CC BY
102
УДК 656.21
Оптимизация жизненного цикла системы «колесо-рельс» И. А.Чечельницкий
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Чечельницкий И. А. Оптимизация жизненного цикла системы «колесо-рельс» // Бюллетень результатов научных исследований. - 2020. - Вып. 3. - С. 99-108. DOI: 10.20295/2223-9987-2020-3-99-108
Аннотация
Цель: Рассмотреть вопрос обеспечения надежности элементов подвижного состава путем анализа соотношения твердости системы «колесо-рельс». Показать влияние твердости металла колеса и рельса на их износ. Предложить колесную пару повышенной твердости. Методы: Использованы методы системного, структурно-функционального и сравнительного анализов. Результаты: Указана возможность увеличения твердости колесной пары за счет использования стали марки 4. При этом отмечено увеличение жизненного цикла предлагаемой колесной пары на 150 %. Проведено сравнение срока службы рельсов повышенной твердости с нормативным. Произведены расчеты годовых затрат на ремонт колесных пар и замену рельсов, определена экономия денежных средств. Отмечено, что кроме применения стали марки 4, согласно ГОСТ 398-2010, повысить твердость колесной пары можно за счет либо использования заэвтектоидных сталей с мелкодисперсным цементитом, обладающих большей пластичностью и упрочняемостью благодаря высокому содержанию аустенита в структуре и имеющих более равномерное распределение твердости по сечению, либо создания наплавки высокой твердости из вышеперечисленных сталей на поверхности катания колесной пары. Практическая значимость: Применяя колесные пары повышенной твердости, а именно изготовленные из стали марки 4 в соответствии с ГОСТ 398-2010 можно продлить жизненный цикл колесной пары до 15,25 лет и достичь ежегодной экономии денежных средств в размере 6,11 млрд руб. Отрицательными сторонами данного решения являются уменьшение срока службы рельсов и увеличение числа окон, выделенных для проведения их замены, что негативно скажется на участковой скорости. Однако снижение износа гребней колесных пар приведет к уменьшению количества задержек поездов по причине отцепки от состава поезда технически неисправных вагонов, что повысит участковую скорость, которая и определяет качество эксплуатационной работы.
Ключевые слова: Колесо-рельс, износ, колесная пара, повышенная твердость, жизненный цикл.
Одна из задач железнодорожного транспорта - обеспечение надежности всех элементов подвижного состава и пути. Одним из основных факторов, влияющих на надежность элементов, является износ материалов и оборудования [1]. Еще с момента возникновения железных дорог оказывалось большое внимание проблеме оптимального соотношения твердости колеса и рельса. Инженеры и ученые проводили различные исследования
по определению оптимального соотношения с целью уменьшить износ системы «колесо-рельс». В этой системе происходят трение обода колесной пары и верхней части головки рельса, а также трение гребней о внутреннюю боковую поверхность головки рельса. Помимо поисков оптимального соотношения твердостей колеса и рельса, производились работы по изучению снижения трения гребней колесной пары о внутреннюю боковую поверхность головки рельса путем их смазывания. В результате была разработана технология снижения износа системы «колесо-рельс» - лубрика-ция: жидкий смазочный материал наносится на внутреннюю боковую поверхность головки рельса с помощью либо специальных устройств, находящихся в локомотиве, либо специальных путевых машин - вагонов-рельсосмазывателей. Но проблема применения жидких смазочных материалов в том, что они попадают на верхнюю поверхность головки рельса, тем самым понижая коэффициент сцепления. Для устранения этого недостатка были разработаны пластичные смазочные материалы, но их проблема была в том, что они выдерживают низкую амплитуду температур - (+7)-(+45) вместо требуемых (-45)-(+50) [2]. Кроме вышеперечисленных способов снижения износа колесных пар и рельсов, известны такие мероприятия как совершенствование конструкции пути, подвижного состава, улучшение геометрии профиля поверхности катания рельса и колесной пары [3].
