Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 9
1.1. Анализ материалов и конструктивных особенностей современных рельсов 9
1.2. Анализ существующих способов сварки рельсов и их применимости на различных участках пути 22
1.3. Особенности технологического процесса сварки рельсов алюминотермитным способом 36
1.4. Основные результаты и выводы первого раздела. Цель и задачи исследования 40
2. Методы расчёта температурных полей 43
2.1. Дифференциальное уравнение теплопроводности 44
2.2. Методы решения дифференциального уравнения теплопроводности -52
2.3. Выбор и обоснование методов расчёта температур применительно к алюминотермитной сварке рельсов 59
2 4. Основные результаты и выводы по второму разделу 72
3. Разработка расчётных моделей и алгоритмов для анализа температурных полей при алюминотермитной сварке рельсов 73
3.1. Описание расчетных моделей и алгоритмов 73
3.1.1 Разработка расчётной модели и расчётного алгоритма на основе метода источников 73
3.1.2. Разработка расчётной модели и расчётного алгоритма на основе метода конечных разностей 81
3.2. Сопоставление результатов расчёта температур, рассчитанных с использованием разработанных моделей 96
3.3. Основные результаты и выводы по третьему разделу 107
4. Экспериментальные исследования тепловых процессов при алюминотермитной сварке рельсов 108
4.1. Технология алюминотермитной сварки рельсов 108
4.2. Экспериментальные методы замера температур 114
4.3. Разработка методики определения температур при сварке рельсов — 121
4.4. Сопоставление расчётных и экспериментальных данных 129
4.5. Основные результаты и выводы по четвертому разделу 133
5, Исследование температурных полей, термических циклов и структур, получаемых при сварке рельсов алюминотермитным способом 134
5.1. Разработка методики расчёта количественного состава структурных составляющих 134
5.2. Численные исследования влияния технологических параметров алюминотермитной сварки рельсов на структуру металла сварного шва и околошовной зоны 141
5.3. Результаты испытаний рельсовых стыков, сваренных алюминотермитным способом 166
5.3, Основные результаты и выводы по пятому разделу 174
Общие выводы по работе 176
Список литературы 179
ПРИЛОЖЕНИЕ 187
- Анализ материалов и конструктивных особенностей современных рельсов
- Дифференциальное уравнение теплопроводности
- Описание расчетных моделей и алгоритмов
Введение к работе
Железнодорожный транспорт Российской Федерации занимает особое место в жизнеобеспечении страны. Он позволяет обслуживать производящие отрасли хозяйства и удовлетворять потребности населения в перевозках вне зависимости от погоды, практически во всех климатических условиях и в любое время года. Поэтому, несмотря на относительно бурное развитие автомобильного, воздушного и трубопроводного транспорта, вот уже более 170 лет железнодорожный транспорт остаётся основным средством перемещения грузов и массовых перевозок населения [1].
Одним из важнейших технических средств железнодорожного транспорта является железнодорожный путь. Он состоит из верхнего строения пути и нижнего строения пути [2]. Изучением и совершенствованием конструкции верхнего строения пути занимались такие известные учёные, как В,Г, Альбрехт, Г.Е. Андреев, Е.М. Бромберг, В.И. Власов, В.Д. Данилов, В.Н. Зверев, ПС Иванов, Н.И. Карпущенко, А.Я. Коган, З.Л. Крейнис, Н.Н, Кудрявцев, М.И. Кулагин, АЛ Лебедев, Н,Т, Митюшин, Н.П- Парфёнов, СП. Тимошенко, Г.М Шахунянц, Л.М. Школьник, В.Ф. Яковлев и многие другие учёные.
Конструкция верхнего строения пути может быть звеньевой или бесстыковой [1]. В настоящее время, как на железных дорогах России, так и за рубежом, происходит отказ от звеньевой конструкции пути. Одним из основных недостатков звеньевого пути является наличие стыка.
