Проблемы и решения

В ноябрьском номере журнала «Техника железных дорог» вышла статья «Факторы износа в системе «колесо-рельс»: проблемы и решения», автором которой является президент Ассоциации «Объединение производителей железнодорожной техники» Валентин Гапанович.

Проблемам износа и взаимодействия в системе «колесо-рельс» посвящены сотни статей в научно-технических изданиях, опубликованы десятки докторских и кандидатских диссертаций, проведены многочисленные конференции. Вместе с тем проблематика взаимодействия в системе «колесо-рельс» остается актуальной и в настоящее время. В статье рассматриваются наиболее значимые факторы, оказывающие влияние на процесс износа и, как следствие, эксплуатационный ресурс рельсов и колесных пар подвижного состава.

Цена вопроса

Затраты на приобретение рельсов, металлических составных частей стрелочных переводов, цельнокатаных колес и бандажей тягового подвижного состава – одни из наиболее материалоемких статей расходов в эксплуатации при текущем содержании подвижного состава всех видов и рельсового хозяйства для владельцев инфраструктуры. Так, в 2021 году металлургическими предприятиями произведено 785,8 тыс. т рельсовой продукции, из которых 668 тыс. т передано ОАО «РЖД» для нужд эксплуатации (без учета строительства новых линий и вторых путей) на ориентировочную сумму в 46,7 млрд руб. 

Для ремонта грузовых вагонов в прошлом году было поставлено 1 007 031 цельнокатаных колес общей стоимостью 60,4 млрд руб. Нижнетагильский металлургический комбинат в прошедшем году произвел 129,1 тыс. единиц локомотивных бандажей, из них около 78% были отправлены в сервисные локомотивные депо и локомотиворемонтные заводы, ориентировочные расходы оцениваются в пределах 6 млрд рублей. Итого финансовые затраты только на приобретение материальных ресурсов, без учета расходов на производство работ в системе взаимодействия подвижного состава и инфраструктуры, ежегодно составляют около 120 млрд руб. Такой объем поставок связан в первую очередь с физическим износом и частично с дефектами эксплуатационного характера, причиной которых служит множество разных факторов.

Следует отметить, что, кроме затрат на потребление материалов и восстановление работоспособности железнодорожной колеи по причине износа рельсов, требуется предоставление дополнительных «окон», а это снижает пропускную способность железнодорожных линий. Также необходимо учесть простои подвижного состава, связанные со сверхнормативной заменой элементов ходовых частей и восстановлением их работоспособности.

Роль ширины колеи

Исследования по изучению взаимодействия железнодорожной колеи и подвижного состава были начаты Министерством путей сообщения (МПС) СССР в начале 1970-х годов. Результатом этих работ стало решение об изменении ширины колеи с 1524 мм на 1520 мм. Исторически сформировались две точки зрения на оптимальный размер колеи. Верность выбранного направления по переходу на 1520 мм отстаивают ученые АО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ВНИИЖТ). Ошибочным такое решение считает группа ведущих ученых-практиков во главе с выдающимся руководителем железнодорожного транспорта доктором технических наук Б.Д. Никифоровым (1927–2017), прошедшим все ступени карьерного роста – от мастера локомотивного депо, руководителя главка локомотивного хозяйства МПС СССР, директора ВНИИЖТ до заместителя министра путей сообщения СССР. Однако, несмотря на научные споры, в настоящее время абсолютно очевидно, что в перспективе ширина колеи на сети ОАО «РЖД» останется неизменной.

Следует только отметить, что в конце 1980-х – начале 1990-х годов по причине обвального износа гребней колесных пар локомотивов и моторвагонного подвижного состава на сети железных дорог сложилась критическая ситуация. Подвижной состав сотнями единиц выводился из эксплуатации для обточки колесных пар и замены колесно-моторных блоков. Анализ условий содержания локомотивов и вагонов демонстрирует, что основной причиной обточек колесных пар с тех пор и до настоящего времени является износ гребней. Обточка по причине проката как следствие естественного износа колесной пары практически сведена до нуля.

Для решения возникшей проблемы, опираясь на опыт железных дорог США и ЮАР, был принят ряд экстренных мер, в том числе рельсосмазывание и лубрикация колесных пар подвижного состава. Широкое внедрение этих технологий положительно сказалось на повышении ресурса колесных пар. Из анализа Проектно-конструкторского бюро локомотивного хозяйства – филиала ОАО «РЖД» [1] следует, что интенсивность износа гребней колесных пар электровозов, оборудованных системой гребнесмазывания, на 6% ниже, чем не оборудованных (табл. 1).

