Верхня будова колії складається з рейок, скріплень, рейкових опор (частіше всього у вигляді шпал); баласту і додаткових елементів у вигляді противоугонов, стяжок та інших деталей. Крім того, до верхньої будови відносять стрілочні переводи, мостове полотно і ряд спеціальних пристроїв, наприклад дорожні загородження.
В будь-яких кліматичних зонах і в будь-який час року конструкція верхньої будови колії повинна бути міцною, стійкою, стабільною, зносостійкою, економічною, забезпечує безпечний і плавний рух поїздів з великими швидкостями.
Рейки - найдорожчий і самий відповідальний елемент верхньої будови колії. До рейок ставлять багато вимог. Щоб колеса рухомого складу мали менший опір руху, потрібно, щоб рейки були гладкими. З іншого боку, для того щоб локомотив міг реалізувати максимальну силу тяги, бажано збільшити зчеплення його коліс з рейками, тобто рейки повинні мати шорстку поверхню. У зв'язку з цим в необхідних випадках під колеса локомотива на рейки подається пісок з спеціальних пристроїв (пісочниць).
Для меншого зносу рейки потрібно робити з твердої сталі. Однак дуже тверда сталь може бути крихкою, що збільшує небезпеку зламу.Таким чином, рейки повинні бути твердими і в'язкими. Це протиріччя дозволяється на основі раціонального підбору хімічного складу сталі та з допомогою термічної обробки. Рейок повинен бути достатньо жорстким, щоб краще чинити опір вигину під колесами. У той же час при великій жорсткості рейки будуть зростати так звані динамічні сили від коліс (тобто сили в процесі руху).Це протиріччя намагаються вирішити за рахунок раціонального підбору форми і розмірів рейки.
Не можна забувати, що рейки - виріб масового виробництва, тому вони повинні бути досить дешевими.
Форма сучасного рейки нагадує двотаврову балку, яка краще інших чинить опір вигину у вертикальній площині.
На російських залізницях перший стандарт на рейки був прийнятий в 1903 - 1907 рр. Було затверджено чотири типи: 1-а, 2-а, 3-а і 4-а з масою відповідно 43,57; 38,42; 33,48; 30,89 кг на 1 м. В 1947 р. і наступних роках були затверджені нові стандарти, що встановлюють такі типи рейок: Р43, Р50, Р65 і Р75 з масою відповідно 44,65; 51,67; 64,72; 74,41 кг на 1 м. Буква Р означає слово «рейок», а число вказує приблизну масу 1 м рейки.В даний час рейки типу Р43 прокочуються лише для шляхів промислового транспорту, а також за заявками МПС для одиночної зміни рейок Р43, що лежать в дорозі, і для стрілочних переводів.
Поперечні профілі сучасних стандартних рейок (рис. 2.1) багато в чому відрізняються від рейок перших стандартів, прийнятих на початку нинішнього сторіччя.
Головка рейки окреслена по коробової кривої (тобто кривої змінної кривизни), у результаті чого досягаються центральність у передачі зусиль від коліс і достатня ширина контактного сліду. Радіус кривої в місці переходу від верху рейки до його бічній грані прийнятий 15 мм, що близько до викруглянню на колесі в місці початку гребеня. Це ускладнює всползание колеса на рейку. Бічні грані головки нахилені (1:20), що розширює головку знизу і збільшує опорну площу під накладки. Шийка рейки окреслена по кривій змінного радіуса з тим, щоб зробити потовщення при переході до голівці і підошві. Підошва зроблена більш потужної порівняно з рейками старих стандартів, щоб виключити небезпеку її зламу при вигині.
Слід підкреслити, що ширина підошви і висота пазухи1 зроблені однаковими для рейок типів Р65 і Р75. Це дуже зручно при веденні колійного господарства, так як дає можливість застосовувати проміжні та стикові скріплення одні і ті ж для обох типів рейок.
Якість рейок має дуже велике значення в забезпеченні тривалих термінів їх служби і безпеки руху поїздів. Міністерство шляхів сполучення поставило перед металургами завдання - випускати такі рейки, щоб вони до заміни могли пропустити вантаж масою 1200 - 1500 млн. т брутто в прямих і 500 млн. т брутто в кривих малих радіусів (600 м і менше).
На металургійних комбінатах, де прокочують рейки, варять сталь або в мартенівських печах (кілька годин), або в конвертерах (15-18 хв) киснево-конвертерним способом. Сталь розливають у виливниці. Після охолодження утворюються злитки. Їх розігрівають і подають на блюминги, де відбувається їх попереднє обтиснення. Отримана заготовка далі надходить у прокатні стани. Поступово сталева смуга пропускається через «струмки» стану і отримує профіль рейки.
Мартенівська сталь краще конвертерної тому, що тривалий процес варіння сталі дозволяє краще регулювати її складу, в ній менше фосфору і сірки, менше шкідливих домішок.
Рейки зі сталі, виготовленої киснево-конвертерним способом, містять більший відсоток фосфору і сірки і, отже, мають більшу холодно - і красноломкостью (тобто відповідно небезпекою зламу при низьких і високих температурах). З цієї причини на магістральних лініях рейки, виготовлені цим способом, знову не укладаються (застосовуються на під'їзних коліях промисловості).
Якість рейок контролюють за хімічним складом, мікро - і макроструктурі металу, міцності, прямолинейности2 і іншими показниками (міцність зазвичай оцінюється величиною тимчасового опору зразка при його розтягуванні).
