельсов типа Р65 со стороны, обращенной к шейке, имеет выемку шириной 56 мм и глубиной 21 мм.

Таким образом, предлагаемые утолщения в средней части шейки свободно размещаются во впадинах существующих боковых накладок.

Железнодорожные рельсы (согласно настоящему патенту) могут применяться для верхнего строения пути как в случае выполнения с разборными стыковыми соединениями, так и в бесстыковых участках.

Для изготовления железнодорожных рельсов предлагаемого устройства понадобиться согласовать соответствующие технические условия. Затем потребуется внести изменения в калибровку прокатных валков, конструкцию роликоправильной машины и приемные шаблоны. После этого может быть организовано промышленное производство железнодорожных рельсов повышенной надежности.

Формула изобретения

1. Железнодорожный рельс, содержащий головку, подошву и шейку, в средней части которой по всей длине рельса выполнено утолщение, имеющий по концам болтовые отверстия в шейке, предназначенные для стыковых соединений с примыкающими к нему с обеих сторон торцов другими рельсами, отличающийся тем, что толщина среднего утолщенного участка шейки, в котором расположены болтовые отверстия, составляет 1,3 1,8 толщины шейки.

2. Рельс по п.1, отличающийся тем, что в средней части утолщения симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей через оси болтовых отверстий, выполнена плавная выемка высотой 0,5 0,65 диаметра болтового отверстия, при этом глубина выемки не превышает толщины одностороннего утолщения средней части шейки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5