Предлагаемые технические решения пары «колесо-рельс»
В нашей стране за последние семьдесят лет отношение твердости колеса к твердости рельса менялось следующим образом: с 1935 по 1955 г. оно составляло 0,93, с 1956 по 1980 г. - 1,03, с 1981 по 2002 г. - 0,85, с 2003 по 2010 г. - 0,86 [4]. В настоящее время используются рельсы Р65 ГОСТ Р 51685-2013 и колесные пары ГОСТ 10791-2011. В соответствии с этими государственными стандартами твердость колесных пар составляет 280-320 единиц по Бринеллю на глубине 30 мм, причем разница твердостей на поверхности и глубине 30 мм должна быть не более 20 единиц, твердость же рельсов - 321 единица на глубине 22 мм и 350 единиц на поверхности [5, 6]. Следовательно, твердость колеса по отношению к твердости рельса по поверхности катания находится в пределах 0,8-0,97.
В результате многочисленных проведенных учеными исследований было установлено, что наибольшую износостойкость в трущейся паре проявляют материалы с примерно одинаковой твердостью. Конкретно для трущейся пары «колесо-рельс» инженером К. И. Домбровским было выявлено оптимальное отношение твердости колеса к твердости рельса, которое составило 1,0-1,05. Эксперименты, проведенные кафедрой «Электрическая тяга» Уральского государственного университета путей сообщения, под-
твердили результаты, полученные Домбровским [7]. Согласно им, наиболее рациональной твердостью для колес в современных условиях эксплуатации является диапазон 360-380 единиц по Бринеллю. При дальнейшем возрастании твердости происходит уменьшение демпфирующей способности и, как следствие, увеличение количества трещин и отколов, срока приработки (во время которого наблюдается наибольший износ). Из-за большего срока приработки появится необходимость в повышении точности выточки профилей колесных пар и рельсов.
Следовательно, в соответствии с текущей ситуацией на железнодорожном транспорте необходимо увеличивать твердость колесных пар, а не рельсов.
Влияние твердости металла колеса и рельса на их износ показано на рисунке [8].
Влияние твердости металла колеса и рельса на их износ
Согласно этому графику, при неизменной твердости рельса 350 единиц по Бринеллю и твердости колеса 320 единиц, износ колеса составляет 0,5 г, износ рельса - 0,23 г. При твердости колеса 380 единиц износ колеса - 0,2 г, рельса - 0,3 г. Получается, что повышение твердости колеса с 320 до 380 единиц уменьшает износ на 60 % и увеличивает износ рельса на 30,4 %, т. е. возрастание твердости колесной пары на 1 единицу по Бри-неллю приводит к снижению износа колеса на 1 % и его увеличение на
0,51 % у рельса. Следовательно, увеличение твердости на 1 единицу даст прирост 2,5 % к сроку службы колесной пары и понижение на 0,389 % от срока службы рельса.
На самом деле на срок службы колесной пары влияет не только соотношение твердостей поверхностей катания колесной пары и верха головки рельса, но и множество других факторов, например, появление задиров на гребнях колесной пары, что вызывает их повреждения и уменьшает срок службы колесной пары.
Большое влияние на срок службы колесной пары оказывает ее боковой износ. На его величину также влияет множество факторов. Так, если увеличивать твердость поверхности катания колесной пары, то боковой износ возрастает, и наоборот - если твердость уменьшать. В идеальном случае, если колесные пары будут обтачиваться только по прокату, без обточек по причине тонкого гребня, пробеги между обточками станут больше примерно в 3 раза, а ресурс колесной пары - в 5-6 раз. Благодаря интенсивной лубрикации удается снизить боковой износ до приемлемых значений, но этих мероприятий недостаточно.
Из всего вышесказанного следует, что изменение соотношения твер-достей колесной пары и рельса не даст ожидаемого результата без следующих мероприятий:
- приближение угла наклона гребней к углу наклона боковой грани головки рельса;
- увеличение плотности прилегания (конформности) боковых поверхностей (если углы наклона боковой грани головки рельса и гребня будут совпадать, то вероятность появления задира снижается в 20-25 раз);
- увеличение твердости боковой поверхности гребня колесной пары до 600-700 единиц по Виккерсу [9].
