Расчет возможной численности монтеров пути, а точнее расчетный контингент как в целом для дистанции, так и для конкретного ее подразделения определяется по дифференцированным формам затрат труда на текущее содержание пути и искусственных сооружений на основе приказа МПС №8 от 3 апреля 1997г.

Расчет численности монтеров пути для механизированных дистанций ведется по формулам:

а) для главных путей

Р_гл= L_гл-1*N_гл1 + L_гл-2*N_гл2+ L_{го п}*N_{гл п},

где Р_гл - численность монтеров пути, чел.; 133128

N - норма расхода рабочей силы.

Р_гл = 169*0,786+169*0,753+64*0,470= 292 чел.

б) для стрелочных переводов

Р_сп= П_сп-1*N_сп1 + П_сп-j*N_спj,

где П_сп-1, П_{сп - j} - число стрелочных переводов по каждому типу и марке;

N_сп - нормы расхода рабочей силы.

Р_сп = 63*0,153+63*0,17+38*0,34=33 чел.

Схема условной железной дороги

2. Ресурсосбережение

Одной из главных проблем путейцев является выход дорогостоящих рельсов. Их дефекты известны, квалифицированны. Задача заключается в технологическом обеспечении условий, предотвращающих образование дефектов.

Известно, что прочность и твердость рельсовых сталей взаимосвязана. Однако показатель твердости однозначно не характеризует прочность и обеспечение высокой надежности. Высокая твердость материала при определенных условиях может быть причиной повышенной хрупкости и излома при динамических нагрузках. Только сочетание высокой твердости и необходимой вязкости материала позволяет получать высокопрочные изделия.

Специфической особенностью изготовления рельсовых плетей из объемнозакаленных сталей оказывающей существенное влияние на возникновение остаточных напряжений и локальное разупрочнение сталей, является повторный нагрев торцов под сварку.

Электроконтактной сварке оплавлением присуще следующие недостатки:

Снижение твердости в зоне шва;

Образование крупнозернистой структуры;

Образование грата;

Недостаточная прочность и пластичность сварных стыков.

Для достижения более высоких эксплуатационных свойств предложен комбинированный способ сварки давлением с последующим объемным легированием сварного стыка методом сверхглубокого проникновения частиц, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Комбинированный способ обеспечивает:

Формирование мелкодисперсной структуры;

Повышение твердости, прочности, износостойкости сварного шва;

Предотвращение образования грата и снижение затрат на его удаление.

Особенности сварки современных рельсов.

С увеличением количества плетей из новых и старогодных рельсов, внедрением рельсов из кислородно-конверторной стали и стали, выплавленной в электропечах, стал острее вопрос о качестве сварных стыков. В настоящее время на сети дорог действует 20 рельсосварочных предприятий, изготавливающих в год около 5000 км плетей из новых объемнозакаленных рельсов. При этом сваривают около 500 тыс. стыков по технологии, включающей контактную сварку, механическую и термическую обработку, дефектоскопирование. Каждая из операций ответственная, и несоблюдение или нарушение технологии может привести к браку в стыках.

Статистические данные об остродефектных рельсах, обнаруженных средствами дефектоскопии в пути, показывают, что в зоне сварных стыков становится больше дефектов 26.3 (в головке), 56.3 (в шейке) и 66.3 (в подошве).

Причины их образования следующие:

несоблюдение технологии контактной сварки - неметаллические включения, непровары, рыхлости, кратерные усадки;

несоблюдение технологии абразивной обработки - местные неровности на поверхности металла (врезание в тело, концентраторы напряжений в виде острых кромок), поджоги поверхностного слоя металла;

несоблюдение технологии термической обработки - образование мартенсита в поверхностном слое металла головки;

отсутствие термической обработки - смятие и повышенный износ головки, развитие усталостной трещины в области поджога поверхностного слоя металла сварного стыка.

На рис.1 показаны некоторые из перечисленных дефектов. Все упомянутые дефекты можно разделить на появившиеся в результате нарушения технологии сварки и на образовавшиеся в результате нарушения; технологии послесварочных операций.

