Скоростной железнодорожный транспорт. Проблемы и перспективы.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
Устройство характерного скоростного поезда Arlanda-Express
Стали для рельсов скоростных линий
Колеса во взаимодействии с рельсами
Проблема переездов на высокоскоростной линии на примере США
Заключение.
Список литературы.

Скоростной железнодорожный транспорт. Проблемы и перспективы.

хорошей обрабатываемостью;
низкими внутренними напряжениями;
точной геометрией.
Производство рельсов
Современные рельсовые стали выплавляются преимущественно с использованием кислородного дутья; существенными признаками процесса являются следующие:
подвод перемешивающего газа снизу через днище конвертора (комбинированная продувка);
раскисление без добавок алюминия;
вакуумная дегазация;
непрерывная разливка.
В процессе изготовления необходимо обеспечить низкое содержание водорода и окислов, равномерный химический состав.
Жидкая рельсовая сталь разливается в блюмы- стальные квадратные формы соответствующих сечений. Для оптимальной прокатки рельсов большой длины с высоким качеством поверхности, а также соблюдения жестких размерных допусков необходимо точно соблюдать температурный режим. Охлажденные рельсы (у фирмы Thyssen длиной до 120 м) в роликовой правильной машине рихтуются таким образом, что на поверхности катания рельса и в подошве рельса возникают минимальные внутренние напряжения растяжения. После рихтовки рельс поступает на технический контроль, выполняемый в автоматическом режиме и включающий:
ультразвуковую дефектоскопию;
исследование поверхности с помощью вихревых токов;
определение вертикальной и горизонтальной плоскостности;
оценку правильности профиля.
Рельсы обычно поставляются в состоянии прокатки, т. е. с естественной твердостью (без дополнительной термообработки). Для улучшения свойств рельсы из перлитной стали могут подвергаться дополнительной термообработке. Большое внимание уделяется термообработке головки рельса.
Принципиальная схема установки для закалки головки рельсов.
После рихтовки рельс подается в закалочную индукционную установку, в которой его головка нагревается до температуры 900- 1000°C. При обдувании сжатым воздухом на линии первичного охлаждения материал головки приобретает тонкоперлитную структуру, характеризующуюся высокой твердостью. Шейка и подошва сохраняют свойства основного материала, т. е. те, что были перед термообработкой головки. Остаточное тепло отводится от рельса водяным душем на линии вторичного охлаждения.
Свойства современных рельсовых сталей
Рельсовые стали делят на группы по минимальной прочности на растяжение, а в новом европейском стандарте- по минимальной твердости поверхности катания.
Рельсы класса 700 в Германии применяют, главным образом, на городских железных дорогах, класса 900- на сетях большинства железных дорог мира. Класс 1100 и 1200 имеют рельсы естественной твердости из специальной стали, предназначенные для линий с особо высокими нагрузками. Термообработанные рельсы, преимущественно с закаленной головкой, отличаются высокой прочностью; их применяют в кривых малого радиуса и на линиях с высокими нагрузками и большими уклонами.
С повышением прочности вязкость рельсовой стали снижается. Это объясняется более высоким уровнем легирования, которое обусловливает измельчение перлита, усиленное дисперсионное твердение и образование твердого раствора. Особую роль играют добавки хрома и ванадия.
Химический состав и условия изготовления рельсовых сталей определяют их микроструктуру, прочность и вязкость. В результате совершенствования технологии, обеспечивающего жесткое соблюдение параметров процесса, современные рельсовые стали имеют незначительный разброс показателей прочности. На рисунке ниже показано распределение параметров для рельсов класса 1200 (900НН) с закаленной головкой. Для получения этих данных исследовали 96 новых рельсов.
Статистические характеристики свойств рельсов класса 1200 с закаленной головкой:
AR- относительная частота повторяемости; sS- предел текучести при растяжении; sb- прочность на растяжение; d- относительное удлинение при разрыве; HB- твердость по Бринеллю.
При разработке рельсовой стали стремятся получить наряду с требуемой прочностью достаточную стойкость к хрупкому излому, который особенно опасен, так как возникает внезапно, без предшествующей ему заметной пластической деформации. До последнего времени хрупкий излом обычно оценивали с помощью приложения ударной нагрузки к отрезку рельса. Полученные результаты, однако, нельзя распространять на рельсы в пути, поскольку в качестве меры оценки при таком испытании используется пластическая деформация. То же самое можно сказать об оценке хрупкого излома по относительному удлинению при разрыве.
