Металлополимерные накладки для изолирующих стыков рельсов

Железнодорожный транспорт Российской Федерации играет исключительно важную роль в экономике страны для обеспечения требуемого уровня перевозки грузов* иреализации социально значимых услуг при перевозке пассажиров: От успешного функционирования железнодорожного пути зависит эффективность, работы других технических средств, всей транспортной системы-страны. На путевое хозяйство приходится б, олее 50% основных фондов железных дорог и около 28% эксплуатационных расходов, что существенно влияет на себестоимость перевозок и уровень тарифов [1].

По этой причине особо остро стоят вопросы по обеспечению системы ресурсосбережения, в том числе, в путевом хозяйстве. Актуальность проблемы заключается в усложнении условий эксплуатации, связанных с увеличением массы поездов и скорости движения, сказывающиеся на работе всех элементов железнодорожного пути, в том числе в зоне повышенного уровня динамического воздействия подвижного состава на путь — в зоне стыка, особенно изолирующего.

В силу специфики конструкции изолирующих стыков, выполняющих функции изоляции одного блок-участка от другого, в условиях повышения грузонапряженности, скоростей движения и осевых нагрузок, при одновременном увеличении межремонтного срока эксплуатации пути и снижении эксплуатационных затрат актуальной остается проблема создания надежных и долговечных изолирующих стыков рельсов для эксплуатации, как в звеньевом пути, так и в уравнительных пролетах бесстыкового пути.

В период освоения в начале 90-х годов прошлого века композитных изолирующих накладок, данные накладки являлись передовыми и перспективными, по сравнению с ранее применяемыми изолирующими накладками. Ведущая роль в промышленном освоении таких накладок принадлежит фирме АПАТЭК.

Дальнейшее эксплуатационное содержание таких стыков показало, что они не в полной мере обеспечили надежность изолирующих стыков с точек зрения сопротивления повреждаемости стыков поездными нагрузками и значительным увеличением уровня намагниченности концов рельсов в зоне изолирующего стыка.

Недостаточные жесткость и несущая способность стыка с композитными, накладками приводят к провисанию шпалы на принимающем конце рельса, образованию ступеньки на поверхности катания стыкуемых рельсов и, соответствующими этому повышению динамики взаимодействия с подвижным составом и ускоренному повреждению металла на поверхности катания головки принимающего рельса.

Вторым аспектом, обуславливающим необходимость разработки и внедрения новой конструкции изолирующего сборного стыка с накладками, является периодическое электрическое замыкание стыков с композитными накладками, приводящее к сбою в работе систем сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) и возникновению ложной занятости, а также создающее помехи для автоматической локомотивной связи (АЛС) сильное магнитное поле таких стыков.

По причине нарушений в работе изолирующих стыков происходит около 45% отказов в рельсовых цепях или около 20% всех отказов устройств СЦБ.

Причиной электрического замыкания стыков с композитными накладками является образование между рельсами в стыке шунтирующих мостиков из частиц металла — продуктов износа рельсов и колес, возникающих в магнитном поле стыка. Помимо сбоев в работе СЦБ, нарушения графика движения поездов это обуславливает и дополнительные расходы на текущее содержание, связанные с постоянными осмотрами и удалением металлической стружки из стыков с композитными накладками.

Масштабность этого явления характеризует то, что оно в свое время нашло отражение в Постановлении Коллегии МПС России от 06.02. 2002 г. № 2, пункт 19 о принятии мер по повышению безопасности.

Для решения этих проблем был проведен анализ существующих на сегодняшний день, как в России, так и за рубежом, различных видов сборных изолирующих стыков. На основе проведенного анализа производства изолирующих накладок различными способами1 и различной конструкции, были сформулированы требования и разработана конструкция изолирующей*, накладки, обеспечивающая' перспективные требования по" эксплуатационному содержанию и выполнением требований в части обеспечениясистемы ресурсосбережения.

Для решения вопроса обеспечения жесткости пути в зоне стыка в работе были определены следующие направления — это применение металлической заготовки с определенным уровнем механических свойств, которое одновременно должно обеспечивать минимальную концентрацию магнитных силовых линий в зоне стыка и изолирующее покрытие с надежным сопротивлением электрической изоляции стыка с работоспособностью в климатических условиях сети российских железных дорог.