При электроконтактной сварке оплавлением в ряде случаев в стыке возникают дефекты из-за неполного выравнивания кратеров на концах изделия. Газ и окисленный жидкий металл, находящиеся в кратерах, при кристаллизации образуют такие дефекты как газовый пузырь, рыхлость, кратерная усадка.

Неполное выдавливание из стыка жидкого металла при осадке приводит к появле- шию скоплений неметаллических включений, ориентированных по оси стыка.

В отличие от других способов сварки давлением при нагреве непрерывным оплавлением соприкасающиеся поверхности свариваемых деталей (рельсов) всегда неровные из-за взрывообразного разрушения контактов, большая часть которых покрыта жидким слоем металла (расплава).

На поверхности торца слой металла неоднороден по толщине. Толщина расплава на торцах рельсов зависит от особенностей разрушения элементарных контактов и может изменяться от нуля в местах, где наблюдается срыв жидкого слоя при взрыве контакта, до миллиметра на участках, где металл скапливается в углублениях на поверхности оплавления.

Все участки этой поверхности имеют высокую температуру, близкую к температуре плавления металла, и могут интенсивно окисляться, так как при сварке рельсов оплавлением воздух проникает к соприкасающимся поверхностям, а зазор между ними (искровой зазор) на отдельных участках может достигать нескольких миллиметров.

Учитывая, что при взаимодействии кислорода воздуха с жидким металлом окисление протекает более интенсивно, чем при взаимодействии с твердым металлом, можно ожидать низкокачественной сварки.

По лини шва при сварке углеродистых низколегированных рельсовых сталей непрерывным оплавлением многие дефекты представляют собой оксиды металла и других легирующих элементов.

Рис.1. Основные дефекты в сварных стыках: а - рыхлость; б - кратерная усадка; в - следы термомеханического воздействия абразивного круга при шлифовке; г - выкрашивание поверхности катания головки сварного стыка в области образования неблагоприятных закалочных структур при нарушении технологии упрочнения воздушно-водяной смесью

С массовым внедрением рельсов из стали, выплавленной в электропечах, _и в 2002-2003 гг. дороги столкнулись с проблемой их свариваемости (образование дефектов сварочного характера и недостаточная прочность и пластичность сварных стыков).

В 2000 г. был принят ГОСТ Р 51685-2000 "Рельсы железнодорожные. Общие технические условия", и все рельсы массовых поставок для железных дорог изготавливаются в соответствии с ним. По техническим требованиям к химическому составу и механическим свойствам рельсы мартеновского, конвертерного и электропечного производства не различаются. Кроме того, фактическая прочность и твердость металла почти такие же, как у рельсов, выпущенных по старым стандартам.

Однако рельсы электропечного производства НКМК отличаются большей чистотой по неметаллическим включениям и содержанием ряда примесей легирующих элементов по верхнему пределу, регламентированному ГОСТ. Поэтому рельсовый металл имеет склонность к подкаливанию зоны сварного шва. В результате при контактной сварке необходим более концентрированный нагрев м^т^ма-*-выоспшпшч11Лъная-€4шрость осадки (минимально около 35-40 мм/с).

Во время испытаний рельсов на статический поперечный изгиб и при изломах в пути в плоскости излома видны матовые пятна серого цвета. При исследовании микроструктуры образцов в зоне этих пятен в сварном шве обнаружены неметаллические включения, не выдавленные при осадке в процессе сварки.

Анализ карт поверхности изломов в характерном рентгеновском излучении с помощью прибора САМЕВАХ 8X50 показал наличие различных, но преимущественно алюмино-кальциевых неметаллических включений. Такие включения значительно снижают прочность сварного стыка рельсов. Это характерно для контактной стыковой сварки рельсов из электростали непрерывным оплавлением и необеспечением достаточных скоростей закрытия искрового зазора при осадке.