Интенсивные исследования последних лет показали, что для изучения поведения рельсовой стали при хрупком изломе пригодны только методы механики разрушений. Важнейшим критерием разрушения при статическом нагружении является так называемый коэффициент интенсивности напряжений К. Он характеризует напряженное состояние по всем пространственным координатам перед возникновением трещины определенной длины при заданной внешней нагрузке.
Критическая интенсивность напряжений в момент нестабильного разрушения определяется не зависящим от геометрии коэффициентом интенсивности при разрушении материала КIC, который представляет собой максимальное напряжение материала непосредственно перед возникновением трещины, приводящей к хрупкому излому. В рельсах класса 700- 900 вязкость показатель КIC) снижается с ростом прочности.
Зависимость между критической интенсивностью напряжений перлитной рельсовой стали и прочностью на растяжение при температуре испытаний -20°C:
KIC- критическая интенсивность напряжений при изломе; sb- прочность на растяжение
Рельсы класса 1200 с закаленной головкой, несмотря на высокую прочность при растяжении, равную 1200 Н/мм2, имеют тем не менее более высокую вязкость, чем класса 900.
Существует еще один показатель, характеризующий рост трещин при циклическом нагружении, возникающем, например, в случае движения поездов. Речь идет о скорости распространения трещины, которая измеряется ее удлинением в течение одного цикла нагружения. В настоящее время разрабатывается модифицированный международный метод испытаний и устанавливаются предельные значения этого показателя для рельсов всех групп качества.
К физико-механическим свойствам рельсовой стали предъявляются повышенные требования. Следует иметь в виду, что возможности сталей перлитного класса в значительной степени исчерпаны. В связи с этим фирма Thyssen за последнее время провела обширные исследования, на базе которых был сделан вывод о перспективности использования сталей бейнитного класса в качестве рельсовых для высокоскоростных линий. Они представляют новое поколение рельсовых сталей, хотя их эксплуатационные испытания до настоящего времени ограничивались отдельными аспектами.
Бейнит- это многокомпонентная структура, состоящая из напряженного феррита, в котором в качестве второй фазы распределены карбиды, мартенсит или остаточный аустенит. В зависимости от состава стали бейнит в процессе охлаждения расплава может возникать в нем при разных температурах, чем определяются различные механические свойства стали.
Вязкость, характеризующая поведение сталей при хрупком изломе, у бейнитных сталей выше, чем у перлитных
Сравнение параметра KIC при температуре -20°C для перлитной и бейнитной рельсовых сталей.
Это означает, что, например, при классе 900 и прочности около 950МПа в бейнитных сталях допустимая глубина трещины перед возникновением опасности хрупкого излома на 40 % больше, чем в перлитных:
Рис. 5. Хрупкий излом рельса класса прочности 950МПа:
s- напряжения; a- глубина трещины
Поведение в эксплуатации
Важным критерием качества рельсов является износ их в пути. В Норвегии в экспериментальной кривой радиусом менее 300м был сопоставлен износ рельсов из различных сталей при одинаковой общей нагрузке:
Износ рельсовых сталей в экспериментальной кривой радиусом 300 м:G- износ; B- поездная нагрузка
Как и следовало ожидать, он снижается с повышением прочности. Особо выделяются рельсы класса 1200 с закаленной головкой, срок службы которых примерно в 8- 9 раз выше, чем рельсов класса 900.
Обоснованное мнение об усталостной прочности бейнитных рельсовых сталей высказать пока трудно из-за отсутствия достаточного практического опыта их использования. Однако вследствие более благоприятного поведения этих сталей при хрупком изломе следует ожидать, что они будут иметь и более высокую усталостную прочность. С этой целью ведутся специальные испытания.
Перспективы
Чтобы учесть требования будущих высокоскоростных перевозок, фирма Thyssen интенсивно занимается металловедческими исследованиями, изготовлением бейнитных рельсовых сталей с различными вязкостными и эксплуатационными свойствами. Практическое использование рельсов из бейнитных сталей в значительной степени определяется экономическими соображениями
Колеса во взаимодействии с рельсами
Условия эксплуатации колесных пар
Колеса являются одним из основных и наиболее нагруженных элементов ходовой части железнодорожного подвижного состава, непосредственно взаимодействуя с путем. При проектировании колесных пар следует учитывать ряд конструктивных ограничений, связанных с особенностями их эксплуатации.