Рельсовый стык представляет собой место, в котором происходит "разрыв" рельсовой нити, что, несмотря на стыковые накладки, приводит к уменьшению жёсткости и увеличению просадки. Это приводит к тому, что при движении подвижного состава через стык происходит удар колеса о головку принимающего конца рельса. Толчки и удары в стыках приводят к интенсивному износу, как ходовых частей подвижного состава, так и самих
рельсов. В результате ударов происходят смятие и выколы головки рельсов в зоне стыка на расстоянии 60-80 мм от стыкового зазора, изломы рельсов по болтовым отверстиям, изломы накладок, стыковых болтов, подкладок и при-крипителей. Вред от стыков тем больше, чем слабее их конструкция и чем хуже состояние (короткие четырехдырные накладки, плохо затянутые болты, неплотно подбитые шпалы и т.д.). Кроме того, на звеньевом пути с 25-ти метровыми рельсами очень сложно поставить и сохранить расчётные стыковые зазоры в пределах допусков. Укладка рельсошлальной решётки, как правило, производится летом, поэтому зазоры в стыках больше, чем расчётные. Для обеспечения безопасного движения поездов, путейским бригадам приходится проводить сезонные разрядки стыковых зазоров с заменой рельсов нормальной длины на укороченные (весной или летом) и удлинённые (осенью или зимой). На электрифицированных линиях, оборудованных путевой автоматической блокировкой наличие стыков ухудшает токопроводимость цепей, что вызывает нарушение в работе автоблокировки.
Этих недостатков лишён бесстыковой путь. Многолетние исследования МИИТа, ВНИИЖТа, ПГУПСа, РГОТУПСа и ряда других ведущих организаций и опыт эксплуатации бесстыкового пути в России и на зарубежных магистралях подтвердили высокую эффективность бесстыковой конструкции температурно-напряжённого типа без сезонных разрядок напряжений.
Из работ [2-4] следует, что к достоинствам бесстыкового пути может быть отнесено:
уменьшение на 30-40 % затрат на текущее содержание пути и повышение безопасности движения поездов, надёжность конструкции;
снижение на 8-10 % основного удельного сопротивления движению поездов и, в связи с этим, экономия топлива и электроэнергии на тягу, что весьма существенно в условиях непрерывного роста цен на энергоносители;
увеличение сроков службы верхнего строения пути, за счет меньшей, чем в звеньевом пути повреждаемости рельсов (трещины в кромках болтовых отверстий, выколы головки, смятие и седловины). Так, отказы бесстыковых плетей по дефектам (контактно-усталостным и в стыках) возникают в 1,8-2,0 раза реже, чем рельсов звеньевого пути, а без учета уравнительных пролетов - в 3-4 раза;
снижение объёмов работ по выправке пути (до 25-30 %), связанных с просадками в стыках, особенно работ по ликвидации выплесков, кото* рые с увеличением осевых нагрузок становятся большой проблемой;
снижение интенсивности бокового износа наружной рельсовой нити в кривых и, соответственно, повреждений рельсов по этой причине в 1,5-1,6 раз;
сокращение потребности в очистке щебёночного балласта на угольно-рудных маршрутах в 1,5-2,0 раза;
сокращение расходов металла на стыковые скрепления (до 4,5 т-км);
уменьшение расходов на ремонт ходовых частей вагонов и локомотивов;
повышение комфортабельности проезда пассажиров;
повышение надёжности работы электрических рельсовых цепей автоблокировки.
Не маловажным преимуществом бесстыковой конструкции верхнего строения пути является и то, что она позволяет использовать железобетонное подрельсовое основание, которое повышает запас устойчивости, сопротивляемость продольным и поперечным перемещениям рельсов и обеспечивает равную жёсткость пути по длине. К тому же, использование железобетонных шпал уменьшает расход деловой древесины.
Бесстыковой путь на железобетонных шпалах признан во всём мире единствешго возможным вариантом верхнего строения пути для скоростных
и высокоскоростных магистралей. Эта конструкция верхнего строения пути в России и странах СНГ позволила освоить повышенные до 140-160 км/ч скорости пассажирских поездов на радиальных направлениях от Москвы до ближайших областных центров и до столиц бывших союзных республик.
Кроме того, бесстыковой путь по сравнению со звеньевым не только экономически эффективнее, но и надёжнее. Так, по данным Департамента пути и сооружений ОАО "РЖД", из 71 схода подвижного состава, произошедшего на сети железных дорог в 2001-2002 гг. и отнесённого на путевое хозяйство, 67 произошли на звеньевом пути и только 4 - на бесстыковом [4].