Микроисследования подтверждают, что разрушение после статических - испытаний проходит по сварному шву. Во время исследования микроструктуры шва помимо неметаллических включений, часто встречаются рыхлости, что указывает на недостаточно уплотненный металл (см. рис.1, я).

В стационарных условиях рельсосварочных поездов проблему сварки рельсов электропечного производства удается решить с помощью сварочных машин типов К-1000 и МСР-6301, обладающих большой электрической мощностью, имеющих гидроаккумуляторы и выполняющих сварку методом пульсирующего оплавления, а также термообработки сварных стыков.

При разработке технологии сварки современных российских, а также импортных рельсов для достижения высокого качества шва необходимо предусмотреть регулировку интенсивности и ширины разогрева концов рельсов в процессе оплавления. Применяемый на контактных машинах старого поколения (типов К-190, К-355) способ непрерывного оплавления уже не может в полном I объеме обеспечить эти требования.

Контактные машины типа К-355, составляющие более 80 % парка оборудования для сварки в пути, были созданы более 30 лет назад, они не имеют гидроаккумуляторов (максимальная начальная скорость осадки 25 мм/с) и не могут выполнять сварку методом пульсирующего оплавления. Поэтому при сварке 1 некоторых партий новых рельсов возникают проблемы, связанные с получением нужных прочности и пластичности стыков.

Наиболее перспективный способ пульсирующего оплавления разработан в ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины. В России он применяется с 1997 г. на стрелочных заводах для сварки деталей стрелочных переводов. Сущность способа заключается в том, что сопротивление между рельсами во время оплавления непрерывно поддерживается на уровне, обеспечивающем максимальную полезную мощность, генерируемую в месте контакта деталей. При одинаковых мощности и напряжения в сварочной цепи сила тока при пульсирующем оплавлении выше в 1,5-2,5 раза, чем при непрерывном, и поддерживается во время I сварки постоянной. Увеличивается скорость нагрева и уменьшаются припуски на оплавление рельсов. Можно получать концентрированный нагрев в зоне разогрева. Это сокращает время сварки. Изменение скорости оплавления регулируется по кривой тока. В компьютерной системе задается скорость оплавления V и наклон кривой силы тока I. Меняя эти параметры, можно изменить интенсивность нагрева в зависимости от необходимого тепловложения в стык для разных марок сталей.

Новые марки сталей, которые начали или планируют использовать металлургические комбинаты (в частности, Э76, Э76Ф), требуют более интенсивного и равномерного разогрева концов рельсов.

Непрерывное регулирование параметров сварки, в том числе и перед осадкой, достигаемое быстродействующими регуляторами, обеспечивает более ровную поверхность оплавления торцов рельсов. Кроме того, кратеры на торце во время оплавления имеют меньшую глубину, что понижает вероятность образования различных дефектов в сварном стыке.

В Комплексном отделении "Сварка" ВНИИЖТа исследовали металл сварных соединений рельсов, выполненных пульсирующим оплавлением. При разработке режимов сварки в РСП испытывали контрольные образцы рельсов на поперечный статический изгиб с расстоянием между опорами 1 м. Средние значения разрушающей нагрузки для новых рельсов типа Р65 при растяжении подошвы составляют 2400 кН, при растяжении головки - 2200 кН; стрелы прогиба в среднем равны 36 мм и 35 мм соответственно. Для новых рельсов типа Р75 эти значения составляют соответственно 2720 кН и 2100 кН, 38 мм и 22 мм.

При макроисследованиях темплетов сварных рельсов дефекты сварочного характера не обнаружили, ширина зоны термического влияния узкая и составляет 13-15 мм в одну сторону от сварного шва, что в 1,5 раза меньше чем при "классическом" непрерывном оплавлении. На рис.2 представлены продольные макротемплеты и распределение твердости по поверхности катания сварных стыков после различного вида оплавления. В образцах, вырезанных из сварного рельса, после травления 4-процентным раствором азотной кислоты выявляются шесть участков, из которых состоит околошовная зона.

