Развитие конструкций железнодорожных рельсов, их стыковых соединений и технологий обработки

Воронина, Ольга Николаевна

автореферат диссертации по истории, специальность ВАК РФ 07.00.10
диссертация на тему: Развитие конструкций железнодорожных рельсов, их стыковых соединений и технологий обработки

Год: 2014
Автор научной работы: Воронина, Ольга Николаевна
Ученая cтепень: кандидата технических наук
Место защиты диссертации: Москва
Код cпециальности ВАК: 07.00.10

Диссертация по истории на тему 'Развитие конструкций железнодорожных рельсов, их стыковых соединений и технологий обработки'

Полный текст автореферата диссертации по теме "Развитие конструкций железнодорожных рельсов, их стыковых соединений и технологий обработки"

На правах рукописи //

ВОРОНИНА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА

РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ, ИХ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 07.00.10. — История науки и техники

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 и ДПР 2014

Москва-2014

005546928

Работа выполнена в федеральном бюджетном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ) на кафедре «Инновационные технологии»

Научный руководитель: доктор исторических наук, профессор,

Тарасова Валентина Николаевна

Официальные оппоненты:

Воронина Маргарита Михайловна, доктор технических наук, доцент, федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения», кафедра «Высшая математика», профессор; Симоненко Оксана Даниловна, кандидат технических наук, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова Российской академии наук, отдел истории техники и технических наук, ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация:

ОАО "Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта"

Защита состоится «28» мая 2014 г., в 13: 00 на заседании диссертационного совета Д 218.005.09, созданного на базе МГУПС (МИИТ) по адресу 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 1235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ), www.miit.ru.

Автореферат разослан «34-» марта 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Козырев Валентин Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Железнодорожный транспорт обеспечивает более 43% грузооборота в стране (без учёта трубопроводного транспорта - 85%) и около 30% пассажирооборота. На начало 2012 г. эксплуатационная длина железных дорог России составляла 86 тыс. км и 38 тыс. км путей промышленного железнодорожного транспорта.

Начиная с середины XIX в., железнодорожный транспорт стал интенсивно развиваться для удовлетворения потребности населения в перемещении, а также своевременной доставки грузов для развития экономики страны.

Для улучшения плавности хода вагонов при перемещении грузов и пассажиров с использованием железнодорожного транспорта разработаны специальные стали для изготовления рельсов, проводится их упрочнение с помощью термической обработки с одновременным увеличением их длины при прокатке и создании бесстыкового пути за счёт сварки отдельных рельсов в плети длиной до 800 м. Анализ технологий контактной и апюминотермитной сварки рельсов между собой в стыках показывает их преимущества при создании бесстыкового пути, в ходе ремонтов и проведении восстановительных работ.

Это придаёт этим технологиям, по сравнению с другими способами, востребованность и конкурентоспособность. В связи с этим изучение и обобщение опыта становления и развития конструкций рельсов, их стыковых соединений и технологий обработки в историко-техническом аспекте являются важными и актуальными для организации, повышения качества и ускорения темпов проведения ремонтно-восстановительных работ круглогодично.

Степень разработанности темы. К исследованию привлечена литература, в которой содержатся сведения по истории развития железнодорожного пути и поставки рельсов, рассматриваются виды рельсовых скреплений, их технические характеристики, в том числе при скоростном движении поездов.

В работах Г.С. Альтшуллера, О.Д. Симоненко и других ученых раскрыты законы развития технических объектов и систем применительно к истории техники.

Э.В. Воробьев, М.И. Воронин, М,М. Воронина, H.A. Зепзинов, И.И. Кантор, С.П. Першин и другие ученые исследовали процесс развития отечественного же-

лезнодорожного транспорта.

В публикациях XIX в. М.В. Аничкова, А.Г. Славянова, Ф.И. Энрольда и других ученых рассматривается геометрия профиля рельсов. А.П. Кеппен, В.Н. Кислянский, К. Тышка и другие ученые изучали химический состав рельсовой стали.

История разработки стандартов на рельсы отражена в исследованиях JI. Любимова, К.А. Оппенгейма и других ученых.

К началу XX в. С. Бирман, И. Ватгман и другие ученые разработали научные основы создания бесстыкового пути путём сварного соединения рельсов. Дальнейшее развитие бесстыкового пути рассмотрено в работах Г.Е. Андреева, Т.А. Лапидуса, К.Н. Мищенко и других ученых. Технологические основы путевого хозяйства разрабатывали В.Г. Альбрехт, Е.М. Бромберг, Н.П. Виногоров, Н.Б. Зверев, А.Я Коган, В.И. Новакович, Н.С. Чирков; экономические основы -В.Я. Шульга и другие ученые. Стыковыми соединениями рельсов занимались

B.М. Афанасьев, Н.М. Воронцов, И.С. Гринь, И.И. Евдокимов-Рокотовский, К.И. Красиков, И.Б. Лехно, А.И. Ольденборгер и другие ученые. Способы сварки рельсов и оборудование для них разрабатывали Т.А. Владимирский, И.З. Генкин," Д.Л. Глизманенко, Г. Гольдшмит, М.А. Карасев и другие ученые.

В трудах A.B. Великанова, И.З. Генкина, А.Ф. Золотарского, Л.П. Мелентьева, Я.Р. Раузина, О.С. Скворцова, Е.А. Шура и других ученых были проанализированы технологические процессы термического упрочнения рельсов. Вопросами повышения качества рельсов и рельсовой стали также занимались В.Е. Громов, H.A. Козырев, Н.М. Кулагин. С.М. Кулаков и другие ученые.

Во второй половине XX в. C.B. Амелин, В.В. Ершов, Д. Игнятич,

C.П. Першин, Г.М. Шахунянц и другие ученые исследовали напряжённо-деформированное состояние пути.

Тенденции развития рельсового пути в постсоветский период, применение высокотехнологичных систем в его конструкции изучались в данной работе также по отраслевым газетам и журналам. В числе привлечённых источников следует отметить документы фондов Российского государственного архива экономики (РГАЭ), Транспортную стратегию Российской Федерации на период до 2030 г. (в том числе действующий документ и проект), Стратегию развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. (Белая книга ОАО «РЖД»), Программу инновационного развития ОАО «РЖД» до 2015 г., Государственную программу Российской Федерации «Развитие транспортной системы» (2010-2020) на2013-2020 годы и др.

Цель работы - проведение историко-технического анализа конструкций рельсов, их стыковых соединений и термической обработки с конца XVIII в. (колейных дорог - с середины XVI в.) по начало XXI в. с воссозданием целостной исторической картины их развития в рассматриваемый период.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

• собрать, систематизировать и обобщить фактический материал, относящийся к теме исследования;

• на основе обобщения историко-технического материала воссоздать целостную историческую картину развития конструкций колейных дорог, поставки рельсов для строительства железных дорог в России, совершенствования химического состава, термической обработки и стыковых соединений рельсов;

• выявить и ввести в научный оборот новые данные, проследить зарождение элементов современной техники и технологий в изучаемый период, оценить вклад учёных, инженеров, проектировщиков, обеспечивших успешное решение исследуемых задач;

• разработать научно-обоснованную периодизацию истории развития исследуемых объектов, предложить и обосновать технические решения по дальнейшему совершенствованию стыковых соединений рельсов.

Объектом исследования является железнодорожный путь в России с конца XVIII в. по начало XXI в.

В качестве предмета исследования рассмотрены конструктивные изменения рельсов для обеспечения движения по ним подвижного состава, повышения надёжности и комфортности перевозки пассажиров и грузов в зависимости от качества металла рельсов и способов его технологической обработки, а также этапов строительства железнодорожного пути в дореволюционный, советский и постсоветский периоды. Особое внимание уделено бесстыковому пути в современных условиях.