До складу рейкової сталі, крім заліза, входять такі хімічні елементи: углерод3 (0,67 - 0,82%), марганець (0,75 - 1,05%), кремній (0,13 - 0,28%), фосфор (до 0,035%), сірка (до 0,045%).
Вуглець сприяє підвищенню твердості, тобто зносостійкості, стали. Навіть невелике збільшення вмісту вуглецю з 0,42 до 0,62% = призводить до зростання зносостійкості сталі майже в 2 рази.
Марганець - дуже корисна добавка, збільшує як зносостійкість, так і ударну в'язкість (тобто забезпечує малу крихкість). Кремній - добавка, що підвищує твердість і, отже, зносостійкість сталі. Фосфор і сірка - шкідливі добавки. Їх наявність пов'язана з тим, що вони містяться в природних залізних рудах. В рейках, які випускає жданівський металургійний комбінат «Азовсталь», на базі керченських руд міститься миш'як (0,15%). Його присутність в таких розмірах не погіршує сталь.
При виробництві сталі відбувається часткове вигоряння домішок чавуну. Разом з домішками горить і залізо, перетворюючись у закис, яка розчиняється в рідкому металі і може зробити його непридатним для подальшої обробки. Тому метал перед розливанням у виливниці доводиться «раскислять», тобто звільняти від закису заліза шляхом добавки в нього особливих розкислювачів, в якості яких використовуються Al, SiCa та ін.
Розкислювачі, прореагувавши з киснем, утворюють оксиди, основна частина яких видаляється зі шлаком. Залишки оксидів розкислювачів утворюють неметалеві включення (наприклад, глинозем), які, раскатываясь вздовж напрямку прокату, утворюють доріжки або рядки. Ці включення відрізняються високою твердістю (на порядок вище основного матеріалу), тому, потрапляючи в зону максимальних напружень, вони є осередками утворення втомних тріщин.
Дослідження останніх років показали, що виключення з розкислювачів алюмінію дозволяє істотно зменшити довжину строчечных неметалічних включень. Тому з 1 липня 1981 р. на рейки введено новий ГОСТ 24182 - 80, відмітна особливість якого полягає в тому, що з цього часу нові рейки діляться на 1 і 2 групи. Рейки 1 групи виготовляють з мартенівської сталі, раскисленной в ковші комплексними розкислювачами без застосування розкислювачів, що утворюють в сталі стрічковіі неметалеві включення.Найкращими з них в даний час є железованадийкремнекальциевые розкислювачі, які застосовує Кузнецький металургійний комбінат. Можливе також використання кремнемагниетитановых розкислювачів.
Рейки 2 групи виготовляють з мартеровской сталі, раскисленной алюмінієм або марганцевоалюминиевым сплавом.
Застосування комплексних розкислювачів для виготовлення рейок 1 групи дозволяє зменшити довжину рядків неметалевих включень з 8 мм (у 2 групі) до 2 мм (в 1 групі). У зв'язку з цим стійкість і надійність рейок підвищується приблизно на 20 - 30%.
Для подальшого поліпшення хімічного складу рейкової сталі проводилися досліди по введенню в неї легуючих добавок, наприклад хрому, що призвело до збільшення зносостійкості рейок, але не дало суттєвого ефекту проти виникнення контактно-втомних пошкоджень. Досліди зі сталлю, що має підвищений відсоток кремнію (0,49 - 0,64%), показали, що хвилеподібний знос таких рейок (див. докладніше в п. 2.3) стає менше, ніж у рейок стандартного виробництва.
Що таке мікроструктура металу? Якщо вирізати зразок рейкової сталі, відшліфувати його, протравити розчином азотної кислоти в спирті, а потім розглянути цей «шліф» через мікроскоп, то буде видно його мікроструктура. Вона може бути різною: то рівномірне або нерівномірне розподіл чорних і білих цяток, то якесь голчата будова і т. д. При цьому розрізняють структури: аустеніт, мартенсит, сорбіт і т. д. Виявляється, що якість рейок значно зростає після їх загартування. Кращими властивостями (міцністю і в'язкістю) мають структури сорбіт загартування і троостит загартування.
Багато років велася досвідчена загартування рейок тільки по кінцях, а потім по всій довжині. Найбільшого успіху досягли на Нижньотагільському металургійному комбінаті, де застосовується об'ємна гарт, тобто загартування всього рейки (нагрівання в печах, а потім охолодження в олії). Термін служби рейок, загартованих таким чином, зросли майже в 1,5 рази у порівнянні з незакаленными.Хороші результати отримані на комбінаті «Азовсталь», де застосовується поверхневе загартування головки рейок водовоздушной сумішшю після нагріву струмами високої частоти.Загартування рейок з пічного нагріву водою також застосовується на Дніпровському металургійному комбінаті імені Ф. Е. Дзержинського.
Проводяться дослідження варіантів технології створення особливо міцних рейок, зокрема виготовлення рейок, у яких головка зроблена більш твердою, ніж шийка і підошва (з допомогою особливого способу загартування). Твердість характеризують одиницями за Брінеллем. Так, якщо шийка і підошва будуть мати 331 388 одиниць, то головка 450 одиниць.
Передбачені досліди по створенню термозміцнених рейок заевтектоїдной сталі (сталь, що містить вуглецю більше 0,82%), а також рейок з біметалу, тобто двошарових з різних видів сталей.
|