Повышение твердости боковой поверхности гребня должно производиться одновременно с изменением формы профиля колеса и рельса и ростом их конформности. В противном случае это мероприятие лишь увеличит вероятность возникновения задира.
Экономическое обоснование предлагаемой колесной пары
По информации Проектно-конструкторского бюро вагонного хозяйства ОАО «РЖД» (ПКБ ЦВ), жизненный цикл колесной пары на сети железных дорог составляет 6,1 года.
Жизненный цикл колесной пары повышенной твердости составляет
т _ т ж.ц.к.1 Х тк1
ж.ц.к.2
тк2
где Тжцк1 - текущий жизненный цикл колесной пары; тк1 - износ колеса при твердости 320 НВ; тк2 - износ колеса при твердости 380 НВ.
Отсюда следует, что если увеличить твердость колесной пары на поверхности катания с 320 до 380 единиц по Бринеллю, то ее жизненный цикл возрастет с 6,1 года до 15,25 лет, т. е. на 150 %:
т 6,1 х 0,5
Тж.ц.к.2 = 02 = 15,25 лет.
Сделать это можно за счет применения для изготовления колесной пары стали 4 марки в соответствии с ГОСТ 398-2010, твердость которой на поверхности катания равна 380 единиц по Бринеллю [10]. В итоге соотношение твердости колеса и рельса станет 1,086. Кроме использования стали марки 4, согласно ГОСТ 398-2010, повысить твердость колесной пары можно либо с помощью заэвтектоидных сталей с мелкодисперсным цементитом, обладающих большими пластичностью и упрочняемостью, благодаря значительному содержанию аустенита в структуре и имеющих более равномерное распределение твердости по сечению, либо за счет создания наплавки высокой твердости из вышеперечисленных сталей на поверхности катания колесной пары.
Нормативный срок службы рельса на бесстыковом пути составляет 700 млн т брутто, на звеньевом - 600 млн т брутто [11]. Развернутая длина главного пути по сети дорог РФ - 125 тыс. км, из которых 71 % - бесстыковой путь. Получается, что средний срок службы железнодорожного рельса Р65 на сети дорог равен 671 млн т брутто.
Определим срок службы рельса повышенной твердости:
т х т
г-р _ ср.сл.р.1 "'р1
ср.сл.р.2 _ '
тр2
где Тсрслр1 - текущий срок службы рельса; тр1 - износ рельса при твердости колеса 320 НВ; тр2 - износ рельса при твердости колеса 380 НВ.
Тогда при увеличении твердости колесной пары он уменьшится на 23,3% и составит
т 67 1х 0,23
Тср.сл.р.2 =-0"3-= 514,43 млн т.
Результатом повышения твердости колесной пары с 320 до 380 единиц по Бринеллю станет повышение ее износостойкости и, как следствие, уменьшение затрат на ремонт колесных пар по причине износа гребней.
По данным ПКБ ЦВ за жизненный цикл колесной пары производится в среднем 4 обточки до полного исключения колесной пары из инвентаря,
при этом толщина обода снижается с 75 до 35 мм, т. е. на 40 мм. Эта величина ограничивает жизненный цикл колесной пары, так как в среднем за одну обточку снимается 8-10 мм обода, а именно 40/6,1 = 6,6 мм в год. Среднее количество обточек в год в эксплуатации для устранения неисправности тонкий гребень - 479 130 колесных пар. Среднее количество колесных пар в год, с которыми производится капитальный ремонт для устранения неисправности тонкий обод, равно 91 000.
Текущие годовые затраты на ремонт колесных пар
Э = к х С + к х С
р.кп обт ^обт кап.рем кап.рем '
где кобт - среднее количество обточек в год в эксплуатации для устранения неисправности тонкий гребень; Собт - затраты на обточку одной колесной пары; ккап рем - среднее количество колесных пар в год, с которыми производится капитальный ремонт для устранения неисправности тонкий обод; Скапрем - затраты на ремонт колесной пары: напрессовку новых дисков на
старые оси.