Колесные пары должны соответствовать принятым ширине колеи, габариту подвижного состава и осевым нагрузкам. По габаритным требованиям оси и буксы должны находиться на определенной высоте над УГР, кроме того, диаметр колес должен быть увязан с конструкцией рессорного подвешивания. Спроектированная с учетом этих условий колесная пара должна выдерживать заданный уровень динамических нагрузок и сил, возникающих во взаимодействии как между экипажем и колесными парами, так и между колесами и рельсами.
Максимальная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы включает массу груженой (заполненной, экипированной) единицы подвижного состава и собственную массу колесной пары, которая при оси диаметром 150 мм и двух колесах диаметром 1000 мм составляет примерно 1,45 т. На железных дорогах Великобритании (BR) максимально допускаемая осевая нагрузка составляет 25 т.
Масса кузова и тележек обычно передается на колесные пары через буксы, размещенные с наружной стороны колес (встречаются конструкции, в которых буксы расположены внутри колесной пары). Колесные пары подвергаются значительным циклическим динамическим нагрузкам, в результате которых в колесах накапливаются усталостные дефекты. При этом следует иметь в виду, что колесо диаметром 1 м на пути длиной 3140 км совершает 1 млн. оборотов. Согласно теории усталостного сопротивления металлов для изделий, подвергающихся циклическому нагружению, величина допускаемых напряжений значительно ниже, чем для работающих в условиях статического нагружения.
Для обеспечения безопасности движения и предотвращения излома колесных пар под подвижным составом на железных дорогах установлен строгий контроль за качеством изготовления колес и их состоянием в эксплуатации. При этом определены предельные отклонения размеров и виды дефектов, с которыми колесные пары можно допускать к эксплуатации. Производится периодическая проверка колесных пар с помощью ультразвуковых и магнитных средств дефектоскопии.
Функции колесных пар
Колесные пары выполняют следующие функции: опирания и направления подвижного состава при движении по рельсовому пути; обеспечения требуемого уровня ускорения при разгоне и замедления при торможении; пропускания тяговых токов в землю и токов короткого замыкания от напольных устройств СЦБ. Все эти функции реализуются в зоне контакта колеса и рельса, и их анализ позволяет разработать требования к контактирующим поверхностям взаимодействующих тел.
Согласно классической теории механики, коэффициент трения есть отношение силы трения скольжения к вертикальной нагрузке. Для сухих металлических поверхностей он находится в пределах 0,25 - 0,40. Сопротивление качению современных вагонов со стальными колесами не превышает 10 кг/т, что равноценно коэффициенту трения 0,01. Иначе говоря, трение скольжения на практике присутствует только при проскальзывании колес относительно рельсов, а также в буксах, имеющих подшипники скольжения, причем в последнем случае скольжение происходит в контролируемых условиях и при постоянном наличии смазки. Если же буксы оснащены подшипниками качения, трение скольжения вообще сводится к минимуму и проявляется лишь в местах контакта металл/металл внутри подшипника.
В идеальном случае для обеспечения минимального взаимодействия с путем экипаж должен двигаться в рельсовой колее прямолинейно, без набегания гребнями колес на рельсы. Однако под воздействием неровностей верхнего строения пути и на поверхности катания колес колесная пара совершает сложные пространственные перемещения, которые через буксы и рессорное подвешивание передаются экипажу. Конусность поверхности катания колес и подуклонка рельсов способствуют прямолинейному движению экипажа в прямых участках без набегания гребня колес на рельсы. Она же облегчает вписывание экипажа в кривые, компенсируя разность касательной скорости колес, катящихся по наружному и внутреннему рельсам, до того момента, пока наружное колесо не начнет направляться наружной рельсовой нитью. С этого момента колесо начинает проскальзывать по рельсу и возникают дополнительные поперечные силы между гребнем колеса и рабочей гранью наружного рельса. Это приводит к повышенному боковому износу рельсов и гребней колес, скрипу, уширению колеи и возникновению условий для вкатывания колеса на рельс.