Микроструктура сварного шва - это крупнозернистый сорбитообразный перлит и ферритная сетка вокруг зерен. Ширина сварного шва 0,3-0,5 мм. Металл шва хорошо уплотнен, неметаллических включений нет. За зоной шва следует зона неполного расплавления, структура которой также состоит из крупнозернистого сорбитообразного перлита с обрывками ферритной сетки. Усадочных рыхлостей и загрязнений неметаллическими включениями нет.

В этой зоне неполного расплавления нарушается связь между волокнами, и от ее осадки зависит качество сварного стыка.

При недостаточной осадке могут остаться незаваренными мелкие усадочные пустоты, а иногда скопления загрязнений на месте бывших очагов плавления.

Следующие зоны - рекристаллизации или крупного зерна, далее нормализации или мелкого зерна, потом - неполной нормализации и основной металл.

Средняя твердость сварного шва - 290 НВ, зон перехода к основному металлу - 270 НВ, что характерно для стыков рельсов, термически не обработанных после сварки.

Ширина зоны разупрочнения металла стыка рельса, сваренного методом непрерывного оплавления, составляет 80 мм, методом пульсирующего - 50 мм (см. рис.2, б).

Существенное уменьшение ширины этой зоны при пульсирующем оплавлении значительно увеличит эксплуатационную стойкость рельсов.

Рис.2. Макроструктура и твердость сварных стыков; а - характер зоны термического влияния после сварки рельсов соответственно пульсирующим и непрерывным оплавлениями; бив - распределение твердости металла по поверхности катания сварных стыков соответственно после пульсирующего и непрерывного оплавлений

По результатам механических испытаний и металлографическим исследованиям можно сделать вывод, что качество сварки пульсирующим оплавлением соответствует нормативно-технической документации.

В 2002 г. сотрудники ВНИИЖТа, ИЭС им. Е.О. Патона и Каховский завоД электросварочного оборудования начали внедрять такое оплавление в РСП и на машинах К-1000. Были разработаны режимы сварки рельсов типов Р65 и Р75. К настоящему времени этот метод применяется почти^на^всех машинах. Для сварки рельсов в пути без единовременной замены устаревшего оборудования существует техническое предложение, не требующее больших капиталовложений. Это модернизация контактных машин К-355 (гидросистемы и системы управления) для сварки рельсов методом пульсирующего оплавления и оборудование ПРСМ индукционными установками для термической обработки стыков.

Рис.3. Оборудование нового поколения: а - стационарная индукционная установка типа УИН-001 - 100/РТ

Первый опыт модернизации головки К-355 осуществлен на ЗАО "Техэлектро" (г. Псков). На рис.3, я представлена сварочная головка К-355А1М с системой управления и контроля на базе промышленного компьютера. Она оснащена гидроаккумулятором для достижения высоких скоростей осадки. Модернизация выполнена в соответствии с техническим заданием Департамента пути и сооружений ОАО "РЖД". Машина испытывается в полевых условиях.

Доказана необходимость применения дифференцированной термической обработки сварных стыков, заключающейся в упрочнении головки стыка с повторного перекристаллизационного индукционного нагрева всего его сечения с последующей нормализацией подошвы и шейки рельса. В результате такой операции повышается твердость металла головки до необходимого уровня. Вследствие измельчения структуры металла в шейке и подошве сварного стыка при нормализации индукционным нагревом возрастает усталостная и хрупкая прочность.

Бесстыковой путь у нас работает в сложных климатических и эксплуатационных условиях. На дорогах Сибири и Дальнего Востока годовые амплитуды температуры рельсов колеблются от 105 до 125 °С. Максимальные суточные амплитуды температур равны 35-60 °С. Такие перепады создают критический уровень температурных сил, приводящий к выбросам плетей или их изломам с образованием зазоров 60-80 мм, причем почти 30 % их приходится на места сварки.

