Продлить срок службы

Формированию основных направлений работы по улучшению качества рельсовой продукции, совершенствованию конструкции пути были посвящены основные вопросы 139-го ежегодного заседания некоммерческого партнёрства «Рельсовая комиссия», прошедшего в Туле в конце сентября.


Смена категорий

Разработка и внедрение новых категорий рельсов с улучшенными эксплуатационными характеристиками ведётся постоянно. До 2014 года на сети укладывались рельсы категории ОТ350 (Т1) – объёмно-термоупрочнённые. Затем стали применяться категории дифференцированно термоупрочнённых рельсов ДТ350 (основной рельс общего назначения сегодня), появились ДТ370ИК (дифференцированно термоупрочнённые с прокатного нагрева повышенной износостойкости и контактной выносливости), предназначенные специально для особо грузонапряжённых участков и кривых. Со следующего года на сети РЖД начнётся массовая укладка категорий ДТ370 и ДТ400ИК.

По данным начальника Управления пути и сооружений Центральной дирекции инфраструктуры Дениса Заливы, рельсы ДТ370 включили в себя лучшие свойства ДТ370ИК и ДТ350 в части твёрдости и пластичности. По сравнению с ДТ350 они имеют более высокую стойкость (на 15,5%) к износу и на 33% – к контактно-усталостным дефектам, они лучше, чем ДТ370ИК, по относительному сужению и ударной вязкости. В будущем году планируется уложить 100 тыс. тонн ДТ370 (или 769 км пути). Вместо рельсов специального назначения ДТ370ИК планируется шире использовать более совершенные ДТ400ИК.

Совместно с производителями ведётся разработка инновационных рельсов категории ДТ370НН и тяжёлых рельсов типа Р71 и Р75.

ДТ370НН морозостойкие, их применение на дорогах с холодным климатом, по предварительным расчётам, даст снижение числа дефектов и изломов рельсов при температурах до –60 градусов.

В условиях масштабного внедрения тяжеловесного движения Рельсовой комиссией рассматривается возможность освоения тяжёлых рельсов типа Р71 и Р75. Сегодня на сети применяется Р65, погонный метр которого весит 65 кг. Соответственно, метр Р71 – 71 кг, Р75 – 75 кг. Типы отличаются и по профилю. «Это перспектива на будущее. Переход на рельсы Р71 потребует новых скреплений, новых шпал, стрелочных переводов и новой конструкции средств малой механизации, участвующих в текущем содержании пути. Это значительные расходы. Сроков внедрения пока нет», – объяснил Денис Залива.

Рельсы тяжёлого типа могут применяться на грузонапряжённых участках, в том числе в составе конструкции пути, предназначенного для пропуска 2,5 млрд тонн брутто (включая вес локомотива) до капитального ремонта (сегодня этот показатель равен 1,4 млрд тонн брутто).

Конструкция пути на 2,5 млрд тонн уже разработана, реализация проекта перешла в стадию натурных испытаний на Экспериментальном кольце в Щербинке в этом году, с укладкой в будущем году опытных пятикилометровых участков на Северной и Красноярской дорогах.


Бейнит выходит на авансцену

Однако не только способы обработки и конструктивные особенности рельсов могут поменяться в обозримом будущем. Применяемые сегодня в России стали для производства рельсов и колёс подвижного состава имеют перлитную структуру. Директор Научного центра качественных сталей ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» Георгий Филиппов сообщил на заседании Рельсовой комиссии, что к настоящему моменту достигнута возможность получать нанодисперсный перлит, расстояние между пластинами феррита и цементита которого составляет 80–90 нанометров. В итоге прочность рельсов достигла 1300 МПа (мегапаскаль), а твёрдость – свыше 410 HB (по Бринеллю).

И это близко к пределу возможностей совершенствования. Проведённые в ЦНИИчермет исследования показали, что начиная с определённого размера нанокристаллического материала возникает обратный эффект – перлитные стали теряют требуемые свойства.

Поиск новых сплавов заставляет присмотреться к металлам бейнитного класса, которые начинают применять за рубежом. По данным главного специалиста (по рельсовому производству) прокатного производства АО «ЕВРАЗ НТМК» Сергея Пузырёва, компании Liberty Stell и Voestalpine имеют в своих продуктовых линейках рельсы бейнитного класса категорий BLF 320, BLF 360 и 340 Dobain HSH, имеющие высокие показатели твёрдости и вязкости. Эта продукция эксплуатируется железными дорогами Швейцарии (SBB), Норвегии (NSB) и Германии (DB) на путях с радиусом кривых менее 500 м, на крутых уклонах, на участках с преобладанием смешанного движения, в ходе которого применяются разнообразные типы используемых локомотивов и вагонов.

Весной свои образцы рельсов из бейнитных сталей ЕВРАЗ передал для проведения стендовых испытаний во ВНИИЖТ. Результаты исследований показали не только соответствие рельсов требованиям ГОСТ Р 51685-2022 для классов твёрдости 370 НВ и 400 НВ, но и превосходство характеристик над нормативными значениями. «По скорости роста усталостной трещины бейнитные рельсы превышают ГОСТ более чем на 60%, по циклической трещиностойкости – на 80%, по статической трещиностойкости – более чем на 20%», – говорит Сергей Пузырёв.

В сравнении с рельсами перлитного класса бейнитные изделия имеют более высокую твёрдость – с учётом оптимального химического состава и технологии производства твёрдость на поверхности катания бейнитной головки может достигать значений до 480 НВ против 420 НВ перлита, при этом сохраняется стойкость к контактно-усталостным дефектам в сочетании с ударной вязкостью.