Благодаря этим и другим преимуществам бесстыковой конструкции, этот вариант верхнего строения пути в настоящее время стал основным на главных линиях во всем мире.
Бесстыковой путь на железных дорогах России начал применяться с 60-х годах прошлого века. По состоянию на 01.01.2004 г. протяжённость бесстыкового пути достигла 52,73 тыс. км, что соответствует 42,5 % длины главных путей. При сложившихся темпах роста прогнозируется, что протяжённость бесстыкового пути к 2010 г. достигнет 70 тыс, км, что составит 56 % длины главных путей. Расширение полигона укладки будет осуществляться за счёт применения новых и старогодных материалов, снимаемых с участков капитального ремонта бесстыкового пути. Такой путь будет укладываться не только в центральной Европейской части страны, но и в сложных климатических условиях Севера, Сибири и Дальнего Востока [4].
До недавнего времени основным способом сварки рельсов был электроконтактный. Однако в связи с невозможностью сварки рельсов в зонах стрелочных переводов контактными машинами, начиная с 1995 г., на железных дорогах России началось применение алюминотермитной сварки рельсов (АТСР), и в настоящее время решаются вопросы, связанные с применением АТСР не только в зоне стрелочных переводов, но и на перегонах.
Однако при применении бесстыковой конструкции верхнего строения пути остаётся не решённым ряд вопросов, в частности, требуют дальнейшей проработки вопросы повышения прочности сварных швов и зоны термического влияния, т.к. количество опасных дефектов на этом участке составляет 13-15 % от общего числа дефектов на рельсовой плети.
Если работы по совершенствованию электроконтактного способа сварки велись на протяжении длительного времени и ведутся по настоящее время ВНИИЖТом, ИЭС им. Е,0. Патона НАН Украины и рядом других ведущих научно-исследовательских институтов и организаций, то работы по совершенствованию технологии АТСР в нашей стране долгое время не проводились. Поэтому, к настоящему времени нет научного обоснования рациональных технологических параметров процесса АТСР.
Поэтому, для повышения качества рельсовых стыков, сваренных данным способом, необходимо проведение исследований влияния параметров технологического процесса сварки на получаемую структуру металла сварного соединения.
Проведение исследований, связанных с определением распределения температур, термических циклов сварки, скоростей охлаждения, определение зависимости структурных составляющих от этих параметров и обоснование режимов технологического процесса являются актуальными в настоящее время.
Анализ материалов и конструктивных особенностей современных рельсов
Верхнее строение железнодорожного пути является сложным инженерным сооружением и состоит из следующих элементов: балластного слоя, шпал и переводных брусьев, рельсов со скреплениями и противоугонами, стрелочных переводов и глухих пересечений. Основным элементом верхнего строения пути являются рельсы [5].
Рельсы представляют собой стальные балки специального сечения, укладываемые на шпалах или других опорах для образования, как правило, двухниточного пути, по которому перемещаются подвижной состав железнодорожного транспорта, городских железных дорог, специализированный состав в шахтах, карьерах, крановое оборудование [1],
Назначение железнодорожных рельсов заключается в создании поверхности с наименьшими сопротивлениями для качения колёс подвижного состава, непосредственном восприятии и упругом перерабатывании и передаче нагрузки от колёс на подрельсовое основание, направлении ходовых частей локомотивов и вагонов. На участках с автоблокировкой рельсовые нити служат одновременно и проводниками сигнального тока, а на участках с электрической тягой - проводниками обратного тягового тока. Для того, чтобы железнодорожные рельсы отвечали своему назначению, а также для их надёжной работы, рельсы должны обладать рядом свойств- Они должны быть прочными (иметь достаточные моменты инерции и моменты сопротивления, чтобы возникающие в них напряжения изгиба и кручения не превышали допустимых значений); долговечными (рельсовая сталь должна обладать высокой твёрдостью, износостойкостью и вязкостью); иметь высокую контактно-усталостную выносливость. К тому же, должны быть обеспечены прямолинейность в вертикальной и горизонтальной плоскостях, установлены допуски в размерах поперечного профиля, определены химический состав и твёрдость рельсовой стали, оговорены недопустимые дефекты металлургического производства и неметаллические строчечные включения [1, 2, 6-8].
За время своего существования рельсы прошли долгий путь от чугунных до стальных. Со второй половины XIX в. начали распространяться прокатные стальные рельсы, вместо кованных и чугунных.
