В первой декаде июня АО "ВНИИЖТ" передало ОАО "РЖД" итоговый сводный отчет с результатами реализации комплексного проекта "Колесо – рельс". О том, какие меры выработаны для сокращения износов в системе колесо – рельс, – наш разговор.

Олег Суслов, технический эксперт Научного центра "Инфраструктура" (НЦИ) АО "ВНИИЖТ"

– Олег Александрович, работа с какими составляющими системы обещает принести эффект?

– Наибольший эффект дает работа с геометрией профиля колес и рельсов в сочетании с увязкой их взаимного положения относительно друг друга через ширину колеи и подуклонку (угол наклона плоскости подрельсовой площадки к продольной оси шпалы, измеряемый в вертикальной плоскости. – Ред.). Другими словами, оптимизация сопряжения геометрии колеса и рельса для существующих и перспективных условий эксплуатации – самый эффективный способ борьбы с износами. Его внедрение может принести для ОАО "РЖД" многомиллионную экономию. В проекте "Колесо – рельс" были отрегулированы эксплуатационные требования к профилям рельсов и колес, подуклонка, на очереди – ширина колеи.

– Разработчики предложили ряд мер для продления срока жизни инфраструктуры и колесных пар. Их действенность подтверждена натурными испытаниями?

– Сначала были созданы и валидированы цифровые модели, на которых вырабатывались и обкатывались идеи, позволяющие снизить износ. Полученные результаты апробировали на практике, где первично подтвердилась эффективность выработанных мер. Измеряли силы взаимодействия на разных участках сети – после ремонтов, до ремонтов, до шлифования, после шлифования, с новым профилем колеса, со старым. Посмотрели, как влияет на силовое взаимодействие колесо – рельс разное непогашенное ускорение.

– В числе предложений – шлифовка рельсов. Технология, давно применяемая на сети. В чем новации?

– Сейчас показанием для назначения шлифовки является только пропущенный тоннаж. Положено один раз в 75 млн тонн пропуска груза шлифовать – так и делаем. Теперь мы предлагаем вести контроль геометрического состояния поверхности катания и шлифовать в случае, если геометрия вышла за определенные нами в ходе исследований допустимые рамки. При таком подходе работы будут вести по фактическому состоянию геометрии рельса, и где-то получится шлифовать один раз в 175 млн тонн, а где-то и каждые 50 млн тонн пропущенного тоннажа потребуют шлифовки. Но эффективность таких работ будет выше.

– Какие изменения предлагаются в работе с подуклонкой рельсов?

– Здесь также выработаны уточненные нормативы. По норме рельсы должны иметь наклон относительно своей оси на тангенс, равный 1/20. Рельс не должен быть наклонен больше 1/12 и менее 1/60. Но это общие предельные показатели. Мы их нормировали по радиусам, рассчитав оптимальный наклон для разных кривых.

В целом выяснилось, что внутреннюю нитку вредно делать более крутой: 1/12 для внутреннего рельса – это всегда плохо. А наружной нитке полезней больший угол наклона. Главная задача при работе с подуклонкой – обеспечить ее стабильность в процессе эксплуатации. Этого можно добиться как конструктивно (применение подрельсовых прокладок повышенной жесткости), так и организационно – внести параметр нестабильности подуклонки как критерий увеличения объема работ по замене подрельсовых прокладок при текущем содержании и промежуточных ремонтах пути. В проекте были проработаны оба направления.

– Что можно поменять в работе с непогашенным ускорением?

– Непогашенное ускорение – несброшенное центробежное ускорение, возникающее при вхождении поезда в кривые. Чтобы уменьшить перегрузку рельсов, поднимают наружный рельс – устраивают его возвышение. Непогашенное ускорение нормируется: для пассажирских поездов – до 0,7 м/с, для грузовых – ±0,3 м/с. Скорость пассажирских составов допускается более высокой ввиду того, что их масса много ниже веса грузовых поездов и влияние на износы не так значительно.

Сейчас на сети апробируется двухуровневая система критериев по назначению возвышений наружного рельса с учетом скоростей движения. Первый критерий – тяговые расчеты (возможная скорость движения подвижного состава), второй – скорости, установленные исходя из состояния конструкции пути. Мы обосновали и предложили третий критерий – эксплуатационный, когда возвышение в кривой корректируется на всем жизненном цикле пути в соответствии с реально реализуемыми скоростями на каждом отдельном участке. Потому что не везде достигается скорость движения, которая устанавливается при учете допустимой скорости тяги и возможностей инфраструктуры. Так, на особо грузонапряженных участках поезда идут с минимальным интервалом и по этой причине не могут ехать быстрее, несмотря на наличие тяговых возможностей локомотивов.