Табл. 1. Интенсивность износа гребней колесных пар электровозов с автоматическим гребнесмазывателем (АГС) и без него

Указанные меры также способствовали снижению износа рельса в кривых малого радиуса и металлических частей стрелочных переводов. К примеру, средняя интенсивность бокового износа рельсов в кривых радиусом 351–600 м по результатам 2020 года для оборудованных путевым лубрикатором составила 0,022 мм/млн т брутто, для переоборудованных – 0,027 мм/млн т брутто. В процессе эксплуатации на основе многочисленных опытных поездок было подтверждено, что рельсосмазывание снижает уровень энергопотребления тяговым подвижным составом в пределах 3–5%, а с учетом значительной доли электрификации сети железных дорог в абсолютных величинах это около 1,75 млрд кВт/ч в год исходя из объема перевозок на электротяге.

Одновременно с этим в середине 1990-х годов в локомотиворемонтных депо было начато активное внедрение установок по упрочнению гребней бандажей, что способствовало увеличению ресурса колесных пар тягового подвижного состава. Сервисным компаниям необходимо уделить внимание этой технологии, так как по итогам семи месяцев 2022 года процент упрочнения колесных пар от обточенных в целом по Дирекции тяги – филиалу ОАО «РЖД» составил всего 14%.

Показатель твердости стали

Второй наиболее значимый фактор, оказывающий влияние на процесс износа и, как следствие, эксплуатационный ресурс рельсов и колесных пар подвижного состава, – показатель твердости стали. В железнодорожной науке и практике традиционно сложилось мнение, что твердость, будучи интегральным параметром механических свойств, может служить и характеристикой их показателей качества, поскольку ее рост означает повышение твердости и износостойкости стали и, как следствие, увеличение эксплуатационной надежности системы «колесо-рельс». Отдельные специалисты видят решение вопроса в существенном повышении твердости поверхности рельсов, что является достаточно спорным. Железнодорожная наука, решая сложнейшие и многоплановые проблемы оценки прочности, износостойкости, сопротивления усталости, трещиностойкости ответственных элементов в системе «колесо-рельс» до сих пор не имеет должной экспериментальной базы для всестороннего анализа основных повреждающих явлений в лабораторных условиях, которые были бы близки к эксплуатационным [2–3].

Из подробного анализа проблем рельсового хозяйства Центральной дирекции инфраструктуры – филиала ОАО «РЖД» следует, что для рельсов категории ДТ с улучшенными характеристиками (ДТ370, ДТ400ИК) вопрос контактно-усталостных повреждений на поверхности катания не только не решен, но и усугубился по сравнению с рельсами меньшей твердости. В качестве примера рассмотрим результат подконтрольной эксплуатации на главном пути направления Самара – Челябинск. Для сравнения выбраны кривые радиусом 420 м. Для рельсов категории Т1 укладки 2009 года наработка тоннажа до образования дефектов составила 362 млн т брутто, для рельсов ДТ350 укладки 2015 года – 243 млн т брутто. В 2021 году новые рельсы ДТ350, уложенные при капитальном ремонте пути, показали еще худшую сопротивляемость. Первые признаки развития дефектов контактно-усталостного характера выявлены при наработке 44 млн т брутто.

Для повышения ресурса колес железнодорожного подвижного состава, по мнению большинства российских и зарубежных ученых, необходимо устанавливать оптимальное соотношение твердости пары «колесо-рельс». Большую исследовательскую работу в этом направлении провели ученые Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС) А.А. Воробьев и А.А. Соболев [4]. Также в процессе исследований, проведенных ВНИИЖТ в 1960–1980 годы, было найдено, что для равной износостойкости соотношение твердости колеса и рельса должно быть не менее 1,2 при проскальзывании не более 1%.

В США соотношение твердости колес грузовых вагонов варьируется в зависимости от класса рельсов и составляет в пределах 1.1–1.2 (рис. 2): для марок стали ARR M 107/208 твердость рельсов составляет 285–415 НВ, на железных дорогах 1 класса (рельсы типа APEX) – от 392 до 435 HB, рельсов Premium OCP – от 386 до 418 HB.

Рис. 2. Соотношение износа колеса/рельса в зависимости от коэффициента твердости рельса/колеса [5]

Для сравнения, твердость цельнокатаных колес из марок стали «2» не выше 255 HB, локомотивных бандажей из стали «2» – не менее 269 HB, а железнодорожных рельсов типа Р65ДТ370 – от 388 до 409 HB (табл. 2).

Табл. 2. Показатели твердости рельсов в зависимости от их типа и марки стали

Ученые ПГУПСа на основе экспериментов и математического моделирования получили оптимальное значение твердости: для колес – 361 НВ, а для рельсов – 362 НВ, следовательно, их соотношение близко к единице. Исследование износа цельнокатаных колес повышенной твердости в процессе работы продемонстрировало неоднозначное влияние твердости на их ресурс. При увеличении твердости колеса количество таких дефектов, как остроконечный накат, износ гребня менее нормирующих размеров снижается, но при этом растет число дефектов контактно-усталостного характера, например, выщербин.

