Основы проектирования рельсов [1978 Першин С.П. - Развитие строительно-путейского дела на отечественных железных дорогах]

Формирование конструкции пути и его элементов происходило, как известно, преимущественно на эмпирической основе. Тем не менее уже на ранних этапах в конструировании начали применяться теоретическое обобщение и расчетные методы. Выше приводился пример применения в качестве рельсов балок равного сопротивления, представление о которых возникло на основе ряда теоретических разработок. С очень раннего времени принималось во внимание температурное расширение тел, с учетом которого подходили к определению величины стыковых зазоров или длины рельсов. Типичная форма поперечного сечения рельсов была принята под влиянием теоретических исследований наиболее выгодного распределения материала в изгибаемой балке.

Расчет на прочность сопровождал практическое конструирование рельсов на протяжении почти всей его истории. Он служил основой для установления связи между действующей на рельс нагрузкой и геометрическими характеристиками сечения - моментом инерции и моментом сопротивления. Последние определялись совокупностью всех размеров сечения и, следовательно, распределением материала по его площади, поэтому площадь сечения и расход металла на рельс удавалось, связать с уровнем нагружения. При этом ограничение изгибных напряжений некоторой допускаемой нормой давало возможность ориентировочно учесть и качество-металла.

Теоретические зависимости, обусловленные схематизацией напряженного состояния рельса как изгибаемой балки, существенно повлияли на многие стороны проектирования. Увеличению осевых нагрузок подвижного состава, которое сопровождает во времени развитие железнодорожного транспорта, неизменно сопутствует применение все более тяжелых рельсов (рис. 16). При этом масса железных рельсов возрастала в зависимости от осевой нагрузки значительно интенсивнее, чем масса стальных, что объясняется меньшими по величине допускаемыми напряжениями для железа в сравнении: со сталью. Прочностные оценки существенно влияли на проектирование профиля поперечного сечения, так как обычно ставилась задача при определенной нагрузке и некоторых заданных размерах или известной массе рельса добиться наибольшего момента сопротивления, т. е. обеспечить восприятие изгибающей нагрузки с наименьшим расходом металла. Именно таким образом проектировал свои рельсы Ф. И. Энрольд. Наибольший момент сопротивления по расчетному изгибающему моменту он находил способом попыток. Понятно, что при этом удавалось четко определить лишь самые основные размеры. Остальное дополнял опыт проектирования и эксплуатации.

Рис. 16. Соотношение между характеристиками локомотивной нагрузки и массой железных (обозначена точками) и стальных (обозначена крестиками) рельсов на русских дорогах

Позднее при проектировании часто прибегали к помощи эмпирических соотношений параметров и размеров. Можно привести для примера следующие соотношения, рекомендованные Э. Винклером, которыми пользовались долгое время; их можно встретить в пособиях по конструированию пути, изданных уже в нашем веке [16]:

Примечание. l - расстояние между осями шпал м: P - нагрузка от колеса, тс.

В 60-е годы прошлого века резкие индивидуальные различия, типичные для первых вариантов широкоподошвенных рельсов, начинают сглаживаться, а профиль рельсов приобретает близкое к современному очертание.

Таблица 3. Характеристики ранних рельсов Петербурго-Варшавской дороги

Так, Петербурго-Варшавская дорога до начала 80-х годов сменила пять типов рельсов (табл. 3). Первые три типа отличались друг от друга весьма существенно. Позднее же профиль рельсов изменялся только в деталях (рис. 17).

Рис. 17. Пять профилей рельсов, последовательно применявшихся на Петербурго-Варшавской дороге до начала 80-х годов

Дороги более поздней постройки пользовались накопленным опытом и начинали с достаточно отработанных форм рельсов, внося в них те или иные предполагаемые улучшения. Если эти предположения оправдывались, то улучшение быстро становилось достоянием других дорог. Поскольку в области рельсового дела происходил активный обмен информацией, развитие профиля протекало по существу на базе общих знаний и опыта. Оно привело, в конечном счете, к очень схожему очертанию поперечного сечения широкоподошвенных рельсов не только на отечественных, но и на зарубежных дорогах.