В ходе исследований выявлено, что фактически реализуемые значения непогашенного ускорения преимущественно ниже рекомендуемых в грузовом движении. Изменить эту ситуацию и привести фактические значения непогашенных ускорений к норме можно и нужно корректировкой возвышения наружного рельса в соответствии с фактическими скоростями при проведении плановых ремонтов. Так дольше сохраним и рельсы, и колеса. Решение задачи требует дополнительного анализа фактически реализуемых скоростей движения в каждой кривой и с учетом масс поездов. Существующие системы сбора данных позволяют полностью автоматизировать данный процесс.

– Предполагает ли созданный инновационный профиль колес "Унисон" переход на одноточечный контакт с рельсом?

– Он позволяет минимизировать вероятность возникновения двухточечного контакта в кривых. Применяемый сегодня конический профиль с учетом действующих нормативов по ширине колеи при вхождении в кривые с радиусом менее 650 м вынужденно занимает положение, при котором касается рельса не только точкой катания на поверхности, но еще и гребнем. В итоге гребень колеса и контактирующая с ним боковая грань наружного рельса интенсивно изнашиваются.

Мы изменили профиль так, чтобы в действующих условиях колесо не касалось совсем рельса гребнем в кривых всех возможных радиусов или если и касалось, то с минимальным давлением гребень – рельс. При модельных и натурных испытаниях на Восточном полигоне "Унисон" показал себя хорошо. Сейчас на кольце ВНИИЖТа в Щербинке он проходит пробеговые испытания. Впоследствии данный вид профиля будет внесен во все нормативы РЖД.

– Под "Унисон" можно переточить работающие колеса или только новые будут выходить с такой конфигурацией?

– Изменить профиль можно во время плановой обточки используемых сегодня колес в условиях депо. Ну а новые уже при выпуске необходимо делать с таким профилем. Стоит отметить, что разработаны вагонный и локомотивный варианты профиля. Они немного отличаются.

– Отдельная тема исследований – сталь, из которой делаются рельсы. В заключении сказано, что она должна быть прочной и пластичной одновременно. Это не взаимоисключающие понятия?

– Действительно, как правило, для стали это взаимоисключающие понятия. Но на современном уровне развития металлургии задача реализуемая. Для повышения показателей прочности и пластичности в используемых сейчас рельсах из перлитной стали при производстве добавляют легирующие элементы, такие как ванадий, азот, хром. Введение данных элементов в сталь позволяет уменьшать размер структурных составляющих перлита и повышать как прочностные, так и пластические характеристики.

Кроме того, достижение высокого уровня взаимоконкурирующих свойств возможно при применении иных технологий термической обработки. Выпускавшиеся ранее рельсы категории Т1 (ОТ350 по ГОСТ Р 51685-2022) термически упрочнялись путем объемной закалки в масле с отдельного нагрева. Однако при ряде положительных моментов данные рельсы обладали высоким уровнем остаточных напряжений, что не позволяло изготавливать их в длине 100 м. На современных рельсах ДТ осуществляется дифференцированная термическая обработка головки воздухом или раствором полимера с прокатного нагрева. Проводимые в настоящее время совместно с предприятиями – изготовителями рельсов исследования показывают существенный потенциал применения дифференцированной термической обработки с отдельного нагрева сжатым воздухом контролируемой влажности с получением высокого уровня прочности, пластичности и трещиностойкости одновременно.

Также начаты исследования по созданию рельсов из сталей бейнитного класса. Предварительные результаты испытаний опытных рельсов с бейнитной микроструктурой показывают существенное повышение прочности, пластичности и ударной вязкости. В этом вопросе мы находимся в начале пути, но активно продолжаем наши исследования совместно с заводами-изготовителями, ОАО "РЖД" и научно-отраслевым комплексом.

В России есть разработки по применению легированной бейнитной стали и для выпуска колес, что увеличивает их ударную вязкость и износостойкость в сравнении с изделиями из современной стали марки Т.

Беседовал Александр Зубов

Справка

Над проектом "Колесо – рельс" работали Департамент технической политики, Центральная дирекция инфраструктуры, ВНИИЖТ, ВНИКТИ, ПГУПС, СамГУПС. Исследования и разработки стартовали в 2021 году. После утверждения результатов научной деятельности в ОАО "РЖД" настанет время промышленного внедрения предложений, разработанных учеными в рамках проекта.