Научная новизна диссертации заключается в том, что на основе системного подхода впервые проведён комплексный историко-технический анализ и воссоздана целостная историческая картина развития процессов конструктивных изменений рельсов, их стыковых соединений и технологий обработки, в том числе:

• установлена периодизация развития конструкций колейных дорог на основе выявленных изменений в геометрии профиля рельса, что подтверждалось нормативами стандартов;

• проведена оценка влияния государственной научно-технической политики, политической и экономической конъюнктуры в области строительства железных дорог на объёмы выпуска рельсов;

• систематизированы технологии совершенствования химического состава и способов термической обработки рельсов в зависимости от регламентации технических условий и прочностных характеристик рельсовой стали на основе унификации стандартов, механических свойств и износостойкости рельсов с целью повышения скоростей движения, комфорта пассажиров и увеличения нагрузок на ось;

• классифицированы способы стыковых соединений рельсов в зависимости от возникающих требований к рельсовому пути и уровня научно-технического развития отрасли;

• теоретически и экспериментально обоснована перспективность и возможность сварки рельсов в зимний период алюминотермитным способом, определён перечень дополнительного оборудования и обоснованы необходимые условия для реализации технологического процесса.

Теоретическая значимость исследования внешних и внутренних закономерностей развития техники на примере анализа конструкций рельсов, их выпуска, стыковых соединений, совершенствования химического состава и термической обработки заключается в формирования методологической базы для определения места и включенности техники исследуемой области в социально-экономические процессы, её устройства и потенциала.

Практическая значимость работы определяется изготовлением, апробированием опытного образца горелки для подогрева концов рельсов, свариваемых алюминотермитным способом, и разработкой «Способа алюминотермитной сварки рельсов при отрицательных температурах», защищенного патентом РФ № 2464141. Результаты исследования используются в ходе преподавания курсов «История науки и техники» для студентов направления «Инноватика», курсовом и дипломном проектировании - для студентов инженерных механических специальностей МГУПС (МИИТ); обучения и переаттестации сварщиков, повышения квалификации инженерно-технических кадров; создания работ по истории железнодорожного транспорта.

Методология и методы исследования. Исследование выполнено в соответствии с законом прогрессивной конструктивной эволюции технических объектов и законом согласования — рассогласования технических систем с использованием компьютерного моделирования на основе аналитических и численных методов в линейной и нелинейной постановках на примере определения тепловых процессов и скоростей охлаждения при алюминотермитной сварке рельсов.

Личный вклад автора состоит в:

• выявлении критериев, в соответствии с которыми структурированы и исследованы изменения в развитии конструкций колейных дорог с середины XVI в.

по начало XXI в.;

• определении количественных показателей динамики выпуска и поставки рельсов во взаимосвязи с потребностями железных дорог;

• оценке влияния технических средств железнодорожного транспорта на совершенствование химического состава и способов термической обработки рельсов с конца XVIII в. по начало XXI в.

• определении необходимости применения различных способов стыковых соединений в зависимости от мест их нахождения в рельсовой колее;

• разработке и обосновании технологии стыкового соединения рельсов термитной сваркой в зимний период.

Положения диссертации, выносимые на защиту:

• сопряжение хронологически воссозданного процесса развития конструкций колейных дорог с середины XVI в. по настоящее время достигается логикой исторических сдвигов, вызванных изменением геометрии конструкций рельсов;

• внешние закономерности развития техники проявились путем влияния социальных аспектов на выпуск рельсов в России с конца 1830-х гг. по начало XXI в.;

• внутренние закономерности развития техники определяются процессами динамики технических, технологических и функциональных параметров технологий изготовления рельсов с конца XVIII в. по начало XXI в.;

• обоснована необходимость использования в настоящее время различных способов соединения рельсов между собой;

• разработанная технология стыкового соединения рельсов при отрицательных температурах, обеспечивающая прочность и пластичность сварного стыка.

Достоверность результатов обеспечивается комплексным использованием методов исследований, представительностью исходных данных, необходимым и достаточным объёмом теоретических исследований, лабораторных, опытных и опытно-промышленных экспериментов, высокой сходимостью их результатов, а также реализацией теоретических положений на практике.

Апробация н внедрение результатов работы. Основные положения и выводы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: «Участие молодых учёных, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий» (2003 г., г. Москва); «Образование, наука, производство» (2004 г. г. Белгород); «Безопасность движения поездов» (2005-2013 гг., г. Москва); «Вузы-наука-город» (2005 г., г. Москва); «Тгаш-МесЬ-Ап» (2006 г., г. Москва); «Наука - транспорту» (2003-2013 гг., г. Москва); «Управление инновациями: теория, инструменты, кадры» (2009 г., г. Санкт-Петербург).

Публикации. Автор имеет 41 публикацию, из них основных по теме диссер-

тации - 15, общим объёмом 7 п.л. (из которых авторский вклад - 4,6), в том числе 5 статей в научных журналах, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций; выдан один патент на способ алюминотермитной сварки, 10 работ опубликовано в трудах всероссийских и международных научно-практических конференций.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Общий объем работы - 233 страницы, в диссертацию включены 31 таблица и 72 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, показана степень разработанности исследования, сформулированы цель и задачи диссертации, объект, предмет исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов, методология и методы исследования, личный вклад автора; изложены положения диссертации, выносимые на защиту; достоверность, апробация, внедрение результатов, структура и объем работы, а также кратко раскрыто содержание глав.

В первой главе «История разработки конструкций колейных дорог» рассмотрены конструктивные особенности рельсов, марка и качество материала, которые влияют на работоспособность и надёжность рельсов, в рамках вновь разработанной периодизации.

Первоначально совершенствование лежневых дорог для перемещения грузов вручную и с помощью тягловой силы шло по пути укрепления направляющего стержня, придания лежням скруглённой формы, появления желобов на колёсах, покрытия продольных брусьев железными полосами или строительства колеи с бортами. В 1789 г. в Англии были уложены в путь грибовидные рельсы, разработанные В. Джессопом (рисунок 1). Они отличались надёжностью и способностью к самоочистке. В России грибовидные рельсы были впервые уложены на Колыва-но-Воскресенских заводах в 1806-1809 гг. Дальнейшее развитие конструкций шло по пути создания рельсов «с рыбьим брюхом», «волнистых», двухголовых и др. Так, идея переворачивания при износе двухголовых рельсов нижней головкой кверху не была реализована, так как с

Рисунок 1 - Грибовидный износом верхней головки в местах опирания высокий железный рельс

возникали вмятины. В России двухголовые рельсы использовались при строительстве Царскосельской железной дороги.

Широкоподошвенпый рельс (рисунок 2), созданный в 1830 г. Р. Стивенсоном и внедрённый Ч.Б. Виньолем, состоит из головки, подошвы и соединительной шейки, и позволяет укладывать его непосредственно на шпалы без применения специальных подкладок. Эти рельсы соединяли между собой стыковыми накладками.

В 1874 г. с целью стандартизации были утверждены семь типов рельсов, а в последней четверти XIX в. выделено пять категорий «казённых» рельсов, различавшихся по геометрическим параметрам поперечного сечения. Благодаря разработке в 1903 г. первого стандарта по выпуску рельсов типов I-IV была унифицирована геометрия их поперечного профиля.

В 1926 г. на железных дорогах СССР использовалось около 30 типов рельсов (рисунок 3). Окончательный переход к «нормальным» типам рельсов был осуществлён в начале 1930-х гг. На грузонапряжённых участках устанавливали рельсы типов I, I-a, II и П-а, на путях средней грузонапряжённости - типов III и Ш-а, на второстепенных - более лёгкие. Рельсы типов I, I-a, II и П-а использовались в значительно меньшем объёме, чем типов III и 111-а, в связи с недопоставками рельсов типа I.