Следующим шагом станет подготовка опытной партии рельсов из стали бейнитного класса для натурных испытаний на Экспериментальном кольце в Щербинке.


Факторы влияния

Ущерб рельсовому полотну наносится в ходе взаимодействия в системе «колесо – рельс». И РЖД направляют значительные усилия, чтобы выработать методы снижения уровня силового воздействия между колёсами и рельсами, что ведёт к продлению ресурсов обоих элементов системы. Во время тематического совещания в январе 2019 года генеральный директор – председатель правления ОАО «РЖД» Олег Белозёров поставил перед отраслевой наукой и причастными подразделениями задачу исследовать взаимовлияние колёс и рельсов, разработать мероприятия, способствующие сохранению инфраструктуры и подвижного состава. Сроки реализации заданий были определены в пределах 2021–2023 годов.

Заместитель генерального директора АО «ВНИИЖТ» – директор НЦ «РСТМ» (Научный центр «Рельсы, сварка, транспортное материаловедение») Алексей Сухов рассказал членам Рельсовой комиссии, что исследования по комплексному проекту «колесо – рельс» сегодня подходят к концу, выработан план мероприятий, выполнение которых приведёт к увеличению срока службы пути, колёсных пар вагонов и бандажей локомотивных колёс.
«Прежде всего нашей команде предстояло выявить основные факторы, определяющие износ рассматриваемой пары. Было исследовано влияние порядка 50 параметров, среди которых средняя осевая нагрузка на участке, непогашенное ускорение, скорость, радиус кривых, возвышение рельса, неровности колеи, состав вагонов и поездопотока, скорости движения. Данные по ним брались почти из 10 различных действующих информационных систем РЖД. Работа велась с Единой корпоративной автоматизированной системой управления объектами инфраструктуры (ЕКАСУИ), системами автоматизированного управления перевозками, ведения и анализа графика исполненного движения, цифровыми управляющими системами вагонников и локомотивщиков», – сообщил Алексей Сухов.

На основании полученного объёма информации было выполнено компьютерное моделирование взаимодействия колеса и рельса в самых разных условиях эксплуатации. Анализ полученных материалов числовых испытаний проводился с помощью специально разработанной институтом для этих целей цифровой платформы «Нейроэксперт». На выходе была получена матрица коэффициентов влияния тех или иных параметров на различные варианты износа.

По итогам расчётов для каждого участка пути разработаны мероприятия по нескольким направлениям, требующие экспериментальной проверки.
«Впрочем, уже сейчас могу сказать: мы убеждены в том, что они дадут существенный эффект, снизив износ в системе «колесо – рельс» до 30%», – уверен Алексей Сухов.

Первое – работа с профилем колеса. Среди предлагаемых мер можно выделить внедрение ремонтных криволинейных профилей для образования преимущественно одноточечного контакта с рельсом (сегодня применяются конические профили, имеющие две зоны контакта). Этим целям отвечает разработанное колесо с криволинейным профилем «Унисон», применение которого даёт уменьшение давлений гребневого контакта в кривых, что ведёт к снижению бокового износа рельсов до 25%.

Второе – оптимизации профиля рельса. Разработан целый набор рельсовых профилей для различных условий эксплуатации при контакте с разными типами колёс. Причём это те изменения, которые можно получить за счёт рельсошлифования. Предложена целая матрица программ для профильного шлифования рельсов в различных условиях.

Третье направление – снижение непогашенных ускорений (непогашенное ускорение увеличивает центробежную силу при повороте в кривой и давление во взаимодействии колеса и рельса). В числе прочих мер предлагается дополнительное нормирование допускаемых значений непогашенных ускорений с учётом условий эксплуатации, введение дополнительного критерия оценки работы локомотивных бригад – «обеспечение расчётных скоростей в кривых».

Четвёртое – устройство пути, включая величину подуклонки. В частности, для обеспечения новых расчётных параметров подуклонки предлагается в сложных эксплуатационных условиях увеличивать жёсткость подрельсовых прокладок. Это потребует введения дополнительного вида работ в текущем содержании пути – сплошной замены подрельсовых прокладок на участках нестабильной подуклонки.
«Весь комплекс мероприятий снизит давление в системе «колесо – рельс», продлит срок эксплуатации пути и колёсных пар, даст многомиллиардный экономический эффект для компании. В данный момент эти предложения проходят процедуру согласования у всех причастных», – сообщил Алексей Сухов.


Стрелки переведут другие

Одним из слабых мест пути являются стрелочные переводы, имеющие меньший эксплуатационный ресурс в сравнении с рельсами на прямых участках пути. Используемые сейчас массово переводы проекта 2750 не всегда справляются с существующей грузонапряжённостью. Инфраструктурный комплекс РЖД поставил перед разработчиками и производителями задачу создания моделей, обладающих улучшенными характеристиками и повышенной живучестью. «Уже существуют не только разработки, но и готовые изделия, которые мы начали укладывать на сети железных дорог в прошлом году. Это стрелочные переводы проектов МСЗ.8365 и Н01.004. Благодаря применению новой геометрии и конструктивной базы их ресурс вдвое больше показателей предыдущих проектов», – говорит Денис Залива.

В 2022 году на сети уложено 52 комплекта МСЗ.8365 и Н01.004. В этом году запланирована укладка 176 комплектов. План укладки на 2024 год – 400 комплектов, на 2025 и 2026 годы – по 700 комплектов. Планируется осуществить постепенный переход на новые стрелочные переводы основных грузонапряжённых участков. Это означает, что одним из первых новую продукцию получит Восточный полигон.

Александр Зубов