Для цельнокатаных колес из стали марки «Т» диаметр закаленного слоя обода меньше минимального допустимого диаметра колеса в эксплуатации. Из этого следует, что в процессе обточек колесной пары при деповских видах ремонта твердость снижается до показателей стали марки «2». Ученые-металлурги в настоящее время ведут большую исследовательскую работу в части повышения ресурса и износостойкости железнодорожных колес и рельсов с учетом оптимального соотношения твердости пары «колесо-рельс». По цельнокатаным колесам для грузовых вагонов и пассажирского подвижного состава эта работа была начата в 2021 году, по бандажам для локомотивов при условии софинансирования всех заинтересованных сторон актуализация нормативной базы предусмотрена в 2023 году.

Условия эксплуатации

Третьим фактором, влияющим на интенсивность износа как колес, так и рельсов являются условия эксплуатации, и в первую очередь план и профиль пути. Так, для Дальневосточной железной дороги 89,3% бандажей колесных пар тепловозов демонтируются до достижения пробега в 400 тыс. км по причине предельного износа, а для полигона Приволжской железной дороги этот показатель составляет 46,3%. При этом доля протяженности пути с кривыми участками различных радиусов от развернутой длины на Дальневосточной железной дороге составляет 47%, а на Приволжской – 26%.

В качестве примера различных показателей ресурса железнодорожных колес в зависимости от полигона эксплуатации можно привести данные Дирекции скоростного сообщения ОАО «РЖД» по электропоездам ЭС1П «Ласточка». Пробег до замены элементов на участке Санкт-Петербург – Москва составляет 1,1–1,2 млн км, а для участка Пермь-2 – Кунгур Свердловской железной дороги – 800 тыс. км.

Подтверждают это наблюдение результаты эксплуатации тепловоза серии 2ТЭ25КМ на Приволжской и Горьковской железных дорогах, имеющих различные план и профиль пути, а также протяженность участков с кривыми малого радиуса. Показатель количества обточек на 1 млн км пробега составил для Горьковской железной дороги 315,2, а для Приволжской железной дороги – 156,4 (табл. 3).

Табл. 3. Условия эксплуатации тепловоза серии 2ТЭ25КМ на Приволжской и Горьковской железных дорогах

Фактор условий эксплуатации носит объективный характер и должен учитываться при нормировании показателей эффективности работы локомотивного парка с учетом увеличения времени простоя в сервисах локомотивных депо вследствие более интенсивного износа колесных пар и восстановления их работоспособности. Необходимо также актуализировать работы по изучению и разработке оптимальных профилей колеса и рельса, что в соответствии со своевременной шлифовкой головки рельса одновременно позволит снизить износ в системе «колесо-рельс».

Заключение

Нашей отраслевой науке необходимо вернуться к изучению и возможному внедрению нормируемых показателей эквивалентной конусности, опираясь на зарубежный опыт эксплуатации железнодорожных линий со скоростным движением. С учетом изложенных факторов взаимного влияния пары «колесо-рельс» на ресурс ОАО «РЖД» совместно с представителями металлургической отрасли, учеными отраслевых институтов и транспортных вузов, компаниями – производителями железнодорожного подвижного состава и сервисными организациями необходимо:

- актуализировать ранее принятую техническую документацию в области эксплуатации и текущего содержания подвижного состава, влияющую на показатели колесных пар;
- на основании исследования и анализа эксплуатационных показателей внести соответствующие изменения в национальные и межгосударственные стандарты;
- уделить особое внимание эффективности существующих и внедрении инновационных систем рельсосмазывания и лубрикации, включая новые образцы смазочных материалов;
- при утверждении норм простоя тягового подвижного состава учитывать полигоны эксплуатации;
- продолжить работы по разработке новых марок сталей, обеспечивающих повышенный ресурс железнодорожных колес и рельсов при увеличении их износоустойчивости;
- продолжить исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию ходовых частей подвижного состава, «дружественных к пути», в том числе за счет оптимизации профилей железнодорожных колес и применения на сети ОАО «РЖД» со скоростным и высокоскоростным движением понятия эквивалентной конусности с последовательным внедрением этой технологии.

Список использованной литературы

1. Анализ по содержанию колесных пар локомотивов и эффективности работы технических средств лубрикации // Проектно-конструкторское бюро локомотивного хозяйства – филиал ОАО «РЖД».
2. Гапанович В.А., Сосновский Л.А. Какой должна быть поверхностная твердость рельсов // Железнодорожный транспорт. 2009. № 12.
3. Бурков Д.Н., Ваганова О.Н. Актуальные проблемы рельсового хозяйства // Путь и путевое хозяйство. 2022. № 8.
4. Воробьев А.А., Бунькова Т.Г., Соболев А.А. К вопросу об оптимальном соотношении твердости пары «колесо-рельс» // Известия ПГУПС, 01.2019.
5. Юссель Вольф-Дитер. Использование износостойкой стали для рельсов на кривых и ее влияние на ходовые качества подвижного состава // ZEVrail. 2016. № 11/12 (140).
ОПЖТ