Во второй половине 1920-х гг. К.А. Оппенгейм впервые использовал трапецеидальную форму головки с уширением книзу, подошву с верхними гранями, имевшими одинаковый уклон, и одинаковые накладки для скрепления рельсов с целью уменьшения износа рельсов и поверхностей катания колёс. Повышение веса рельса было обусловлено необходимостью его усиления в связи с увеличением нагрузок на путь.

К середине XX в. в новом стандарте для уложенных рельсов типов РЗЗ и Р38 и для перспективных типов Р43 и Р50 обозначение типов рельсов давало представление об их назначении и примерном весе погонного метра.

Во второй половине XX в. из-за роста грузонапряжённости на сети железных дорог (рисунок 4) возникла необходимость применения более тяжёлых рельсов типов Р65 и Р75 для укладки в путь. В 2001 г. в связи с завершением

Рисунок 2 - Профиль широкоподошвенного рельса Р65

177%

101%

0,477%

0,011%

перевода подвижного состава на роликовые подшипники и повышением качества рельсовой стали от укладки рельсов типа Р75 отказались.

а) ШИиШ-а

------ ------------S22,5 (IV)

ИIV и IV-a 011 и 11-а S24 ■ 18

□ 24 1/3 (111)

■ 24 1/2 П21 2/3 в I и 1-а 0 20 Ш 23,81 S 11

¡1 Разные 0 8,32 Е 13,75 0 27,75 0 №5 > ■ № 17 □ 21,97 ■ Америк. 13 24,35 В 23 1/3 0 25 В 27,5

а -типы рельсов, использование которых в пути превышало 1%; б - типы рельсов, использование которых в пути не превышало 1% Рисунок 3 - Распределение типов рельсов в пути в 1926 г.

Впервые разработанная в диссертации периодизация развития конструкций

колейных дорог основывается на выявлении изменений химического состава

материала и геометрии профиля рельса, которые отражались в нормативах

стандартов:

I. середина XVI в. - 1788 г. - создание деревянных лежней и железных

рельсов;

II. 1789 г. - 1865 г. - появление чугунных рельсов с явно выраженной головкой и шейкой;

III. 1866 г. - 1903 г. - разработка стальных рельсов и выделение «казённых» типов

. рельсов;

IV. 1903 г. - 1947 г. - стандар-

млн, т км/км 30

Рисунок 4 - Грузонапряжённость железных дорог общего пользования

тизация химического состава материала и геометрии профиля рельсов;

V. 1947 г. - начало XXI в. — совершенствование современной конструкции рельсов и технологии их изготовления.

Во второй главе «Поставка рельсов для строительства железных дорог» материал изложен в рамках хронологических этапов разработанной в диссертации периодизации. В 1830-е гг. в России из-за беспошлинного ввоза металла из Европы не удалось создать рельсопрокатного производства. В 1840-е гг. строительство первых железных дорог обеспечивалось рельсами отечественного «Образцового рельсового заведения», «казённого» польского завода «Гута-Банкова» и английских производителей. В конце 1840 - начале 1850-х гг. из-за непродуманной технической политики и, как результат, нерегулярной потребности в рельсах металлургические предприятия были вынуждены сокращать или закрывать их производство. Интенсивное наращивание с середины 1850-х по середину 1860-х гг. производства рельсов на Нижнетагильском, Алапаевском и Путиловском заводах, а также заводе «Гута-Банкова» было связано с получением правительственных заказов для сети железных дорог, создаваемой в соответствии с «Высочайшим» указом 1857 г. Однако регулярность отечественных заказов часто срывалась из-за иностранного протекционизма на поставку рельсов и недостатка древесного угля для производства черных металлов в России. Импортный металл и рельсы были дешевле, но проигрывали по качеству и срокам службы российским аналогам.

Общий объем выпуска железных рельсов всеми заводами России с 1846 по 1865 гг. приведён на рисунке 5. В 1848-1854 гг. и в 1861-1863 гг. железные рельсы не выпускались. До 1865 г. отечественные заводы поставили немногим более 12 % от общего количества рельсов, уложенных в ходе строительства железных дорог. Российская внешняя торговая политика, направленная на под-

Рисунок 5 - Общий объем выпуска железных рельсов российскими заводами

в 1846 - 1865 гг. 11

держку иностранного промышленного производства, привела к тому, что государственные заказы на поставку отечественных рельсов были нерегулярными, а в концессионный период рельсопрокатное производство оказалось под угрозой полной ликвидации.

Во второй половине 1860-х - начале 1880-х гг. наибольшее количество железных рельсов для железных дорог прокатали заводы: Путиловский, Нижнетагильский, Новороссийского и Главного общества.

Пик выпуска железных рельсов - 2,986 млн. пудов (48,914 тыс. т) - в России пришёлся на 1874 г., когда государство, пытаясь наладить собственное производство, обязывало частные компании приобретать рельсы у российских заводов. В то же время с 1868 по 1880 гг. 60 % из 116 млн. пудов (1,9 млн. т) железных и стальных рельсов были ввезены в Россию без оплаты пошлины.

Успешное освоение с 1875 г. наряду с железными рельсами стальных аналогов и наращивание с начала 1880-х гг. рельсопрокатного производства отечественными заводами было вызвано отменой в 1883 г. беспошлинного ввоза в Россию чугуна и стали иностранного производства.

В 1890-е гг. российские металлургические заводы, получив государственные заказы на выпуск рельсов, смогли выдержать конкуренцию иностранных производителей и завоевать рельсовый рынок (рисунок 6). С 1866 по 1895 гг. года отечественные заводы выпустили 195,965 млн. пудов (3,210 млн. т) рельсов.

Недостаточные объёмы производства рельсов, изготовленных в 18661902 гг., объясняются неприспособленностью отечественных заводов к их выпуску и некачественным металлом.

Поставка рельсов на железные дороги, возводимые до 1910 г., обеспечива-

тыс. пудов

1890 1892 1894 ГОДЫ

Рисунок 6 - Общий объем выпуска рельсов всеми заводами в 1866 - 1895 гг.

лась в основном заводами России. В преддверии Первой Мировой войны производство рельсов существенно сократилось, ас 1917 г. до середины 1920-х гг. они практически не выпускались.

Благодаря созданию коллегии Народного комиссариата путей сообщения и разработке перспективного плана на 1928-1933 гг. увеличился выпуск рельсов для строительства новых и восстановления разрушенных железнодорожных путей.

К началу 1930-х гг. был достигнут уровень производства рельсов конца XIX в. В 1933-1937 гг. в основном укладывались вторые пути, рельсы лёгкого типа заменялись рельсами тяжёлых типов. Вместе с тем, в намеченном объёме обеспечить выпуск рельсов не удалось.

Из-за отсутствия сведений общий объём выпуска рельсов в 1903 - 1946 гг. был рассчитан как среднее значение от известных данных объёма производства в различные промежутки временного интервала (рисунок 7).

Пик выпуска рельсов пришёлся на 1976-1977 гг., что было обусловлено повышенным спросом на продукцию в ходе строительства основной части БАМ. Изменения в политической и экономической ситуации в СССР в 1980-е гг. и России - в 1990-е, в том числе застой первой половины 1980-х гг., последствия распада СССР в 1992-1993 гг., дефолт - 1998 гг. и др. обусловили резкое уменьшение объёмов выпуска рельсов.

Во второй половине XX - начале XXI вв. строительство новых участков железных дорог было обусловлено освоением новых месторождений полезных ископаемых и целинных земель. Государственная научно-техническая политика была направлена на обеспечение выпуска рельсов для укладки новых железно-

1943

ТОНН

10000000

1000000

100000

10000

1903 1908 1913 1918 1923 1928 1933

■ Производство ж.д. рельсов широкой копей (статистика) [3 Поставка рельсов на дороги

О Заказы на рельсы и планы производства

Рисунок 7 - Открытые статистические данные об общем объёме выпуска рельсов всеми заводами, заказах и поставках рельсов на железные дороги в 1903 - 1946 гг.