Учитывая затраты на обточку одной колесной пары - 3,6 тыс. руб. и затраты на капитальный ремонт колесной пары: напрессовку новых дисков на старые оси - 120 тыс. руб., годовые затраты на ремонт колесных пар составят
Эркп = 479 130 х 3,6 + 91 000 х120 = 12 644 868 тыс. руб.
Годовые затраты на ремонт колесных пар повышенной твердости
к х С + к х С х Т
Э _ обт ^обт кап.рем кап.рем ж.ц.к.1
р.кп.2 г-р
ж.ц.к.2
При использовании колесных пар с твердостью на поверхности катания 380 единиц по Бринеллю годовые затраты на обточку колесных пар достигнут
479 130 х 3,6 + 91 000 х 120 х 6,1
Эр.кп.2 =-^"25-- = 5057 947,2 тыс. руб.
Увеличение износа рельса приведет к уменьшению срока его службы и, следовательно, увеличению затрат на замену рельсов по боковому износу. По данным Управления пути и сооружений Центральной дирекции инфраструктуры - филиала ОАО «РЖД» - затраты на сплошную замену рельсов новыми в пересчете на 1 км пути в 2019 г. составляют 5679 тыс. руб. с учетом стоимости работ. В среднем в год по сети железных дорог по причине сверхнормативного бокового износа меняется 800-850 км путей.
Годовые затраты на замену рельсов со сверхнормативным боковым износом
Эз.р _ ^р.з.р Х Сз.р ,
где Крз.р - средний объем работ по замене рельсов со сверхнормативным боковым износом в год; Сз.р - затраты на сплошную замену рельсов новыми на 1 км пути.
Следовательно, годовые затраты на замену рельсов со сверхнормативным боковым износом составят
Эз.р = 850 х 5679 = 4827 150 тыс. руб.
Годовые затраты на замену рельсов при использовании колесных пар повышенной твердости
V Х С Х Т
г-. _ р.з.р з.р ср.сл.р.1
Эз.р.2 = Т .
ср.сл.р.2
Отсюда следует, что годовые затраты составят
850 х 5679 х 671
Эзп2 =-= 6301 762,4 тыс. руб.
зр2 514,43
Экономический эффект от применения колесных пар повышенной твердости
Э = Э + Э - Э - Э
р.кп з.р з.р.2 р.кп2 •
Тогда экономия денежных средств, благодаря применению колесных пар повышенной твердости, составит
Э = 12 644 868 + 4827 150 - 6301 762,4 - 5057 947,2 = 6109 308,4 тыс. руб.
Заключение
Применяя колесные пары повышенной твердости, а именно изготовленные из стали марки 4 в соответствии с ГОСТ 398-2010, можно продлить жизненный цикл колесной пары до 15,25 лет и достичь ежегодной экономии денежных средств в размере 6,11 млрд руб. Отрицательными сторонами данного решения являются уменьшение срока службы рельсов и увеличение числа окон, выделенных для проведения их замены, что негативно скажется на участковой скорости. Однако снижение износа гребней колесных пар приведет к уменьшению количества задержек поездов по причине отцепки от состава поезда технически неисправных вагонов, что повысит участковую скорость, которая и определяет качество эксплуатационной работы [12]. При повышении участковой скорости снижается потреб-
ность в тяговых ресурсах (меньшее время оборота локомотивных бригад, меньшее время оборота локомотивов и, как следствие, уменьшение потребности в локомотивах, приходящихся на одну пару поездов), увеличивается маршрутная скорость, снижаются оборот вагона и срок доставки грузов. Все перечисленные факторы в результате вызывают понижение себестоимости перевозок.
Библиографический список
1. Казанская Л. Ф. Оптимизация критериев эффективного управления безопасностью движения в железнодорожной компании / Л. Ф. Казанская // Учен. зап. Между-нар. банковск. ин-та. - 2017. - № 21. - С. 146-158.
2. Глазунов Д. В. Повышение эффективности смазывания гребней колес тягового подвижного состава и рельсов / Д. В. Глазунов. - Ростов-н./Д.: РГУПС, 2014. - 145 с.