Следует также отметить, что в морозы увеличивается вероятность хрупких разрушений как самих рельсов, так и сварных стыков. Критическая температура поднимается с образованием в стали крупнозернистой структуры металла при сварке и с появлением в месте дефекта неблагоприятных остаточных напряжений.

Проведенные ВНИИЖТом комплексные исследования показали, что незакаленные рельсы становятся хрупкими при минус 15-20 °С, термически упрочненные - при минус 30-35 °С, сварные стыки закаленных рельсов - при минус 20-40 °С.

В морозы сопротивляемость удару сварных стыков значительно ниже, чем целых несварных объемнозакаленных рельсов. При температуре - 60 °С, являющейся основным охрупчивающим фактором, охватывающей все климатические зоны нашей страны и лежащей заведомо ниже критической температуры хрупкости объемнозакаленных рельсов и их сварных стыков, сопротивляемость удару сварных рельсов в 6 раз меньше, чем несварных.

Хрупкие разрушения во время эксплуатации происходят очень редко благодаря строгому соблюдению технологии, режимов сварки и обработки стыков, а также отсутствию в них дефектов. Если была нарушена технология при изготовлении сварных плетей и в стыках появились дефекты, то разрушения такого типа возможны, особенно в виде хрупких доломов, которыми заканчивается развитие усталостной трещины, образовавшейся от дефекта.

Дифференцированная термическая обработка сварных стыков рельсов с упрочнением головки и нормализацией шейки и подошвы устраняет зональную структурную неоднородность металла. При этом упрочненный слой головки представляет собой мелкозернистый сорбит отпуска с тонкой сеткой феррита вокруг зерен, микротвердость составляет Н₅о ⁼ 3200-3450 МПа. Данная структура типична для упрочненной рельсовой стали. Микроструктура металла шейки и подошвы стыка - это сорбитообразный перлит с разрозненной сеткой феррита, микротвердость равна Н₅о - 2600-2800 МПа, что характерно для неупрочненной рельсовой стали.

Конструкционная прочность сварных стыков - важнейший фактор, влияющий на их эксплуатационную надежность. Долговечность в области ограниченной выносливости и предел выносливости у термообработанных стыков выше: на 45-50 %, чем у незакаленных и на 15-20 %, чем у цельнокатанных серийных рельсов.

Испытания на копровую прочность рельсовых проб длиной 1200 мм со сварным стыком по середине при температуре - 60 °С выявили, что показатели хрупкой прочности после термообработки увеличиваются на 300 %. Повышение усталостной и хрупкой прочности сварных стыков, подвергнутых дифференцированной термической обработке, благоприятно сказывается на живучести рельсов в северных районах нашей страны.

Применяемые в рельсосварочных предприятиях индукционные установки типа ИТТЗ-250/2,4 не отвечают современным требованиям ресурсосбережения.

Основные причины заключаются в следующем: высока потребляемая мощность (250 кВт); для эффективного охлаждения трансформаторного блока, индукторов и токопреобразователя частоты нужна дистиллированная вода с отдельными накопителями и подающими гидросистемами из нержавеющих сплавов; фор'сунки воздушно-водяного распылителя для закалки головки стыка часто засоряются, что приводит к образованию неблагоприятных закалочных структур на поверхности катания. Имеется 30 таких установок в 17 РСП из 20. В 10 РСП из 17 данное оборудование по приведенным выше причинам не применяется. Анализ остродефектных рельсов показал, что наибольшее количество дефектов в зоне сварных стыков выявлено на тех дорогах, где в РСП не используют или ограниченно используют индукционное оборудование. То есть технология дифференцированной термической обработки стыков в большинстве РСП не применяется из-за несовершенства оборудования.

На основании новейших достижений в электротермии и совместных разработок ВНИИЖТа и НИИ АЭМ (г. Томск) изготовлено индукционное оборудование нового поколения типа УИН-001-100/РТ (см. рис.3,6), отвечающее требованиям ресурсосберегающей политики ОАО "РЖД".

2.1 Сварка рельсов нового поколения