дорожных магистралей Новокузнецк - Абакан, Абакан - Тайшет, Курган-Кзыл-Ту, Кустанай-Тобол-Джеггыгара, Ачинск-Лесосибирск, Красная Сопка-Кия-Шалтырь, Камышта-Саяно-Шушенская ГЭС, БАМ и др.; строительства вторых путей на линии Акмолинск - Карталы и др.; реконструкции основного железнодорожного полотна из-за повышения его грузонапряжённости; укладки бесстыкового пути, в том числе стрелочных переводов - на железобетонные основания (рисунок 8). 2 5 Млн. тонн 3.0 2,5 2,0 1.5 1,0 0,5 0,0

1947 1952 1957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002 2007 2012

годы

Рисунок 8 - Общий объём выпуска рельсов металлургическими комбинатами и заводами в 1947 - 2012 гг.

В третьей главе «История совершенствования химического состава и способов термической обработки рельсов» проведён историко-технический анализ материалов, используемых для изготовления рельсов, нагрузок, действующих на рельсы, способов, повышающих прочностные характеристики рельсовой стали.

Во второй половине XVIII в. для продления срока службы, повышения стойкости лежневых дорог и снижения усилий для перемещения повозок использовались металлические накладки, которые изготавливали из остатков выплавленного металла, независимо от его качества. Пришедшие им на смену цельнометаллические рельсы длиной 1,5 - 2 м стали отливать по патенту А. Дерби из чугуна, что часто приводило к их разрушению.

В 1820 г. благодаря замене чугуна сталью и изобретению Дж. Биркиншоу способа профильной прокатки железа длина рельсов увеличилась в 4 раза. Во второй половине XIX в. в технических условиях приёма и испытаний рельсов регламентировались процедура их испытаний (на разрыв вместо статической усиленной нагрузки), размеры, вес, клейма, внешний вид, химический состав.

В конце XIX — начале XX вв. Специальной рельсовой комиссией при Инженерном совете Министерства путей сообщения России (МПС России) были сформулированы лишь общие требования, в соответствии с которыми ограничивалось только содержание фосфора в объёме не более 0,10%. Выявление

1 [_ Г : : 1 в Ш ®

- I пш

наиболее перспективных «казённых» типов рельсов привело к сокращению их номенклатуры. Технические условия на химический состав и прочностные характеристики стали для рельсов приним&чись в 1908, 1914 и 1924 гг.

Во введённом в 1932 г. ОСТ 4118-1932 регламентировался химический состав в зависимости от способа выплавки стали (таблица 1), а также проведения копровых испытаний поплавочно. Рельсы первого сорта могли изготавливаться с наименьшим пределом прочности 70 кгс/мм2, второго сорта - 55 кгс/мм2. Таблица I - Химический состав рельсовой стали в процентах для рельсов 1 сорта

Химический состав Способ выплавки стали

Мартеновский Бессемеровский Томасовский

Углерод (для рельсов весом, кг/пог.м) 30-35 0,48-0,61 0,38-0,50 не нормировалось

35-45 0,50-0,65 0,42-0,52

Марганец 0,60-0,90 0,60-1,00 не нормировалось

Кремний 0,18, не менее не нормировалось не нормировалось

Сера 0,05, не более 0,06, не более 0,05, не более

Фосфор 0,05, не более 0,08, не более 0,05, не более

В 1930-е гг. в СССР впервые в мире была основана рельсовая дефектоскопия, использование которой позволило совершенствовать технологии и качество проката рельсов.

П.П. Аносов и Д.К. Чернов научно обосновали, что при быстром охлаждении стали с определённых температур металл приобретает повышенные значения прочности и твёрдости, что улучшает его эксплуатационные качества. До середины 1930-х гг. все виды термической обработки сводились, в основном, к поверхностной закалке головки рельса. В 1937 г. В.П. Вологдиным была осуществлена поверхностная закалка концов рельсов с использованием токов высокой частоты, благодаря которой удалось получить твёрдый закалённый поверхностный слой и вязкую, пластичную середину. Такая термическая обработка позволила повысить вместе с механическими свойствами металла и эксплуатационные характеристики, в первую очередь, износостойкость, что сокращало расход рельсовой стали, и, соответственно, объемы замены рельсов в пути по износу.

С 1947 г. все рельсы изготавливались в соответствии с государственными стандартами. В ГОСТ 4224-48 для изготовления рельсов широкой колеи весом до 45 кг/пог. м требовалось полное раскисление стали, удаление усадочной раковины и ликвационной зоны, уменьшение допускаемой глубины волосовин и закатов в подошве с 1 до 0,5 мм. Это способствовало снижению вероятности

попадания в путь рельсов с металлургическими дефектами, опасными для эксплуатации.

Во второй половине XX в. увеличение массы поездов до 12 тыс. т. и скорости движения пассажирских и грузовых поездов обусловило изменение динамики воздействия на путь и повышение на него нагрузки. В это время в СССР, в отличие от большинства зарубежных стран, использовался и бессемеровский способ плавки, в соответствии с которым продувка кислородом останавливалась на заданном уровне высокого содержания углерода. Для повышения качества бессемеровской рельсовой стали уменьшалось содержание фосфора, улучшалось раскисление, и азот связывался титаном.

ГОСТ 24182-80 объединил ранее действовавшие ГОСТ 8160-63, ГОСТ 6944-63, ГОСТ 7174-75 и ГОСТ 8161-75, так как за основные типы рельсов были приняты рельсы из мартеновской стали типов Р75, Р65 и Р50 - для широкой колеи. К 1985 г. был разработан международный стандарт на рельсы для социалистических стран СТ СЭВ 4983-85.

Прогнозируемый рост эксплуатационных параметров, определённых Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, одновременно будет сопровождаться повышением осевых (до 250300 кН) и погонных (до 9,5-10,5 т/м) нагрузок от подвижного состава, что существенным образом повлияет на эксплуатационные условия и усложнение работы железнодорожного пути при увеличении грузооборота до 3,3 млрд. т. на т/км и пассажирооборота—до 231,3 млрд. пасс./км.

Типизация верхнего строения пути на дорогах СССР, с основным критерием - грузонапряжённость, введённая впервые в 1958 г. и доработанная в 1964 г., включала нормальный, тяжёлый и особо тяжёлый типы для главных путей. Г.М. Шахунянцем была разработана методика для определения типа пути приближенным способом.

В соответствии с распоряжением ОАО «РЖД» от 02 мая 2012 г. № 1393р «Об утверждении методики классификации железнодорожных линий» Положением о системе ведения путевого хозяйства установлена классификация путей, при обращении по ним пассажирских поездов с максимальной скоростью до 200 км/ч и грузовых - до 140 км/ч.

Для бесстыкового пути стрелочные переводы должны применяться на железобетонном основании, а стыки с рельсами основного пути необходимо выполнять сварными. Контактная сварка не может быть использована из-за сложности технологии и высокой цены оборудования, невозможности сварки в зоне

стрелочных переводов. Поэтому на действующих стрелочных переводах только алюминотермитная сварка позволяет получить соединение с необходимой прочностью и пластичностью. Начиная с 1995 г., на отечественных железных дорогах было уложено и эксплуатируется более 41 тыс. стрелочных переводов на железобетонных брусьях. Укладка их осуществлялась в пути первого и второго классов. В настоящее время на дорогах ежегодно при выполнении работ по капитальному ремонту верхнего строения или реконструкции железнодорожного пути укладывается порядка 5 тыс. стрелочных переводов на железобетонных брусьях.

В настоящее время в России разработана технология и создана установка для термической обработки рельсов с двусторонним охлаждением, обеспечивающая лучшие показатели, по сравнению с существующими методами. Рельсы, предназначенные для термической обработки, должны соответствовать требованиям, предъявляемым к рельсам первого сорта. Совершенствование технологии обработки рельсов обеспечивает их соответствие ужесточаемым условиям эксплуатации.