В настоящей работе, начатой на базе собственных исследований при выполнении научно-исследовательской тематики ВНИИЖТ по теме, связанной с разработкой технологии производства металлополймерных накладок для электроизоляции стыков звеньевых и бесстыковых путей (2000г.) и работ, выполняемых в настоящее время при участии автора совместно с ОАО «Завод полимерных изделий Гефест Ростов» изложены исследования по расширению возможности эксплуатационного содержания изолирующих накладок с диапазоном температур до -60°С.

На основе систематизации и обобщения отечественного и зарубежного опыта, и исследований автора разработаны теоретические и технологические основы нового процесса производства изолирующих накладок для железнодорожного транспорта.

Научную новизну работы характеризуют следующие основные положения, выносимые на защиту:

1. Установлено, что основными причинами отказов работоспособности изолирующих стыков с композитными накладками являются* снижение жесткости в 6 раз в сравнении с металлическими накладками^ а. также возникающая повышенная напряженность магнитного поля в таких стыках. В технические требованияк изолирующим* стыкам" введено требование обеспечения максимальной: однородности1 магнитною поля ипредельногоснижения жесткости по сравнению с металлическими: накладками не более, чем в 2 раза.. , ¦

2. Разработаны общие подходы создания металлополимерных деталей и выбора материалов для их металлической и полимерной составляющих: металлическая составляющая должна обеспечивать выполнение эксплуатационных требований по жесткости, статической и усталостной прочности, а полимерная составляющая — требованияпо электросопротивлению и контактнойпрочности, во всем: интервале рабочих температур. Для сердечника накладок предложено и обосновано применение стали марки 55, обеспечивающей необходимые требования по механическим свойствам, усталости, жесткости и сопротивлению. Для изолирующего покрытия накладки предложено и обосновано применение новых материалов изолирующего покрытия — полиамид 6 эластифицированный 10% каучука-ПА6−2УП (диапазон рабочих температур — 40 °C. + 60 °С) и эластоланЕквШИап марки 113 001 (диапазон рабочих температур — 60 °C. + бО^'С).

3. Для оценки работоспособности. металлополимерных деталей предложено оценивать их внутреннее напряженное состояние, возникающее в результате различия коэффициентов линейного расширения ¡-полимерных и металлических материалов и изменения рабочих температурУстановленыкритерии напряженного состояния металлополимерной: конструкции изолирующих накладок в температурном диапазоне — 60 °C. + 60 °C.

Практическая положениями: ценность работы характеризуется следующими.

— по результатам проведенных исследований разработаны ТУ 3185−11 601 124 328−2001 «Стык изолирующий рельсов типа Р65 с металлополимерными накладками», ОСТ 32. 209−2003 «Накладки с полимерным покрытием для изолирующих стыков железнодорожных рельсов»;

Для проведения сертификационных испытаний" разработаны и оформлены:

— типовая методика испытаний ТМ 04−01−03 «Накладки с полимерным покрытием для изолирующих стыков железнодорожных рельсов»;

— СТ ССФЖТ ЦП-202−2003 «Накладки с полимерным покрытием типа МПЭ65 и ИП65 для изолирующих стыков железнодорожных рельсов»;

— «Методика по измерению напряженности магнитного поля изолирующих стыков рельсов при применении изолирующих накладок и клееболтовых стыков различной конструкции».

— «Стыки изолирующие и накладки для изолирующих стыков. Статическая прочность, циклическая долговечность, электрическое сопротивление. Типовая методика климатических испытаний».

Разработаны изолирующие накладки МПЭ65, НИП65 и внедрены на сети железных дорог. Выпуск накладок осуществляется ОАО «Завод полимерных изделий «Гефест-Ростов».

Основные результаты докладывались и обсуждались:

— на ежегодной научной конференции молодых ученых и аспирантов по развитию железнодорожного транспорта в условиях реформирования- (ЭК ВНИИЖТ, г. Щербинка — 2006 г.) на научно-техническом семинаре «Проблемы транспортного металловедения в 2006 г. и 2009 г. в комплексном отделении ВНИИЖТ «Транспортное материаловедение».

Материалы диссертации опубликованы в материалах конференции, научно-технических журналах, в том числе, рекомендованных ВАК.

Работы выполнялись в соответствии с планами и программами МПС РФ и ОАО «РЖД».

