Повреждения Common Rail

Рельсы являются одним из важнейших несущих элементов железнодорожной системы. Тяга и торможение поездов обеспечиваются трением между колесами и рельсами. Поэтому хорошее состояние рельсов является необходимым условием для обеспечения безопасного и бесперебойного движения поездов. Однако из-за чередующихся контактных напряжений материал рельсов часто подвергается износу или усталостному разрушению. Как показано на рисунке 1, к основным типам повреждений рельсов относятся: усталостные трещины, отслоение, гофрирование, смятие и износ боковой поверхности рельсов, на которые приходится более 80% всех повреждений рельсов. С увеличением скорости движения поездов и осевой нагрузки проблемы усталости и износа рельсов становятся все более серьезными, что приводит к резкому росту спроса на технологии шлифовки рельсов.

1. Трещина усталости при качении. Трещины усталости при качении являются одним из наиболее распространенных видов повреждений рельсов высокоскоростных железных дорог [1], как показано на рисунке 2. Как правило, трещины не распространяются до самого низа, а распространяются до поверхности рельса дугой, образуя отслоение рельса, как показано на рисунке 2. Верхняя поверхность рельса вдавливается из-за отслоения, и при проезде колес поезда возникает ударное напряжение, что усиливает вибрацию и шум. В некоторых случаях ответвления трещин в отслоившейся ямке могут расширяться под рельс и приводить к его разрушению, что может стать причиной серьезных аварий [2].

2. Износ рельсов из-за волнообразности поверхности.Износ рельсов в виде волнистости относится к явлению периодического неравномерного износа поверхности рельса в определенном продольном диапазоне [3, 4], как показано на рисунке 3. Износ в виде волнистости увеличивает вибрацию и шум поезда, влияет на комфорт поездки и снижает усталостную долговечность деталей локомотива и вагонов. В зависимости от длины волны износа в виде волнистости, он делится на коротковолновый (длина волны 25–80 мм) и длинноволновый (длина волны более 100 мм). Основные причины образования волнистости включают динамическую и нединамическую теории. Динамическая теория считает, что вибрация системы колесо-рельс приводит к образованию волнистости, включая автоколебания, резонанс и обратную связь [5]. Нединамическая теория утверждает, что образование волнистости в основном связано с материалами рельсов и процессом плавки и т. д.; и даже если сила взаимодействия колесо-рельс постоянна, рельс также будет образовывать волнистость из-за неравномерного пластического течения [6, 7].

3. Измельчение рельсов. Разрушение рельса — это явление, при котором материал верхней поверхности рельса подвергается пластической деформации, а поверхность рельса сплющивается, что обычно наблюдается на рельсах в криволинейных участках тяжелых железных дорог [8], как показано на рисунке 4. Разрушение рельса изменяет форму головки рельса, изменяется сила контакта колеса с рельсом, что усугубляет вибрацию и шум при движении. Кроме того, разрушение рельса часто сопровождается отслаиванием или усталостными трещинами. Предел устойчивости часто используется в качестве критерия для оценки наличия повреждений от разрушения рельса, и повышение предела текучести материалов может предотвратить или замедлить этот тип повреждений.

4. Износ боковой поверхности рельса. Боковой износ рельсов является основной формой повреждения рельсов на кривых малого радиуса [9], как показано на рисунке 5. На китайских железных дорогах 98% рельсов на кривых малого радиуса списываются из-за чрезмерного бокового износа. Когда локомотив и вагон въезжают в кривую, поезд движется вперед за счет инерции, но рельс заставляет корпус поезда поворачиваться. В этом случае колеса будут ударяться о рельс, и произойдет серьезный боковой износ. Особенно, когда центробежная и центростремительная силы поезда несбалансированы, нагрузка на внутренний и внешний рельсы будет смещена, что значительно усугубит боковой износ [10, 11]. Широко распространено мнение, что боковой износ рельсов сокращает срок службы рельсов, а изменение профиля рельсов ухудшает взаимодействие колеса и рельса, влияя на устойчивость поезда при прохождении кривой.

Рис. 1. Усталостные трещины.

Рис. 2. Отслоение рельсов.

Рис. 3. Износ гофрирования рельсов.

Рис. 4. Измельчение рельсов.

Рис. 5. Износ боковой поверхности рельса.

Ссылки

1. К. Чжоу. Исследование правил и механизмов удаления материала при шлифовании рельсов [D]. Чэнду: Докторская диссертация Юго-Западного университета Цзяотун, 2020.
2. X. Чжао, ZL Ли. Трехмерное конечноэлементное решение задачи фрикционного качения колеса и рельса в упругопластичности [J]. Труды Института инженеров-механиков, Часть J: Журнал инженерной трибологии, 2015, 229(1): 86-100.
3. В. Чжун, Дж. Ху, П. Шен и др. Экспериментальное исследование усталости при качении и износа высокоскоростных и тяжеловесных железных дорог и выбор материала рельсов [J]. Износ, 2011, 271(9-10): 2485-2493.
4. С. Грасси, Дж. Калоусек. Волнистость рельсов: характеристики, причины и методы лечения [J]. Труды Института инженеров-механиков, Часть F: Журнал железнодорожного и скоростного транспорта, 1993, 207(1): 57-68.
5. Ю. Гу. Исследование механизма образования волн на безбалластном участке высокоскоростной железной дороги [D]. Пекин: Докторская диссертация Пекинского университета Цзяотун, 2017.
6. X. Jin, X. Li, W. Li и др. Обзор прогресса в области гофрирования рельсов [J]. Журнал Юго-Западного университета Цзяотун, 2016, 51(2-3): 264-273.
7. С. Ли, Д. Лю, П. Лю и др. Образование гофрирования и эволюция микроструктуры рельсовой стали U75V [J]. Журнал Даляньского университета Цзяотун, 2019, 40(5): 66-71.
8. З. Ли, З. Янь, С. Ли. Влияние волнообразности рельсов на динамические характеристики высокоскоростной системы «транспортное средство-стрелка» [J]. Журнал Центрально-Южного университета (Наука и технология), 2003, 25(1): 104-108.
9. В. Ван, Х. Го, С. Ду и др. Исследование механизма повреждений и предотвращения повреждений железнодорожных рельсов для тяжелых грузов [J]. Анализ инженерных отказов, 2013, 35: 206-218.
10. Y. Zhou, S. Wang, T. Wang и др. Полевое и лабораторное исследование взаимосвязи между проколом головки рельса и износом на железной дороге для тяжелых грузов [J]. Износ, 2014, 315(1-2): 68-77.
11. И. Повилайтене, И. Камайтис, И. Подагелис. Влияние ширины колеи на износ рельсов на кривых пути [J]. Журнал гражданского строительства и управления, 2006, 12(3): 255-260.
12. В. Чжай, Дж. Гао, П. Лю и др. Снижение износа рельсов на кривых железнодорожных путей для тяжелых грузов на основе динамического взаимодействия колеса и рельса [J]. Динамика транспортных систем, 2014, 52(sup1): 440-454.