В четвертой главе «Историко-технический анализ совершенствования стыковых скреплений и соединений сваркой железнодорожных рельсов» проанализирована эволюция видов и способов соединения рельсов, преимущества и недостатки бесстыкового пути и способов его получения в современных условиях; рассмотрены процесс разработки оборудования и проведения эксперимента, численного анализа температурных полей и скоростей охлаждения при алю-минотермитной сварке рельсов, перспективы её использования для получения бесстыковых соединений рельсов.

Изобретение термитной сварки позволило получать первые сварные стыки рельсов в 1901 г. в Германии. С 1915 г. в России стали применять термит для сварки трамвайных рельсов. Отечественный термит впервые был изготовлен в 1925 г. на Московском термитно-стрелочном заводе и применён сначала для сварки трамвайных рельсов, а с 1926 г. - и для сварки рельсов, предназначенных для железных дорог. В дальнейшем помимо термитного метода рельсы сваривали электродуговым (ванным), газопрессовым и контактным способами.

Создание и совершенствование сварных соединений рельсов для железных дорог стало возможным благодаря H.H. Бекетову, Г. Гольдшмидту, М.А. Кара-севу - в термитной сварке; В.В. Петрову - в электродуговой; Т.А. Владимирскому, М.С. Никитину, Н.В. Бродовичу, A.B. Обухову, А.К. Швылпову - в газопрессовой; H.H. Бенардосу, Н.Г. Славянову, О. Кьельбергу, Д.А. Дульчевскому,

K.K. Хренову, Е.О.Патону - в электродуговой; Г.З. Волошкевичу - в электрошлаковой; H.H. Бенардосу - в электроконтактной.

В 1950-е гг. контактная сварка рельсов полностью вытеснила все остальные. В настоящее время для создания бесстыкового пути на железной дороге используются контактная и алюминотермитная сварка рельсов. Многолетние исследования и опыт эксплуатации бесстыкового (сварного) пути, как за рубежом, так и в России, подтвердили высокую эффективность бесстыковой конструкции температурно-напряжённого типа без сезонных разрядок напряжений. Экономически более выгодно для прокладки нового железнодорожного бесстыкового пути использовать контактную сварку, а для ремонта и текущего содержания пути и приварки стрелочных переводов - термитную.

В настоящее время в России алюминотермитная сварка получила своё второе рождение, в первую очередь, при соединении рельсов в районе стрелочных переводов, так как контактные машины по ряду причин не могут быть применены в этих местах. Алюминотермитная сварка рельсов выполняется на всех типах стрелочных переводов, а собранных на железобетонных брусьях - в обязательном порядке. Кроме того, этот вид сварки применяется для окончательного восстановления лопнувшей бесстыковой плети или вваривания в неё взамен временной рельсовой рубки вставки длиной от 3 м. Алюминотермитная сварка рельсов должна выполняться в строгом соответствии с техническими условиями ТУ 0921-127-01124323-2005. Проведённые исследования, в том числе с участием автора, показали, что основной причиной образования дефекта в стыке является нарушение технологического процесса сварки.

К 2004 г. алюминотермитная сварка рельсов приобрела большую популярность в России, поэтому остро встал вопрос о необходимости закупки железными дорогами комплектов оборудования за рубежом для её проведения. Перевод производства в Россию значительно снижал общие расходы на приобретение оборудования. По заказу ЗАО «СНАГА» автором была проведена конструктивно-технологическая проработка, модернизация многопламенной горелки и изготовление опытного образца для предварительного подогрева торцов рельсов перед сваркой. Испытания опытного образца горелки проводились на опытном полигоне ЗАО «СНАГА» при участии автора, представителей фирмы и аттестованных сварщиков термитной сварки и показали хорошие результаты.

Наличие в рельсовой стали и металле сварного шва высокого содержания углерода при ускоренном охлаждении может приводить к образованию закалочных структур в отдельных зонах поперечного сечения рельса, снижающих

пластичность. Поэтому важно знать скорости охлаждения в различных зонах сварного соединения. Для проведения численных экспериментов по анализу тепловых процессов при алюминотермитной сварке рельсов была использована программа, основанная на методе конечных разностей. Этот процесс был описан линейным дифференциальным уравнением (теплофизические коэффициенты принимались не зависящими от температуры)1.

о/ ср ох дх

По данному уравнению были выполнены расчёты теплопереноса с использованием метода сеток по явной схеме на прямоугольной сетке. Уравнение (1) в этом случае трансформируется к форме:

2аМ Т, ... +Тк, , а(Тк ЛР

Ах 2 срЕ

где ср - объёмная теплоёмкость; X - коэффициент теплопроводности; Ь - коэффициент поверхностной температуроотдачи; а - коэффициент температуропроводности; — температура в /-том узле на ¿-том слое по времени; номера соответствуют номерам узлов вдоль оси стержня (рельса), номера к соответствуют номерам слоёв по времени; 7*" и Р — соответственно, значение площади поперечного сечения стержня (рельса) и его периметр; Г0 - значение температуры окружающей среды; Дх и Ы - шаги по координате х и по времени; а(7\;) — значение коэффициента поверхностной теплоотдачи в ¡'-том узле на Л-том слое. Начало координат по оси х совпадает с центром разделки под сварку.

Для верификации были проведены экспериментальные замеры температур с помощью термопар и пирометра с помощью специального оборудования. Его применение дало возможность производить и регистрировать 154 измерения температуры в секунду с каждой из 4-х термопар, установленных на разных расстояниях от шва (ранее были проведены измерения температур одновременно в 15 точках). Максимальное процентное расхождение между экспериментальными значениями и значениями, полученными при расчёте температурных полей, термических циклов и скоростей охлаждения, составляет не более 1516 % (рисунок 9).

С понижением температуры увеличивается скорость охлаждения и ускоря-

Теория сварочных процессов: учебник для вузов по спец. «Оборуд. и технология сварочн. пр-ва» / В.Н. Волченко, В.М. Ямпольский, В.А. Винокуров и др.; Под ред. В.В. Фролова. - М.: Высшая школа. - 1988 -559 е.: ил. ISBN 5-06-001473-8

т, °с

500 400 300 200 100 0

— Расчет Эксперимент

1 1 1

100 200

300

400 500

Время, с

ется кристаллизация металла сварочной ванны, в результате частички шлака и выделившиеся газы не успевают всплыть, образуя поры и шлаковые включения. С понижением температуры сталь становится все более чувствительной к концентраторам

Рисунок 9 - Сопоставление изменения экспериментальных и расчётных температур в свариваемом рельсе на расстоянии 60 мм от шва напряжений; ими могут быть

мельчайшие внутренние и внешние дефекты наплавленного металла, которые в условиях отрицательных температур приводят к образованию микротрещин.

Для определения качества сварного стыка рельсов, сваренного при низкой температуре, были проведены контрольные эксперименты в отапливаемом цехе при температуре воздуха плюс 19 °С и в ангаре, имеющем температуру минус 15 "С, такую же, как и окружающей среды в момент проведения эксперимента. Испытания проводились на прессе ПМС-320 методом статического изгиба до их полного разрушения с автоматической регистрацией величин разрушающего усилия и стрелы прогиба сварного стыка. Испытания проводились при приложении усилия к головке рельса. Результаты испытаний приведены в таблице 2, из которой видно, что стык, сваренный при температуре окружающей среды минус 15 °С, не удовлетворяет существующим нормативным требованиям. Таблица 2 - Результаты испытаний сваренных рельсов

Температура окружающей среды при сварке, °С Разрушающее усилие, кН Стрела прогиба, мм

Нормативные значения (-5, не менее) 1340, не менее 16, не менее

+19 1400 17

-15 1250 13

Используя разработанную программу, было проанализировано влияние температуры окружающей среды на скорость охлаждения. Получено, что даже при небольших отрицательных температурах скорости охлаждения увеличиваются особенно в подошве рельсов и при окружающей среде ниже минус 10 °С могут увеличиться на 30-40 %.