Разумеется, эмпирические соотношения корректировались и дополнялись по мере поступления новой информации. Так, например, Инженерный Совет в 1898 г. выработал следующие рекомендации:

Эти нормы были разработаны в порядке подготовки к введению на русских дорогах типовых профилей I, II, III и IV и являются дополнением к тем основным размерам, которые можно получить расчетом.

Следовательно, в основе проектирования лежало казавшееся неоспоримым положение, что стоит лишь выполнить условие прочности по уровню изгибных напряжений, как безопасность движения будет обеспечена: "При выборе рельсового профиля играет главную роль величина его сопротивления изгибающим усилиям" [16]. Это положение господствовало со времени применения на железных дорогах чугунных рельсов, хрупкие изломы которых не без оснований относили на перенапряжение металла и связывали с опасностью катастрофы. Железные рельсы практически уже не лопались. Но появление стальных, более твердых и, как тогда полагали, непременно более хрупких рельсов вновь обострило угрозу изломов. Эти опасения не подтвердились.

Последующая практика показала, что стальные рельсы как балки обладали достаточной прочностью и, за исключением случаев недопустимой перегрузки, как, например, на Сибирской дороге, служили в пути вполне надежно. В начале века излом уже без колебаний связывали со случайными пороками металла, уменьшавшими нормальное сопротивление воздействию нагрузки, и с прочими дефектами [86], которые при традиционной проверке прочности по изгибу не учитывались. Казалось бы, расчет на прочность становился бесполезным. Однако с расширением сферы конструктивных разработок он стал играть еще более важную роль. В конце века его уже использовали для обоснования эксплуатационно-экономических характеристик, наибольших скоростей движения и т. д. [164], [177]. Теория приобрела ценность рабочего расчетного аппарата, позволявшего пусть на неточных и условных критериях, на соотношениях между ними, прогнозировать поведение пути под нагрузкой.

Однако одних расчетов на прочность становилось недостаточно. Характер новых задач проектирования рельсов можно проиллюстрировать на примере реализации рекомендации Инженерного Совета о применении широкой подошвы, которая вытекала из стремления уменьшить смятие и износ древесины шпал. В 1900 г. эту рекомендацию поддержал XVIII съезд инженеров службы пути [83]. Двумя десятилетиями раньше осуществление подобного пожелания не встретило бы никаких затруднений. Но к концу века рельсы уже прокатывали из достаточно твердой стали с относительно высоким содержанием углерода. Слишком широкая подошва в результате быстрого охлаждения становилась хрупкой, что угрожало весьма опасными местными выколами. Так, наметился ограничительный критерий на ширину подошвы, однако его не удавалось выразить с привычной численной определенностью, ибо он с трудом выявлялся во множестве различных характеристик стали и эксплуатационных данных.

В последней четверти прошлого века стали все яснее понимать, что надежная служба рельсов в пути зависит не только от прочности, но и от многих других факторов: механических, химических, структурно-физических свойств металла, особенностей технологии металлургических процессов, условий эксплуатации и от других причин, связи между которыми представлялись неопределенными и противоречивыми.

Механический износ рельсов под колесами поездов был основной причиной их выхода из строя и по существу определял срок службы. Поэтому борьба с износом являлась сильным стимулом совершенствования рельсового дела.

Первые попытки количественной оценки влияния износа на интенсивность выхода рельсов и объем ежегодной замены относятся к 50-м годам прошлого века, причем уже тогда понимали, что существовало много причин выхода и в их числе многократное нагружение, "которое мало-помалу уничтожает упругость железа, делает его хрупким, ломким и к употреблению негодным" [151]. Изнашиваемость рельсов при одном и том же весе паровозов и вагонов считалась прямо пропорциональной количеству перевезенных грузов, а общий выход - возраставшим "в прогрессии лет". Формулой геометрической прогрессии предлагалось пользоваться для вычисления ремонтного количества рельсов на любой год.