3. Воробьев А. А. Совершенствование технологии восстановления колёсных пар повышенной твердости / А. А. Воробьев. - СПб.: ПГУПС, 2005. - 181 с.
4. Ражковский А. А. Исследование рационального соотношения твердости в системе «колесо-рельс» / А. А. Ражковский, Т. Г. Бунькова // Изв. Транссиба. - 2013. - Т. 1. -С. 34 - 42.
5. ГОСТ 10791-2011. Колеса цельнокатаные. Технические условия. - Введ. 201201-01. - М.: Стандартинформ, 2011. - 28 с.
6. ГОСТ 51685-2013. Рельсы железнодорожные. Общие технические условия. -Введ. 2014-07-01. - М.: Стандартинформ, 2014. - 102 с.
7. Буйносов А. П. Еще раз об износе колеса и рельса / А. П. Буйносов. - URL: http://scbist.com/97732-post1.html (дата обращения: 11.10.2019 г.)
8. Иванов И. А. Особенности функционирования колесных пар с повышенной твердостью металла обода / И. А. Иванов, В. С. Кушнер, А. А. Воробьев, Н. Ю. Шадрина. - URL: http://science-bsea.narod.ru/2005/mashin_2005/ivanov_osoben.htm. (дата обращения: 11.10.2019 г.)
9. Марков Д. П. Трибология и ее применение на железнодорожном транспорте / Д. П. Марков // Труды ВНИИЖТ. - М.: Интекст, 2007. - 408 с.
10. ГОСТ 398-2010. Бандажи черновые для железнодорожного подвижного состава. Технические условия. - Введ. 2011-09-01. - М.: Стандартинформ, 2011. - 12 с.
11. Ашпиз Е. С. Железнодорожный путь: учебник / Е. С. Ашпиз, А. И. Гасанов, Б. Э. Глюзберг и др.; под ред. Е. С. Ашпиза. - М.: Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте, 2013. - 544 с.
12. Кудрявцев В. А. Основы эксплуатационной работы железных дорог: учеб. пособие для студ. учреждений среднего проф. образования / В. А. Кудрявцев, В. И. Ковалев, А. П. Кузнецов и др.; под ред. В. А. Кудрявцева. - 2-е изд., стер. - М.: Издат. центр «Академия», 2005. - 352 с.
Дата поступления: 16.03.2020 Решение о публикации: 27.03.2020
Контактная информация:
ЧЕЧЕЛЬНИЦКИИ Иван Александрович - студент; [email protected]
Wheel-rail system life cycle optimization I. A. Chechelnitskii
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Chechelnitskii I. A. Wheel-rail system life cycle optimization. Bulletin of scientific research results, 2020, iss. 3, pp. 99-108. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2020-3-99-108
Summary
Objective: To discuss the issue of ensuring the reliability of rolling stock elements by analyzing the wheel-rail ratio. To show the influence of the wheel and rail metal hardness on their wear. To offer a wheelset of increased hardness. Methods: The system, structural and functional, and comparative analysis approaches have been used. Results: The possibility to increase the wheelset hardness by using grade 4 steel has been indicated. At the same time, a 150% increase in the life of the proposed wheelset has been noted. The service life of rails of increased hardness has been compared with the standard. The annual costs for wheelset repair and for rail replacement have been calculated, and the cash savings determined. It has been noted that, in addition to the use of grade 4 steel, according to GOST 398-2010, it is possible to increase the hardness of a wheelset by using hypereutectoid steels with fine cementite particles (which have greater plasticity and hardenability due to the high content of austenite in the structure and have a more uniform distribution of hardness over the section) or by creating an intense-hardness surfacing of the above mentioned steels on the rolling surface of the wheelset. Practical importance: Using wheelsets of increased hardness, namely, made of grade 4 steel according to GOST 398-2010, it is possible to extend the wheelset life cycle to 15,25 years and achieve annual cash savings of 6,11 billion rubles. The disadvantages of this solution are a decrease in the service life of the rails and an increased track time for their replacement, which will negatively affect the service speed. However, a decrease in the wheelset flange wear will lead to a decrease in the number of train delays due to uncoupling of technically faulty cars from the train, which will increase the service speed that determines the quality of operation.