Проведённые исследования показали, что при некотором усложнении технологии сварки рельсов алюминотермитным способом их можно будет сваривать не только при положительных температурах, но и при любых отрицатель-

ных. Это даст возможность в зимний период восстанавливать лопнувшие рельсы, а также продлить сроки выполнения сварочных работ алюминотермитным способом. На основании проведённых исследований была разработана технология алюминотермитной сварки рельсов при отрицательных температурах для обеспечения образования равновесных структур, исключающих снижение прочности и пластичности рельсовой стали (патент РФ на изобретение №2464141).

Таким образом, проведённый автором историко-технический анализ развития конструкций рельсов, их стыковых соединений и технологий обработки позволил оценить алюминотермитную сварку при любых отрицательных температурах как наиболее эффективный способ стыкового соединения, обеспечивающего прочность и пластичность и, в конечном счёте, повышение производительности труда.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В ходе историко-технического анализа выявлено, что периоды, в которые происходили существенные изменения конструкций рельсов, не совпадают с периодами истории развития российских железных дорог. Поэтому для выявления закономерностей в разработке и совершенствовании рельсов автором была впервые разработана периодизация, отражающая изменения состава материала, геометрических параметров конструкций рельсов, что нашло отражение в нормативах стандартов.

2. На основании разработанной автором периодизации установлено, что в рамках соответствующих периодов применяли деревянные лежни, в том числе с металлическим покрытием, чугунные и стальные рельсы. В качестве конструкций колейных дорог использовали лежни круглого и прямоугольного сечения; чугунные, в том числе уголковые, грибовидные, широкоподошвенные, двухголовые рельсы, а также стальные рельсы с трапецеидальной формой головки и головкой с вертикальными боковыми гранями. Процесс унификации стандартов был направлен на выработку единых требований к широкоподошвенным рельсам широкой колеи. Приоритет в содержании обозначений условных знаков типизации сместился от веса рельса к его функциональному назначению, с сохранением весовой характеристики.

3. Поставка отечественных рельсов, необходимых для обеспечения строительства российских железных дорог, осложнялась в XIX в. из-за конкуренции с зарубежными аналогами, которые были дешевле, но проигрывали по качеству и срокам службы; в XX в. - из-за политических и экономических последствий Октябрьской революции, Гражданской, Первой и Второй мировых войн, распада СССР.

4. За счёт оптимизации химического состава путем легирования и повышения содержания углерода, а также совершенствования термической обработки, в том числе применения двухсторонней закалки, можно повысить прочностные характеристики рельсовой стали, обеспечивающие в данный исторический период требования по перевозкам грузов и скоростям движения поездов.

5. Наиболее повреждаемым местом является стык рельсов. В связи с этим разрабатывались различные виды скреплений рельсов между собой, которые изменялись вместе с ними. Болтовое соединение является наиболее распространённым на железнодорожном транспорте. Однако, неразъёмные (сварные) стыки, которые использовались с начала XX в., позволяют повысить скорость движения поездов, комфортность перевозки пассажиров и грузов, существенно снизить износ рельсов и ходовых частей и т.п.

6. Анализ эксплуатации бесстыкового пути и лабораторные исследования показали, что наилучшими прочностными характеристиками обладают стыки, сваренные контактным или алюминотермитным способом. В конце 1950-х гг. контактная сварка полностью вытеснила алюминотермитную при соединении рельсов. Однако, в конце XX в. с вводом стрелочных переводов на железобетонном основании потребовалось их вваривать в бесстыковой путь, что невозможно сделать контактной сваркой, и было принято решение МПС РФ об использовании алюминотермитной сварки.

7. В ходе историко-технического анализа выявлено, что алюминотермитная сварка является впервые примененным способом сварки рельсов. Основной технологической операцией, обеспечивающей качество сварного шва, является предварительный подогрев, при котором используется специальная горелка. В ходе разработки конструкции и технологии изготовления отечественного варианта горелки для предварительного подогрева рельсов, а также при проведении её лабораторных и натурных испытаний принимала участие и автор. Лабораторные, натурные и численные эксперименты позволили обосновать необходимость проведения корректировки технологических процессов сварки в зависимости от внешних условий. Установлено, что кроме строгого соблюдения равномерности и продолжительности подогрева торцов рельсов, необходимо учитывать температуру окружающей среды. В результате проведенных исследований был разработан способ алюминотермитной сварки рельсов, дающий возможность проводить её практически при любых погодных условиях и обеспечивать необходимое качество сварного соединения (патент РФ на изобретение №2464141).

Основные научные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в работах Публикации в изданиях и журналах, рекомендованных ВАК

1. Трынкова1, О.Н. Биография дорог: конструкции твёрдых покрытий [Текст] / О Н. Трынкова // Мир транспорта. - 2010. - №1 (29). - С. 176-182.

2. Воронин, H.H. Резервы алюминотермитной сварки рельсов [Текст] / H.H. Воронин,

H.H. Прохоров, О.Н. Трынкова // Мир транспорта. - 2012. - №2 (40). - С. 76-82.

3. Воронин, H.H. Алюминотермитная сварка рельсов зимой [Текст] / H.H. Воронин, О.Н. Трынкова, О.В. Фомичева // Мир транспорта. - 2012. - № 4 (42). - С. 56-59.

4. Тарасова, В.Н. Становление рельсопроката в России [Текст] / В.Н. Тарасова, О.Н. Трынкова // Мир транспорта. - 2012. - № 5 (43). - С. 144-155.

5. Тарасова, В.Н. Эволюция технических требований к рельсам в Российской империи -СССР - Российской Федерации (конец XIX - начало XXI в.) [Текст] / В.Н. Тарасова, О.Н. Воронина // Вопросы истории естествознания и техники. - 2013.- № 1. - С. 99-114.

Публикации в других научных изданиях

I. Трынкова, О.Н. Разработка конструкции пропано-кислородной многопламенной горелки «ФАКЕЛ» для подогрева рельсов [Текст] / О.Н. Трынкова, H.H. Воронин / Неделя науки-2004 «Наука - транспорту»: труды научно-пракгич. конф.; под общ. ред. проф. В.М. Круглова; МИИТ. - М.: МИИТ, 2005, - с. IV-33.

2. Прохоров, H.H. Влияние условий алюминотермитной сварки на структуру металла рельса [Текст] / H.H. Прохоров, H.H. Воронин, А.И. Сысоева, О.Н. Трынкова И Безопасность движения поездов: труды 6-ой научно-пракгич. конф.; МИИТ, ОАО «Российские железные дороги», Министерство транспорта Российской Федерации и др. - М.: МИИТ, 2005, - Т.2, - с. X-11.

3. Воронин, H.H. Алюминотермитная сварка рельсов [Текст] / H.H. Воронин, H.H. Прохоров, О.Н. Трынкова // Ремонт, инновации, технологии, модернизация. - 2009. - №6 (44). - С. 27-29.

4. Трынкова, О.Н. Исторический период перехода к нормальным типам рельсов [Текст] / О.Н. Трынкова / Неделя яауки-2009 «Наука - транспорту»: труды научно-практич. конф.; под общ. ред. проф. В.М. Круглова; МИИТ. - М.: МИИТ, 2009, - Т.2, - с. 1-73 -1-74.

5. Трынкова, О.Н. Методика проведения исследования по выявлению типов рельсов, эксплуатировавшихся в 1920-е гг. [Текст] / О.Н. Трынкова, В.П. Калыциков, Е В. Кобец,

К.А. Стрельцова, Н.В. Третьякова / Неделя науки-2009 «Наука - транспорту»: труды научно-практич. конф.; под общ. ред. проф. В.М. Круглова; МИИТ. - М.: МИИТ, 2009, - Т.2, - с. 1-74 -1-75.