Сравнительные исследования износа железных рельсов были начаты в России, в 1875 г. Н. П. Петровым. Он решал сугубо прикладную задачу, сопоставляя износ на двух разных дорогах, но в подходе к ней проявилась широта взгляда, свойственная этому большому ученому. В числе факторов, от которых зависит износ,, он рассматривал не только "валовое количество перевезенного груза", т. е. тоннаж, но и давление колес на рельсы, влияние кривизны пути, характер движения по линии, связанный с числом путей. В работе [123] приводится кривая среднего выхода рельсов в процентах от первоначально уложенного количества по мере пропущенного тоннажа.

При стальных рельсах интенсивность износа снизилась в 3-4 раза, влияние на него многих факторов смягчилось, поэтому в поле зрения исследователей надолго остался в основном только пропущенный тоннаж,, который корректировали поправками на особенности службы рельсов в кривых, на подъемах и т. д.

Резко увеличившаяся износостойкость стальных рельсов, достигнутая сравнительно небольшим повышением содержания углерода, привлекла внимание к химическому составу, как средству направленного влияния на твердость стали. Однако в начале развития русского сталерельсового производства бытовало представление о непосредственной связи между мягкостью и вязкостью, твердостью и хрупкостью стали. Суровый климат страны, особенно длительные морозные зимы, заставляли остерегаться хрупкости рельсов, которую интуитивно соединяли с твердостью стали. Поэтому в России стремились на первых порах обойтись мягкими, малоуглеродистыми рельсами и к повышению твердости относились весьма осторожно.

В 1884 г. специальной комиссией РТО было проведено исследование 107 рельсов, срок службы и износостойкость которых поставили в связь с "пропущенным тоннажем брутто. Рельсы содержали 0,22-0,28% углерода, 0,54-0,74% марганца, 0,05-0,24% кремния и 0,12-0,18% фосфора [81]. Лучшими оказались более твердые рельсы, при этом рельсы отечественного производства отнюдь не выделялись худшими показателями. В результате был сделан первый, еще весьма робкий вывод о том, что рельсовая сталь может быть твердой и в то же время не хрупкой.

К концу 80-х годов целесообразность высокой твердости рельсовой стали при достаточной вязкости уже не представляла сомнения для инженеров. Начались поиски стали наилучшего состава, сопряженные с лабораторными исследованиями и эксплуатационными обобщениями большого объема.

В 1889 г. Русское техническое общество поставило крупный эксплуатационный эксперимент, чтобы выяснить влияние химического состава и технологии изготовления стали на службу рельсов в пути. На шести отечественных заводах изготовили 190 рельсов, подробно зафиксировав все особенности технологического процесса. Затем рубками длиной 4,5-5,1 м их уложили на одном из весьма напряженных участков Николаевской дороги - грузовом пути между станциями Сортировочная и Обухово (путь этот содержался плохо). Результаты службы опытных рельсов весьма убедительно проиллюстрировали успехи русской рельсовой металлургии. За 14,5 лет, в течение которых рельсы пропустили 48 млн. т. брутто, что являлось по условиям того времени большим тоннажем, по излому через болтовое отверстие вышло два рельса, в одном были обнаружены трещины за пределами стыка. Таким образом, из строя вышло всего 1,5% рельсов. (Рельсы английского завода Геста, пропустившие за период 1870-1887 гг. на Московско-Рязанской дороге такой же тоннаж, имели выход более 9% [65].) Кроме того, около трети рельсов оказались без всякого наплыва и смятия, 16% не имели бокового износа. Вертикальный износ в среднем был ниже установленной в то время нормы, а наибольший не достигал верхней границы норматива (0,1 мм на 1 млн. т брутто). Лучшими по износостойкости оказались рельсы демидовского и брянского заводов; последний работал уже на русском чугуне и ломе.

