Повреждения Common Rail

Рельс является одной из важнейших несущих частей железнодорожной системы. Тяга и торможение поездов осуществляются за счет трения между колесами и рельсами. Поэтому хорошее состояние рельсов является предпосылкой для обеспечения безопасного и плавного хода поездов. Однако из-за переменных контактных напряжений материал рельсов часто подвергается износу или усталостным повреждениям. Как показано на рисунке 1, основными типами повреждений рельсов являются: усталостная трещина, отслаивание, гофрированный износ, смятие и боковой износ рельсов, на долю которых приходится более 80% всех повреждений рельсов. С увеличением скорости движения поездов и нагрузки на ось проблемы усталости и износа рельсов становятся все более серьезными, что приводит к резкому увеличению спроса на технологии шлифования рельсов.

1. Трещина усталости при контактном качении.Трещина усталости при контактном качении является одной из наиболее распространенных форм повреждения высокоскоростных железнодорожных рельсов [1], как показано на рисунке 2. Как правило, трещины не распространяются полностью вниз, а распространяются на поверхность рельса по дуге, образуя вид отслоения рельса, как показано на рисунке 2. Верхняя поверхность рельса продавливается из-за отслоения, и ударное напряжение образуется при прохождении колес поезда, что усиливает вибрацию и шум. В некоторых случаях ответвления трещин в яме отслоения могут расширяться под рельсом и приводить к разрушению рельса, что может стать причиной крупных аварий [2].

2. Износ гофр рельсов. Износ гофр рельсов относится к явлению периодической неровной изношенной поверхности на рельсе в пределах определенного продольного диапазона [3, 4], как показано на рисунке 3. Износ гофр увеличивает вибрацию и шум поезда, влияет на комфорт езды и сокращает усталостную долговечность деталей локомотива и транспортного средства. В зависимости от длины волны износа гофры он делится на коротковолновую (длина волны 25 ~ 80 мм) и длинноволновую (длина волны более 100 мм) гофру. Основные причины гофрирования включают динамические и нединамические теории. Динамическая теория считает, что вибрация системы колесо-рельс приводит к гофрированию, включая самовозбуждающуюся вибрацию, резонанс и вибрацию обратной связи [5]. Нединамическая теория, что образование гофра в основном связано с материалами рельса и процессом плавки и т. д.; и даже если сила взаимодействия колеса и рельса постоянна, рельс также будет иметь гофрирование из-за его неравномерного пластического течения [6,7].

3. Дробление рельсов.Раздавливание рельса - это явление, при котором материал верхней части рельса пластически деформируется, а катание рельса становится уплощенным, что обычно наблюдается на рельсах на криволинейном участке большегрузной железной дороги [8], как показано на рисунке 4. Раздавливание рельса изменяет форму головки рельса, изменяется сила контакта колеса с рельсом, что усиливает вибрацию и шум при движении. Кроме того, раздавливание рельса часто сопровождается повреждениями от сколов или усталостных трещин. Предел устойчивости часто используется в качестве критерия для оценки того, происходит ли повреждение от сдавливания в рельсе, и повышение предела текучести материалов может предотвратить или замедлить этот тип повреждения.

4. Боковой износ рельса.Износ боковой поверхности рельса является основной формой повреждения рельса с малым радиусом кривых [9], как показано на рисунке 5. На китайской железной дороге 98% рельса с малым радиусом кривых списывается из-за чрезмерного износа боковой поверхности. Когда локомотив и транспортное средство входят в кривую, поезд движется вперед из-за инерции, но рельсы заставляют корпус поезда поворачиваться. В этом случае колеса будут ударяться о рельс и возникнет серьезный износ боковой поверхности. Особенно, когда центробежная сила и центростремительная сила поезда не сбалансированы, нагрузка внутреннего и внешнего рельса будет смещена, что значительно усугубляет износ боковой поверхности [10, 11]. Широко распространено мнение, что износ боковой поверхности рельса сокращает срок службы рельса, а изменение профиля рельса ухудшает взаимодействие колеса и рельса, влияя на устойчивость поезда, проходящего кривую.

Рис. 1 Усталостные трещины.

Рис. 2 Отслоение рельса.

Рис. 3 Износ гофр рельса.

Рис. 4 Раздавливание рельса.

Рис. 5 Боковой износ 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 конечно-элементное решение фрикционного контакта качения колеса и рельса в упругопластичности [J]. Труды Института инженеров-механиков, часть J: Журнал инженерной трибологии, 2015, 229(1): 86-100.
3. W. Zhong, J. Hu, P. Shen и др. Экспериментальное исследование усталости при контакте качения и износа высокоскоростных и тяжеловесных железных дорог и выбор материала рельса [J]. Wear, 2011, 271(9-10): 2485-2493.
4. S. Grassie, J. Kalousek. Рельсовая гофрировка: характеристики, причины и методы лечения [J]. Труды Института инженеров-механиков, часть F: Журнал железных дорог и скоростного транспорта, 1993, 207(1): 57-68.
5. Y. Gu. Исследование механизма волнистости рельсов на высокоскоростном железнодорожном безбалластном пути [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. Формирование гофр и эволюция микроструктуры рельсовой стали U75V [J]. Журнал Даляньского университета Цзяотун, 2019, 40(5): 66-71.
8. Z. Li, Z. Yan, S. Li. Влияние волнистости рельса на динамические характеристики высокоскоростной системы стрелочных переводов [J]. Журнал Центрального Южного университета (Наука и технологии), 2003, 25(1): 104-108.
9. W. Wang, H. Guo, X. Du и др. Исследование механизма повреждения и профилактики тяжеловесных железнодорожных рельсов [J]. Engineering Failure Analysis, 2013, 35: 206-218.
10. Y. Zhou, S. Wang, T. Wang и др. Полевое и лабораторное исследование взаимосвязи между проверкой головки рельса и износом на тяжеловесной железной дороге [J]. Wear, 2014, 315(1-2): 68-77.
11. И. Повилайтене, И. Камайтис, И. Подагелис. Влияние ширины колеи на износ боковой поверхности рельса на кривых пути [J]. Журнал гражданского строительства и управления, 2006, 12(3): 255-260.
12. W. Zhai, J. Gao, P. Liu и др. Снижение износа боковой поверхности рельса на кривых большегрузных железных дорог на основе динамического взаимодействия колеса и рельса [J]. Динамика транспортных систем, 2014, 52(sup1): 440-454.