6. Тарасова, В.Н. Изучение дисциплины «История науки и техники» на примере создания и развития бесстыкового пути в России [Текст] I В.Н. Тарасова, О.Н. Трынкова / Управление инновациями: теория, инструменты, кадры: материалы 2-ой всероссийской научно-практич. конф. - С.-Петербург, 2009, - с. 69-71.

1 В 2012 г. автор диссертации сменила фамилию Трынкова на фамилию Воронина

7. Кабалина, O.B. Разработка технологии сварки рельсов при отрицательных температурах [Текст] / О.В. Кабалина, О.Н. Трынкова, Ю.А. Машарипова / Неделя науки-2010 «Наука -транспорту»: труды научно-практич. конф.; под общ. ред. проф. В.М. Круглова; МИИТ. -М.: МИИТ, 2010, - с. 1-53.

8. Прохоров, H.H. Расчетное исследование влияния температуры окружающей среды на скорость охлаждения и структуру металла шва при алюминотермитной сварке [Текст] /

H.H. Прохоров, H.H. Воронин, О.В. Кабалина, О.Н. Трынкова / Безопасность движения поездов: труды 11-ой научно-практич. конф.; МИИТ, ОАО «Российские железные дороги», Министерство транспорта Российской Федерации и др. - М.: МИИТ, 2010, - с. Х-5.

9. Трынкова, О.Н. Влияние выбора способа стыкового скрепления рельсов на безопасность движения поездов [Текст] / О.Н. Трынкова / Безопасность движения поездов: труды 13-ой научно-практической конференции; МГУПС (МИИТ), ОАО «Российские железные дороги», Министерство транспорта Российской Федерации и др. - М.: МИИТ, 2012, - с. Ш-22 -111-23.

10. Воронина О.Н. Анализ изменения геометрии поперечного профиля рельсов в период становления железных дорог (1866-1902 гг.) [Текст] / О.Н. Воронина / Неделя науки-2013 «Наука - транспорту»: труды научно-практич. конф.; под общ. ред. проф. В.М. Круглова; МИИТ. - М.: МИИТ, 2013, - с. Ш-105.

Патенты

I. Пат. 2464141 Российская Федерация, МПК В23К, Е04Н, EOIB. Способ алюминотермитной сварки рельсов при отрицательных температурах [Текст] / Воронин H.H., Караба-нов В.И., Трынкова О.Н., Кабалина О.В.; Заявитель и патиггообладатель Московский государственный университет путей сообщения (RU). - № 2010126929; заявл. 02.07.2010; опубл. 20.10.2012, Бюл. № 29. - 5 с.

ВОРОНИНА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА

Развитие конструкций железнодорожных рельсов, их стыковых соединений и технологий обработки

Специальность 07.00.10. - История науки и техники

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать - £/ .С З, / Ч. Заказ № $¿3 Формат 60X84/16 Тираж - 80 экз.

Усл. Печ.л. - 1,5_' _

127994, Москва, ул. Образцова 9, стр. 9, УПЦ ГИ МИИ

Текст диссертации на тему "Развитие конструкций железнодорожных рельсов, их стыковых соединений и технологий обработки"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» МГУПС (МИИТ)

На правах рукописи

04201457698

ВОРОНИНА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА

РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ, ИХ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 07.00.10 - История науки и техники

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д.и.н., профессор В.Н. Тарасова

Москва 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

1. ИСТОРИЯ РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКЦИЙ КОЛЕЙНЫХ ДОРОГ...................13

1.1. Создание деревянных лежней и железных рельсов в период с середины XVI в. по 1788 г............................................................................14

1.2. Совершенствование конструкции рельса в 1789 г. - 1865 г.................20

1.3. Изменение основных геометрических параметров рельсов в 1866

- 1902 гг..........................................................................................................24

1.4. Стандартизация геометрии рельсов и материалов в 1903 -

1946 гг............................................................................................................31

1.5. Совершенствование геометрии профиля рельса в период с 1947 г.

по начало XXI в.............................................................................................35

1.6. Выводы............................................................................................................42

2. ПОСТАВКА РЕЛЬСОВ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ...........44

2.1. Выпуск рельсов в период с 1830-х по 1865 гг.............................................44

2.2. Выпуск рельсов в 1866- 1902 гг..................................................................52

2.3. Выпуск рельсов в 1903 - 1946 гг..................................................................63

2.4. Выпуск рельсов в 1947 - 2011 гг..................................................................68

2.5. Выводы............................................................................................................77

3. ИСТОРИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И

СПОСОБОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ.................................79

3.1. Использование передовых технологий для изготовлений металлических рельсов в XVIII - первой половине XIX вв.....................79

3.2. Разработка технологии производства и термообработки рельсов в период с 1866 г. до начала XX в..................................................................81

3.3. Применение стандартов и технологий на изготовление рельсовой

стали в первой половине XX в.....................................................................85

3.3.1. Разработка стандартов на химический состав рельсовой

стали............................................................................................................85

3.3.2. Организация упрочняющей термической обработки рельсов............88

3.4. Совершенствование государственных стандартов на изготовление рельсов в период с 1947 г. до начала XXI в........................90

3.4.1. Внедрение новой технологии производства рельсов..........................91

3.4.2. Основные требования, предъявляемые к рельсам по условиям современной и перспективной эксплуатации.......................95

3.4.3. Формирование специальных требований к рельсам..........................102

3.4.4. Применение упрочняющей термической обработки новых рельсов......................................................................................................103

3.5. Выводы..........................................................................................................107

ИСТОРИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

СТЫКОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ И СОЕДИНЕНИЙ СВАРКОЙ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ..................................................................109

4.1. Современные виды и способы соединений рельсов.................................109

4.1.1. Болтовые и сварные (неразъёмные) соединения рельсов.................109

4.1.2. История разработки инновационных технологий для разных способов сварки рельсов.........................................................................114

4.2. Преимущества и недостатки бесстыкового пути и способов его получения в современных условиях..........................................................125

4.2.1. Влияние внешних условий на сохранение работоспособности железнодорожного пути.........................................................................128

4.2.2. Описание процесса алюминотермитной сварки................................129

4.3. Разработка оборудования и проведение эксперимента по алюминотермитной сварке рельсов...........................................................134

4.3.1. Создание элементов многопламенной горелки для предварительного подогрева концов рельсов и её испытания...........134

4.3.2. Организация испытания разработанной горелки и экспериментального определения температур при предварительном подогреве рельсов.....................................................136

4.3.3. Определение эффективной тепловой мощности пламени

горелки при предварительном подогреве.............................................139

4.4. Численный анализ температурных полей и скоростей охлаждения при алюминотермитной сварке рельсов..............................143

4.5. Особенности распределения температур и скоростей охлаждения

по длине рельса при их алюминотермитной сварке................................152

4.6. Перспективы использования алюминотермитной сварки для получения бесстыковых соединений рельсов..........................................155

4.7. Основные результаты и выводы.................................................................158

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................161

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................164

ПРИЛОЖЕНИЕ А (Справочное) Основные показатели рельсов...........................190

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (Основное) Типы рельсов 1926 г...............................................213

ПРИЛОЖЕНИЕ В (Справочное) Ответы председателю рельсовой

комиссии...............................................................................................................218

ПРИЛОЖЕНИЕ Г (Справочное) Справка о внедрении...........................................223

ПРИЛОЖЕНИЕ Д (Справочное) Технология алюминотермитной сварки и

оборудование для неё..........................................................................................224

ВВЕДЕНИЕ

В России транспорт является важнейшей составной частью производственной и социальной инфраструктур. Железнодорожный транспорт является одним из основных видов транспорта, обеспечивая более 43% грузоперевозок в стране (без учёта трубопроводного транспорта - 85%) и около 30% пассажирооборота [1, с. 1; 2; 3, с. 8]. На начало 2012 г. эксплуатационная длина железных дорог общего пользования составляла 86 тыс. км, путей промышленного железнодорожного транспорта - 38 тыс. км [4, с. 18; 5, с. 197].

