Металлополимерные накладки для изолирующих стыков рельсов

На правах рукописи

СВЕТОЗАРОВА Ирина Валерьевна

МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫЕ НАКЛАДКИ ДЛЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ СТЫКОВ РЕЛЬСОВ

Специальность 05.16.09 – Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

КАНДИДАТА технических наук

Москва – 2011 г.

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Федин Владимир Михайлович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ушаков Борис Константинович

кандидат технических наук

Бейдер Эдуард Яковлевич

Ведущее предприятие – Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (РХТУ) г. Москва

Защита состоится ___ ____________ в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 218.002.02 при открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» по адресу: 107996, г. Москва, 3-я Мытищинская ул., д. 10, зал Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан ____ ____________ 2011 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н. И.С. Гершман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В начале 90-х годов прошлого века на железнодорожном транспорте России обострились проблемы, связанные с обеспечением надежности движения по причине отказов в работе рельсовых цепей. Рельсовая цепь представляет собой электрическую цепь, состоящую из рельсов железнодорожного пути, источника тока, приемника тока (путевого реле) и соединительных проводов и служащую для осуществления автоматической зависимости между поездом и сигнальными устройствами. Ключевым элементом электрической рельсовой цепи является изолирующий стык, обеспечивающий изоляцию одного блок участка от другого, который используется как самостоятельное средство сигнализации и связи, ограниченное проходными светофорами или проходным светофором и станцией.

Вопросы надежности и долговечности изолирующих стыков различной конструкции приобретают все большую значимость как с позиции путевого хозяйства, так и в работе хозяйства сигнализации, централизации и блокировки. Объясняется это сохранением высокого уровня повреждаемости таких стыков до 2000-х годов, несмотря на существенные затраты отрасли по внедрению ряда новых технических решений.

Широко применяемые, начиная с 1995 года, композитные изолирующие накладки, представляющие собой пластины из стеклопластика на основе эпоксидных связующих, не решили проблемы надежности работы пути в стыковой зоне с точки зрения повышения сопротивления повреждаемости таких стыков, под действием поездных нагрузок и снижения намагниченности изолирующих стыков.

Расстройство пути в зоне стыка выражается, главным образом, в провисании шпалы на принимающем конце рельса из-за недостаточной жесткости композитных накладок и образовании ступеньки при прохождении колес по изолирующему стыку.

Вторым негативным аспектом проблемы, и не менее важным вопросом при использовании композитных накладок, стало периодическое электрическое замыкание стыков, по причине образования шунтирующих мостиков, возникающих в результате скапливания металлических частиц в районе изолирующих стыков. В изолирующем стыке с повышенной напряженностью магнитного поля появляются шунтирующие мостики, которые приводят к сбою в работе СЦБ и возникновению эффекта ложной занятости рельсовых путей. Кроме этого значительная величина напряженности магнитного поля создает помехи в работе АЛС.

Возникшая необходимость в разработке новой изолирующей накладки, которая бы обеспечивала жесткость и способность стыкового соединения выдерживать поездные нагрузки, обеспечивая нормальное функционирование стыка, а также надежное сопротивление электрической изоляции и уменьшение напряженности магнитного поля в стыке определяет актуальность данной работы.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационных характеристик и надежности изолирующих стыков рельсов.

Задачи исследования.

В настоящей работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Повышение жесткости изолирующих стыков;
2. Ликвидация электрических замыканий за счет установления причин отказов работоспособности изолирующих стыков и введения требований по обеспечению максимальной однородности магнитного поля;
3. Оценка работоспособности металлополимерных деталей за счет исследования внутреннего напряженного состояния.

Объект исследования.

Объектом исследования являются изолирующие накладки для болтовых стыков рельсов.

Научная новизна работы.

1. Установлено, что основными причинами отказов работоспособности изолирующих стыков с композитными накладками являются снижение жесткости в 6 раз в сравнении с ранее используемыми металлическими накладками, а также возникающая повышенная напряженность магнитного поля в таких стыках. В технические требования к изолирующим стыкам введено требование обеспечения максимальной однородности магнитного поля и предельного снижения жесткости по сравнению с металлическими накладками не более чем в 2 раза.