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Выявлены недостатки композитных накладок в изолирующих стыках рельсов, которые не в полной мере обеспечивают надежность по сопротивлению повреждаемости стыков эксплуатационными нагрузками. Недостаточные жесткость и несущая способность стыка с композитными накладками приводят к провисанию шпалы на принимающем конце рельса, образованию ступеньки на поверхности катания стыкуемых рельсов и соответствующими этому повышению динамических нагрузок при взаимодействии с подвижным составом, что вызывает ускоренное повреждение металла на поверхности катания головки принимающего рельса, в зоне болтовых отверстий и повышение расхода на содержание стыков. Из-за значительного увеличения уровня напряженности магнитного поля в зоне изолирующего стыка с композитными накладками происходит периодическое электрическое замыкание, что вызывает сбои в работе систем сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) и возникновению ложной занятости.

2. Разработаны подходы создания металлополимерных деталей и выбора материалов для их металлической и полимерной составляющих: металлическая составляющая должна обеспечивать выполнение эксплуатационных требований по жесткости, статической и усталостной прочности, а полимерная составляющая — требования по электросопротивлению и контактной прочности во всем интервале рабочих температур.

3. Для сердечника накладок предложено и обосновано применение стали марки 55, обеспечивающей необходимые требования по механическим свойствам, усталости, жесткости и сопротивлению. Уменьшение поперечного сечения накладки на толщину изолирующего слоя скомпенсировано повышение уровня механических свойств, которым и соответствует сталь 55 по ГОСТ 1050 по сравнению с ранее применяемой сталью М54 по ГОСТ 4133.

4. Для изолирующего покрытия накладки предложено и обосновано применение изолирующих покрытий: полиамид 6 — ПА6−2УП (диапазон рабочих температур минус 40 °C.60 °С). эластолан — Е1аз1о11ап марки И. 3001 (диапазон рабочих температур минус 60°0.60 °С).

5. Для оценки работоспособности металлополимерных деталей предложено оценивать их внутреннее наряженное состояние, возникающее в результате различия коэффициентов линейного расширения полимерных и металлических материалов и изменения рабочих температур.

6. Изучены особенности напряженного состояния металлополимерной конструкции с двумя видами изолирующего покрытия (ПА6−2УП и эластоланом). Методом тензометрирования определены зависимости внутренних напряжений от температуры в накладке с покрытиями ПА6−2УП и эластоланом. Анализ показал, что при переходе температурного порога (минус 40°С) возникает сложное напряженное состояние из-за разницы в коэффициентах линейного расширения металлической основы и изолирующего покрытия. Поэтому данную накладку рекомендуется использовать в температурном диапазоне минус 40 °C. 60 °C.

7. На основе проведенного анализа напряженного состояния было обосновано применение нового полимерного материала — Ек^оПап марки Б*. 3001, для эксплуатации изолирующих накладок в диапазоне температур минус 60 °C. 60 °C.

8. Установлено, что при использовании металлополимерных накладок достигается снижение намагниченности концов рельсов от 4 до 10 раз по сравнению с использованием композитных накладок, за счет применения металлической основы в конструкции металлополимерной накладки, который является. магнитопроводящим шунтом на концах рельсов.

9. В работе поставлена и решена задача создания металлополимерных накладок для изолирующих стыков рельсов, обеспечивающих длительную эксплуатация изолирующего стыка, наилучшим образом отвечающего эксплуатационному содержанию в службах пути и СЦБ, а именно жесткое закрепление стыка, отсутствие сбоев в работе систем СЦБ и устранение эффекта ложной занятости пути.

10. Разработаны ОСТ 32.209−2003 «Накладки с полимерным покрытием для изолирующих стыков железнодорожных рельсов», ТУ 3285−002−5 336 443−2008 «Накладка изолирующая с полимерным покрытием НИП65 для стыков железнодорожных рельсов». На сеть железных дорог поставлено свыше 63 000 комплектов металлополимерных накладок.

11. Разработанный технологический процесс позволяет снизить себестоимость производства металлополимерных накладок и получить экономический эффект в размере 20,5 млн руб. в год за счет уменьшения производственных затрат по сравнению с производством накладок из стеклопластика и 157, 5 млн руб. за счет снижения веса металлополимерных накладок МПЭ65 и НИП65 по сравнению с металлополимерными накладками других производителей.