Первые отечественные железные дороги, возведённые в середине XIX в., показали возможность перевозки пассажиров и грузов за меньший промежуток времени и с большим комфортом по сравнению с гужевым транспортом. Поэтому железнодорожный транспорт стал интенсивно развиваться для удовлетворения потребности населения в перемещении, а также своевременной доставки грузов, необходимых для развития экономики страны.

Актуальность темы.

Железнодорожный путь является важным и ответственным элементом перевозочного процесса. Наибольшее влияние на его качество, безопасность и комфортность перевозки грузов и пассажиров оказывает верхнее строение пути, особенно, его основной элемент - железнодорожные рельсы (далее - рельсы). Повреждение рельсов может привести к снижению скорости движения и даже остановке подвижного состава, что приведёт к нарушению графика движения поездов, а также аварии или крушению и сопровождается экономическими потерями и человеческими жертвами. В связи с этим в ходе эксплуатации железнодорожного пути к качеству рельсов предъявляются высокие требования.

логий контактной и алюминотермитной сварки рельсов между собой в стыках показывает их преимущества при создании бесстыкового пути, в ходе ремонтов и проведении восстановительных работ.

Степень разработанности темы. В изученной в ходе исследования литературе содержатся сведения по истории развития железнодорожного пути и рельсопрокатного производства, рассматриваются виды рельсовых скреплений, их технические характеристики, в том числе при скоростном движении поездов.

В работах Г.С. Альтшуллера [6, с. 133], О.Д. Симоненко [7, с. 101-102] и других ученых раскрыты законы развития технических объектов и систем применительно к истории техники.

Э.В. Воробьев, М.И. Воронин, М.М. Воронина, H.A. Зензинов, И.И. Кантор, С.П. Першин и другие ученые исследовали процесс развития отечественного железнодорожного транспорта [25, 46, 90].

В публикациях XIX в. М.В. Аничкова, А.Г. Славянова, Ф. Энрольда и других ученых [8 - 15] рассматривается геометрия профиля рельсов. А.П. Кеппен, В.Н. Кислянский, К. Тышка и другие ученые [14, 16, 17] изучали химический состав рельсовой стали.

История разработки стандартов на рельсы отражена в исследованиях Л. Любимова, К.А. Оппенгейма и других учёных [9, 18].

К началу XX в. С. Бирман, И. Ваттман и другие ученые [19] разработали научные основы создания бесстыкового пути. Дальнейшее развитие бесстыкового пути рассмотрено в работах Г.Е. Андреева, Т.А. Лапидуса, Мищенко К.Н. и других ученых [20 - 22]. Технологические основы путевого хозяйства разрабатывали В.Г. Альбрехт, Е.М. Бромберг, Н.П. Виногоров, Н.Б. Зверев, И.И. Кантор,

А.Я Коган, В.И. Новакович, Н.С. Чирков; экономические основы - В.Я. Шульга и другие учёные [23 - 26].

Стыковыми соединениями рельсов занимались В.М. Афанасьев, Н.М. Воронцов, И.С. Гринь, И.И. Евдокимов-Рокотовский, К.И. Красиков, И.Б. Лехно, А.И. Ольденборгер и другие ученые [27 - 29]. Способы сварки рельсов и оборудование для них разрабатывали Т.А. Владимирский, И.З. Генкин, Д.Л. Глизманенко, Г. Гольдшмидт, М.А. Карасев и другие ученые [30 - 34].

В трудах A.B. Великанова, И.З. Генкина, А.Ф. Золотарского, Л.П. Мелентьева, Я.Р. Раузина, О.С. Скворцова, Е.А. Шура и других ученых [35 -37] были проанализированы технологические процессы термического упрочнения рельсов. Вопросами повышения качества рельсов и рельсовой стали также занимались В.Е. Громов, H.A. Козырев, Н.М. Кулагин, С.М. Кулаков и другие ученые [38-44].

Во второй половине XX в. C.B. Амелин, В.В. Ершов, Д. Игнятич, С.П. Першин, Г.М. Шахунянц и другие учёные [45 - 49] исследовали напряжённо-деформируемое состояние пути.

Тенденции развития рельсового пути в постсоветский период, применение высокотехнологичных систем в его конструкции также изучались в ходе исследования по отраслевым газетам и журналам.

Анализ историографии показал недостаточную проработанность исследуемых в диссертации вопросов, поэтому автор обратился к следующим источникам: документам фондов Российского государственного архива экономики (РГАЭ), Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 г., в том числе действующему документу и проекту; Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации» до 2030 г., Стратегическим направлениям научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. (Белая книга ОАО «РЖД»), Программе инновационного развития ОАО «РЖД» до 2015 г., Государственной программе «Развитие транспортной системы» (2010-2020) на 2013 - 2020 годы и др. [1 - 5].

Цель диссертации - проведение историко-технического анализа конструкций

рельсов, их стыковых соединений и термической обработки с конца XVIII в. (колейных дорог - с середины XVI в.) по начало XXI в. с воссозданием целостной исторической картины их развития в рассматриваемый период..

Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

• собрать, систематизировать и обобщить фактический материал, относящийся к теме исследования;

• на основе обобщения историко-технического материала воссоздать целостную историческую картину развития конструкций колейных дорог, поставки рельсов для строительства железных дорог в России, развития и совершенствования химического состава, термической обработки и стыковых соединений рельсов;

• разработать научно-обоснованную периодизацию истории развития исследуемых объектов, предложить и обосновать технические решения по дальнейшему развитию стыковых соединений железнодорожных рельсов.

Объектом исследования является железнодорожный путь в России с конца XVIII в. по начало XXI в.

нений железнодорожных рельсов, их стыковых соединений и технологий обработки, в том числе:

Теоретическая значимость исследования внешних и внутренних закономерностей развития техники на примере анализа конструкций железнодорожных рельсов, их выпуска, стыковых соединений, совершенствования химического состава и термической обработки заключается в формирования методологической базы для определения места и включенности техники исследуемой области в социально-экономические процессы, её устройства и потенциала.

ки рельсов при отрицательных температурах», защищенного патентом РФ № 2464141. Результаты исследования используются в ходе преподавания курсов «История науки и техники» для студентов направления «Инноватика», курсовом и дипломном проектировании - для студентов инженерных механических специальностей МГУПС (МИИТ); обучения и переаттестации сварщиков, повышения квалификации инженерно-технических кадров; создания работ по истории железнодорожного транспорта [50 -55].

Методология и методы исследования. Исследование выполнено в соответствии с законом прогрессивной конструктивной эволюции технических объектов и законом согласования - рассогласования технических систем с использованием компьютерного моделирования на основе аналитических и численных методов в линейной и нелинейной постановках на примере определения тепловых процессов и скоростей охлаждения при алюминотермитной сварке рельсов.

Личный вклад автора состоит в:

• выявлении критериев, в соответствии с которыми структурированы и исследованы изменения в развитии конструкций колейных дорог с середины XVI в. по начало XXI в.;

• оценке влияния совершенствования технических средств железнодорожного транспорта на развитие и совершенствование химического состава и способов термической обработки рельсов с конца XVIII в. по начало XXI в.

• определении необходимости применения различных способ�

Полный текст автореферата диссертации по теме "Развитие конструкций железнодорожных рельсов, их стыковых соединений и технологий обработки"

Текст диссертации на тему "Развитие конструкций железнодорожных рельсов, их стыковых соединений и технологий обработки"

Похожие темы диссертаций