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. 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 минус 40 0С … 60 0С) и эластолан – Elastollan марки R3001 (диапазон рабочих температур минус 60 0С … 60 0С).

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 температур. Установлены критерии напряженного состояния металлополимерной конструкции изолирующих накладок в температурном диапазоне минус 600С … 60 0С.

Практическая ценность работы.

1. По результатам проведенных исследований разработаны и внедрены технические условия ТУ 3185-116-01124328-2001 «Стык изолирующий рельсов Р65 с металлополимерными накладками», Стандарт отрасли ОСТ 32.209-2003 «Накладки с полимерным покрытием для изолирующих стыков железнодорожных рельсов». Технические условия.

2. Для проведения сертификационных испытаний разработаны и утверждены:

- Нормы безопасности на федеральном железнодорожном транспорте ЦП 142-2003 «Накладки с полимерным покрытием для изолирующих стыков железнодорожных рельсов» (внесение изменений в 2010г.);

- ТМ 04-01-03 «Накладки с полимерным покрытием для изолирующих стыков железнодорожных рельсов». Типовая методика испытаний;

- Стандарт системы сертификации на федеральном железнодорожном транспорте ЦП-202-2003 «Накладки с полимерным покрытием типа ИП 65 и МПЭ 65 для изолирующих стыков железнодорожных рельсов». Типовая методика полигонных испытаний;

- «Методика по измерению напряженности магнитного поля изолирующих стыков при применении изолирующих накладок и клееболтовых стыков различной конструкции» 2003 г.

- «Стыки изолирующие и накладки для изолирующих стыков. Статическая прочность, циклическая долговечность, электрическое сопротивление. Типовая методика климатических испытаний» 2010 г.

3. За период 2003-2009 г. на сеть железных дорог поступило свыше 63 000 комплектов изолирующих накладок, разработанных в результате проведения данной работы.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены на:

- научном семинаре «Проблемы транспортного материаловедения» (ОАО «ВНИИЖТ») в 2006 и 2009 гг.;

- научной конференции молодых ученых и аспирантов (ОАО «ВНИИЖТ») по современным проблемам железнодорожного транспорта (Экспериментальное кольцо ОАО «ВНИИЖТ», г. Щербинка, 2006 г.).

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано семь печатных работ, в том числе четыре работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Объем работы составляет 177 страниц текста, включая 38 таблиц, 56 рисунков и приложение. Список литературных источников содержит 59 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,

В первой главе рассмотрены основные виды накладок, применяемые в изолирующих стыках рельсов, как на отечественных железных дорогах, так и за рубежом. Изолирующие накладки должны обеспечивать:

1. Жесткость закрепления стыка, выдерживающего действие изгибающего момента при прохождении подвижного состава со статической осевой нагрузкой до 35 тс и со скоростями до 140 км/ч;
2. Электрическое сопротивление – не менее 1,0 кОм;
3. Продольные растягивающие нагрузки в стыке до 1800 кН, обусловленные температурным фактором изменения длины стыкуемых рельсов;
4. Работу стыка в диапазоне минус 600С … 60 0С;
5. Работу стыка в условиях атмосферного старения в течение не менее 7 лет, а также при воздействии сред: воды, нефтепродуктов (дизельного топлива, масел) не менее 7 лет.

Традиционной конструкцией изолирующего стыка до недавнего времени являлся сборный стык с объемлющими металлическими накладками, основным недостатком которого являлась частая переборка стыка из-за выхода из строя тонкой изолирующей прокладки, что, учитывая сложность конструкции и большой вес самих накладок, требует значительных трудозатрат.

В 60-е годы прошлого столетия велись интенсивные работы по обустройству изолирующих стыков более долговечными материалами. В этот период времени широкое применение имела фибра, но она имела малый срок службы. В этот же период в отделении пути Всесоюзного Научно-исследовательского Института железнодорожного транспорта Министерства Путей Сообщений были проведены расчеты рельсовой нити в зоне стыка, осуществлено моделирование взаимодействия подвижного состава и пути при прохождении коротких неровностей, разработаны новые виды изолирующих покрытий. Анализ напряженного состояния изолирующих элементов в стыках рельсов показал, что они работают в сложных динамических условиях (В.Н. Данилов). Установлено, что максимальное значение динамической нагрузки на накладки реализуется под принимающим концом рельсов (рис. 1).