В результате этих испытаний были даны рекомендации по изготовлению хороших рельсов. Но основная ценность экспериментов заключалась в тех научных обобщениях, которые были сделаны из анализа свойств стали и службы рельсов. Хорошие рельсы, как оказалось, содержали значительно большее количество углерода, чем рельсы 1884 г. В образцах с наименьшим износом оно находилось в пределах 0,39-0,77%. Содержание марганца составляло 0,37-1,16%, фосфора - 0,06-0,09%. Рельсы с большим износом имели 0,28-0,52% углерода [98]. Чтобы понять важность этого вывода, необходимо иметь в виду, что до него сведения о влиянии химического состава на износ, поступавшие как с отечественных, так и с зарубежных дорог, были весьма противоречивыми. Если в 70-е годы за каждой сотой долей содержания углерода наивно подозревали едва не функциональное изменение механических характеристик, то к концу века на химический состав почти перестали обращать внимание. Даже содержание фосфора, который явно способствовал повышению хрупкости стали, колебалось в больших пределах.

Опыт РТО, впервые открывший возможность серьезного статистического анализа большого количества однородных характеристик, твердо установил связь между химическим составом стали и поведением рельсов в эксплуатации. Эта связь не поддавалась описанию привычными функциональными зависимостями. В каждом отдельном случае изучаемый фактор действовал на фоне других влияний, маскировался ими и устойчиво проявлял себя лишь в общей совокупности. В настоящее время подобные связи называют стохастическими. Обнаружение и объяснение этих связей в прикладной области в тот период было серьезным достижением и способствовало позднейшей постановке рельсового дела на правильную основу.

Анализ службы в пути опытных рельсов РТО позволил определить общий износ как результат двух процессов - смятия и истирания. Выяснилось большое влияние на службу рельсов структуры стали, в связи с чем разрушалось обычное представление о смятии, как следствии всего лишь мягкости металла. Оказалось, что пластическим деформациям подвержены и твердые в обычном смысле рельсы при наличии крупного зерна и особом строении перлита [8].

Менее успешным было проникновение в суть процесса истирания, ибо его не удавалось связать с изменчивостью обычных характеристик стали. Рельсовая комиссия РТО 1899-1906 гг. провела весьма тщательный анализ материалов эксплуатационных опытов и специальные исследования истираемости. Но и они не прояснили вопроса. Выявилось лишь отсутствие заметной связи между различными видами истирания и твердостью, определяемой по методу Бринелля, что свидетельствовало либо о независимости этого вида износа от твердости, либо о недостатках практических способов ее определения. В результате А. Н. Митинский вынужден был написать в 1915 г., отражая распространенную точку зрения: "При современном положении этого вопроса, кажется, мы должны сознаться в своем невежестве относительно истираемости металлов" [104]. При таком состоянии знаний инженеру оставалось только придерживаться традиционной методики установления срока службы по общему износу, допустимые размеры которого определялись прочностью рельса, и оставления соответствующего запаса металла в головке.

Представление об интенсивности износа рельсов менялось много раз, что сопряжено с повышением качества рельсов. В конце прошлого века, например, считалось, что при проходе 5-6 млн. т груза головка изнашивается примерно на 1 мм. Поскольку допускаемый износ принимался равным 10 мм, то нормальный срок службы стальных рельсов при его определении пропущенным тоннажем составлял около 60 млн. т [16]. Затем интенсивность износа считали примерно вдвое меньшей. Одновременно несколько снижали и норму общего износа, ибо принимались во внимание его неравномерность и боковое истирание головки.

Некоторое представление о наименьшем сроке службы рельсов может дать величина гарантийного тоннажа, установленного Инженерным Советом для безвозмездной замены рельсов заводами-поставщиками. Этот тоннаж определялся пропуском 60 тыс. поездов, что при весе поезда 750 т соответствовало 45 млн. т. Практически хорошие рельсы пропускали до полного износа вдвое, редко втрое больший тоннаж. Срок службы таких рельсов составлял в среднем 25-30 лет.