Keywords: Wheel-rail, wear, wheelset, increased hardness, life cycle.
References
1. Kazanskaya L. F. Optimizatsiya kriteriyev effektivnogo upravleniya bezopasnost'yu dvizheniya v zheleznodorozhnoy kompanii [Optimization of effective traffic safety management criteria in a railway company]. Uchen. zapiskiMezhdunar. bankovsk. instituía [Scientific Papers of the International Banking Institute], 2017, no. 21, pp. 146-158. (In Russian)
2. Glazunov D. V. Povysheniye effektivnosti smazyvaniya grebney koles tyagovogo podvizhnogo sostava i rel 'sov [Improving the efficiency of lubrication of the traction rolling stock wheel flanges and rails]. Rostov-on-Don, RSTU Publ., 2014, 145 p. (In Russian)
3. Vorob'yov A. A. Sovershenstvovaniye tekhnologii vosstanovleniya kolyosnykh par povyshennoy tvyordosti [Improving the restoration technology of increased hardness wheel-sets]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2005, 181 p. (In Russian)
4. Razhkovskiy A. A. & Bun'kova T. G. Issledovaniye ratsional'nogo sootnosheniya tvyordosti v sisteme "koleso-rel's" [Study of the adequate hardness ratio in the Wheel-Rail system]. Izvestiya Transsiba [Journal of Transsib Railway Studies], 2013, vol. 1, pp. 34-42. (In Russian)
5. GOST 10791-2011. Kolesa tsel'nokatanyye. Tekhnicheskiye usloviya [All-rolled wheels. Specifications]. Introd. on 2012-01-01. Moscow, Standartinform Publ., 2011, 28 p. (In Russian)
6. GOST 51685-2013. Rel'sy zheleznodorozhnyye. Obshchiye tekhnicheskiye usloviya [Railway rails. General specifications]. Introd. on 2014-07-01. Moscow, Standartinform Publ., 2014, 102 p. (In Russian)
7. Buynosov A. P. Eshchyo raz ob iznose kolesa i rel'sa [Continuing discussion on the wheel and rail wear]. Available at: http://scbist.com/97732-post1.html. (accessed: 11.10.2019) (In Russian)
8. Ivanov I. A., Kushner V. S., Vorob'yov A. A. & Shadrina N. Yu. Osobennosti funktsionirovaniya kolyosnykh par s povyshennoy tvyordost'yu metalla oboda [Features of functioning of wheelset with the increased hardness of metal of a rim]. Available at: http://science-bsea.narod.ru/2005/mashin_2005/ivanov_osoben.htm. (accessed: 11.10.2019). (In Russian)
9. Markov D. P. Tribologiya i eyo primeneniye na zheleznodorozhnom transporte [Tri-bology and its application in railway transport]. Proceedings of VNIIZhT. Moscow, Intekst Publ., 2007, 408 p. (In Russian)
10. GOST 398-2010. Bandazhi chernovyye dlya zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava. Tekhnicheskiye usloviya [Rough tyres for railway rolling stock. Specifications]. Introd. 2011-09-01. Moscow, Standartinform Publ., 2011, 12 p. (In Russian)
11. Ashpiz E. S., Gasanov A. I., Glyuzberg B. E. et al. Zheleznodorozhnyyput'. Ucheb-nik [Railway track. Textbook]. Edited by E. S. Ashpiz. Moscow, Railway educational training Center Publ., 2013, 544 p. (In Russian)
12. Kudryavtsev V. A., Kovalyov V. I., Kuznetsov A. P. et al. Osnovy ekspluatatsion-noy raboty zheleznykh dorog. Uchebnoye posobiye [Fundamentals of the railway operational work. Training manual]. Edited by V. A. Kudryavtsev. Ed. 2, ster. Moscow, "Academy" Publ., 2005, 352 p. (In Russian)
Received: March 16, 2020 Accepted: March 27, 2020
Author's information:
Ivan Al. CHECHELNIT SKII - Student; [email protected]