Если современный вагон разогнать и отцепить, на горизонтальном пути он будет постепенно снижать скорость с замедлением порядка 0,1 м/с2. Для повышения эффективности торможения и снижения потерь времени на замедление разработаны различные конструкции тормозов, от простейших фрикционных до усложненных электродинамических, которые позволяют быстро и плавно останавливать поезд. Максимальная величина замедления при торможении у современных пригородных поездов, обращающихся на участках с интенсивным движением, достигает 1,2 м/с2, у других пассажирских поездов не превышает 0,9 м/с2. При таких высоких величинах замедления коэффициент трения между колесом и рельсом должен быть не менее 0,09 - 0,12, иначе может произойти заклинивание, и колеса вместо качения будут скользить по рельсам. В результате этого на бандажах колес могут образовываться ползуны, от ударного воздействия которых в рельсах возникают повреждения.
Если при торможении поезда к колесам прикладывается тормозная сила, которая замедляет вращение колес, то при разгоне к ним прикладывается крутящий момент, который увеличивает частоту вращения. Как и при торможении, коэффициент трения в контакте колеса и рельса ограничивает крутящий момент при разгоне до величины, при которой не будет пробоксовки колес. Для предотвращения чрезмерного боксования и вызываемого им образования дефектов рельсов в виде лысок в настоящее время все тяговые единицы оборудуются специальными устройствами. При этом в связи с боксованием и проскальзыванием колес при разгоне и торможении следует учитывать, что, во-первых, при этом происходит истирание поверхности катания рельсов и увеличение коэффициента трения для последующих колесных пар, во-вторых, для повышения трения между колесом и рельсом применяются различные методы, наиболее распространенным из которых является подача сухого песка в зону контакта, хотя это иногда приводит к нежелательным побочным последствиям.
Особенностью рельсового транспорта является то, что в результате качения стальных колес по стальным рельсам на поверхности катания образуется чистая блестящая продольная полоса, через которую могут проходить обратные токи. Это обстоятельство способствовало разработке и внедрению электрической тяги. Только небольшое число железных дорог и систем городского рельсового транспорта в настоящее временя не используют ходовые рельсы в качестве обратного провода - неотъемлемой части общей системы тягового электроснабжения.
Однако при этом возникают проблемы. Специалисты полагают, что особое внимание следует уделять токопроводящим элементам не только на тяговых единицах, но на всех видах подвижного состава, обращающегося по электрифицированным железным дорогам. Это связано с тем, что из-за сопротивления рельсов обратные токи имеют тенденцию к перетеканию от тяговой единицы на путь к точке заземления рельсов через колеса и рамы других экипажей. Чтобы предотвратить прохождение этих токов через буксы, все вагоны должны иметь заземлители. Вместе с тем имеет место положительный эффект от обратных токов, проходящих через зону контакта колеса и рельса, проявляющийся в том, что они способствуют удалению пленочных изолирующих покрытий, ухудшающих сцепление колес с рельсами, особенно если они влажные, с поверхности контактирующих тел.
Наличие токопроводящих дорожек на колесах и рельсах позволило специалистам по СЦБ и связи использовать колесные пары в качестве короткозамыкающих или переключающих устройств для определения местонахождения поездов через рельсовые цепи низкого напряжения. Благодаря этому стала возможной централизация управления сигналами и стрелочными переводами с постами управления движением, оборудованными дисплеями, на которых отображается местонахождение поезда в любой момент времени. Современные системы СЦБ, использующие принцип токопроводимости контактных поверхностей колес и рельсов, в достаточной степени обеспечивают безопасность движения поездов.
Однако эта функция может оказаться ненадежной в эксплуатации, если контактирующие поверхности загрязнены. Образующаяся изолирующая пленка в виде слоя ржавчины, песка или опавших листьев существенно снижает токопроводимость рельсовых цепей. (Рост числа отказов рельсовых цепей по этой причине связан с техническим прогрессом в других областях. Например, вследствие замены паровозов локомотивами других видов и уменьшения опасности пожаров сократилась вырубка деревьев и кустарника вдоль железнодорожных линий. Это повысило устойчивость земляного полотна и улучшило экологию окружающей среды, но в то же время увеличило объем листвы на пути.) Кроме того, совершенствование рессорного подвешивания подвижного состава повысило устойчивость движения и снизило интенсивность виляния тележек. В результате уменьшились поперечные перемещения колес по рельсам и, соответственно, взаимное трение контактирующих поверхностей, "очищающее" токопроводящие дорожки. Из-за этого загрязнения с них удаляются менее интенсивно, и надежность работы рельсовых цепей снижается. Для повышения их надежности приходится использовать различные технические решения.