Рис. 1. Эпюра динамической нагрузки в стыке

Современные конструкции стыков с композитными накладками, в том числе конструкции компании «АпАТэК», значительно улучшили эксплуатационное содержание стыков. Однако применяемые в настоящее время в изолирующих стыках рельсового скрепления композитные накладки из стекловолокна не соответствуют требованиям условий эксплуатации из-за возникновения намагниченности концов рельсов, приводящей к эффекту ложной занятости пути. Значительная величина прогиба изолирующего стыка с композитными накладками приводит к повышенной нагруженности рельсов в зоне, где имеются дополнительные концентраторы напряжений в виде болтовых отверстий, что усложняет работу стыка.

На основе опыта эксплуатации различных накладок и анализа материалов, полученных в работах отечественных (Л.Е. Виницкий, Н.В. Петров, В.Н. Николотов) и зарубежных (В.В. Хей, В. Бенклер, В. Хартмеин) ученых, в диссертации предложены новые типы изолирующих стыков. В качестве несущей конструкции в таких стыках предложено применять металлическую основу для металлополимерной накладки, а изолирующий состав покрытия выбирать на основе современных достижений в области пластиков.

Во второй главе на основе проведенных исследований сделан выбор материала для изолирующего покрытия металлополимерной накладки, а также определена конструкция изолирующего стыка с металлополимерными накладками (рис. 2). На рис. 3 представлен чертеж металлополимерной накладки.

Рис. 2 Конструкция изолирующего стыка

с металлополимерными накладками

Рис. 3. Чертеж металлополимерной накладки

Для обеспечения длительной и бесперебойной эксплуатации изолирующего стыка несущая конструкция накладки должна обеспечивать следующие требования:

1. Выдерживать действие изгибающего момента при прохождении подвижного состава со статической осевой нагрузкой до 350 кН и со скоростями до 140 км/час.
2. Выдерживать продольную растягивающую нагрузку до 1800 кН, реализуемую в уравнительных пролетах бесстыкового пути и обусловленную температурным фактором изменения длины рельсов.

В качестве несущей конструкции накладки были предложены и использованы прокатанные полосы из углеродистой стали (сталь 55 ГОСТ 1050), которые подвергались закалке с печного нагрева с 870оС и последующему отпуску при температуре 400о С, 1 час.

Механические свойства металла основы после термообработки представлены в табл. 1. Образцы вырезали из верхней и нижней головки заготовки.

При выборе марки стали для металлической основы металлополимерной накладки был проведен расчет момента сопротивления, который составил WМПЭ65 = 73,9 см3. Момент сопротивления стандартной металлической накладки по ГОСТ 8193 исполнения 1 составляет W1Р65 = 83,6 см3. Для обеспечения прочности конструкции металлополимерной накладки была применена сталь 55 (ГОСТ 1050-88) с более высокими прочностными характеристиками (на 10% по пределу прочности) по сравнению с ранее применяемой сталью М54. Исследования по оценке усталостной прочности двух сталей показали, что это соотношение также изменилось на 10%, что подтверждает правильность выбора стали 55 по ГОСТ 1050 для металлической основы металлополимерной накладки.

Таблица 1

Механические свойства и твердость металла основы накладки после термообработки, момент сопротивления и усталостная прочность

	в, МПа	0,2, МПа	5, %	, %	W, см3	-1, МПа	Твердость по Бринеллю
Исследуемые образцы стали 55 по ГОСТ 1050	910	635	14,0	37,0	73,9	364	275-290
Стандартные металлические накладки по ГОСТ 4133, не менее	844	530	10,0	30,0	83,6	338	235-388
Требования Норм безопасности НБ ЖТ ЦП 142-2003, не менее	900	630	10,0	30,0	-	-	260-388