В настоящее время в России железнодорожные рельсы производят Кузнецкий и Нижнетагильский металлургические комбинаты. Для изготовления рельсов возможно применение стали двух видов: мартеновской и бессемеровской (конвертерной).
Исходными материалами для выплавки стали являются чугун и стальной лом при мартеновском процессе, и чугун при бессемеровском. Мартеновская сталь по качеству лучше бессемеровской. Она менее хладноломка, так как имеет меньшую примесь фосфора, даёт более плотный слиток, её химический состав более однороден и содержит меньше примесей, С 1983 г, производство рельсов по бессемеровскому способу прекращено [7, 8]. С 1995 г. Кузнецкий металлургический комбинат освоил выплавку электростали, которая обладает рядом преимуществ, Электросталь отличается высоким комплексом физико-механических свойств и низкой загрязнённостью неметаллическими включениями, что позволяет изготавливать из неё рельсы высокого качества, в том числе предназначенные для эксплуатации в особо сложных условиях [9]. Например, при температуре минус 60 С рельсы из электростали выдерживают вдвое большие ударные нагрузки, чем рельсы из мартеновской стали [2, 10].
Дифференциальное уравнение теплопроводности
Дифференциальное уравнение теплопроводности является математической моделью целого класса явлений теплопроводности [41], а также явлений тепло- и массопереноса [42]. При этом, если рассматривается процесс переноса тепла теплопроводностью, то основное уравнение одно - уравнение теплопроводности. При рассмотрении процесса тепло- и массопереноса основных уравнений будет несколько [43]. Под математической моделью понимается совокупность математических объектов (чисел, переменных, векторов, множеств и т.п.) и отношений меяаду ними, которая адекватно отображает свойства проектируемого объекта [44]. Иногда математической моделью называется установка, на которой воспроизводится изучаемое явление при помощи явления другой физической природы. Принцип действия таких установок основан на аналогии уравнений, описывающих изучаемый процесс в такой установке. Существуют различные способы получения математических моделей явлений теплопроводности и массопроводности, но не зависимо от способа получаются одни и те же дифференциальные уравнения в частных производных второго порядка
Вывод дифференциального уравнения теплопроводности основан на использовании закона Фурье и закона сохранения энергии. Сущность закона Фурье заключается в том, что количество теплоты dQ, проходящее через элемент изотермической поверхности dS за промежуток времени dz э прямо пропорционально градиенту температуры [46-54].
Описание расчетных моделей и алгоритмов
При разработке расчётной модели, основанной на методе источников, были приняты допущения, касающиеся в первую очередь упрощения формы свариваемых тел. Железнодорожные рельсы имеют довольно сложную геометрию поперечного профиля, точный учёт которой значительно усложняет расчёты. Поэтому первым шагом разработки расчётной модели стал этап упрощения формы свариваемых тел и её приведения к стандартным расчётным схемам. Существуют следующие стандартные расчётные схемы: бесконечное тело, полубесконечное тело, бесконечная пластина, полубесконечная пластина, плоский слой, бесконечный и полубесконечный стержни, также возможно использование и других расчётных схем, например, сплошного цилиндра, тонкостенного цилиндра и т.д. Для упрощения формы свариваемых рельсов подходит расчётная схема стержня, Бесконечный и полубесконечный стержни представляют собой тела с прямолинейной или криволинейной осью; температура в пределах поперечного сечения стержня равномерна [54].
Технология проведения процесса алюминотермитной сварки способом промежуточного литья состоит из двух самостоятельных последовательных операций (этапов): предварительного подогрева торцов свариваемых рельсов и непосредственно самого процесса сварки рельсов. При подготовке к этапу подогрева, согласно технологии, рельсы должны быть установлены с зазором 25 мм. На этапе сварки в этот зазор заливается расплавленный термитный металл, который с течением времени охлаждается и кристаллизуется, образуя неразъёмное соединение рельсов. Поэтому, при разработке расчётной модели данная особенность технологии была учтена. Расчётная модель на этапе предварительного подогрева представляет собой два полубесконечных стержня с площадью поперечного сечения, соответствующей площади поперечного сечения свариваемых типов рельсов, установленных на расстоянии 2/ друг от друга, которое соответствует величине зазора.
