рельс для рельсового транспорта

Формула изобретения

1. Рельс для рельсового транспорта, содержащий торцевые стороны, отличающийся тем, что на торцах рельса акустически плотно крепится элемент, материал которого эффективно поглощает акустические колебания, из Рb или “немого сплава” СuМn.

2. Рельс по п.1, отличающийся тем, что на его поверхности катания и/или скольжения выполнены выемки глубиной 0,1-1,0 длины волны акустических резонансных колебаний, которые заполнены материалом, поглощающим акустические колебания, например Рb или “немым сплавом” СuМn.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно к рельсовому транспорту, например к железнодорожному. Оно может быть использовано для повышения износостойкости рельсового полотна и других изделий, в которых могут возникать акустические колебания при механических нагрузках.

В процессе эксплуатации рельсы подвергаются различным видам износа: абразивному, коррозионному, усталостному, адгезионному, диффузионному и другим. В настоящее время существует достаточно много технических решений, направленных на повышение износостойкости изделий, однако в случае железнодорожного полотна они, как правило, просто неприемлемы. Интересной особенностью износа рельсов является то, что часто их поверхность в процессе эксплуатации приобретает волнообразный характер [1]. В работе [2] на примере твердосплавных резцов было показано, что при определенных условиях износ сопряженных поверхностей может усиливаться за счет возникновения в них стоячих ультразвуковых колебаний.

Известно, что в материалах при трении возникают колебания с частотами, начиная от звуковых до мегагерцевых [3]. Как правило, эти колебания не вносят существенного вклада в разрушение или повышенный износ изделий. Ситуация коренным образом меняется, когда на какой-либо частоте возникает резонанс и образуются стоячие волны. В этом случае возникают дополнительные чередующиеся растягивающие и сжимающие напряжения в местах максимумов амплитуд волн. При этом материал изделий разрушается (или подвергается повышенному износу) не равномерно по всей поверхности, а в виде периодически расположенных участков. Периодичность в расположении участков с более сильными нарушениями материала определяется резонансной частотой возникающих в данном изделии колебаний. Последнее убедительно показано в работе [2].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является техническое решение повышения износостойкости рельса, описанное в патенте [4]. В известном рельсе, содержащем головку, шейку, подошву и торцевые стороны, выполненные с косым срезом под углом в 70 градусов в плане, новое то, что плоскости среза торцевых сторон имеют пересекающееся направление.

Недостатком данного решения является то, что низкочастотные колебания, возникающие в рельсе, на таком стыке будут отражаться как от плоской поверхности, перпендикулярной оси рельса, а возникающие колебания не будут подавлены.

Задачей данного изобретения является повышение износостойкости рельс путем поглощения или рассеяния поверхностных колебаний, которые возникают в процессе механического воздействия на них колес и входя в резонанс, способствуют развитию мест с локальным износом в пучностях стоячей волны.

Указанный технический результат достигается тем, что рельс содержит торцевые стороны, причем на торцах рельс плотно крепится элемент, материал которого эффективно поглощает акустические колебания, из Рb или “немого сплава” СuМn.

Кроме того, на поверхности катания и/или скольжения рельса выполнены выемки глубиной 0,1-1,0 длины волны акустических резонансных колебаний.

Кроме того, вышеуказанные выемки заполнены материалом, поглощающим акустические колебания, например Рb или "немым" сплавом CuMn.

Кроме того, рельс на поверхности катания и/или скольжения содержит чередующиеся участки, имеющие различные скорости распространения поверхностных акустических колебаний, с характерным размером участков 0,1-10,0 длин волн акустических резонансных колебаний.

Кроме того, рельс изготовлен из материала, эффективно поглощающего акустические колебания, например чугуна или крупнозернистой стали с размером зерна 0,1-1,0 длины волны акустических резонансных колебаний.

Кроме того, рельс имеет в сечении как форму, традиционно используемую в железнодорожном транспорте с головкой, шейкой, основанием, так и другие формы, например прямоугольную, трапециевидную и др.

Авторами данного изобретения был проведен анализ износа поверхности рельсов. Анализ показал, что, кроме обычного износа поверхности, наблюдаются периодически расположенные места с более интенсивным износом. Наиболее полно проявляется периодичность повышенного износа рельс в местах поворотов, участках подъемов и на разгонных участках. Эти участки в виде чередования светлых и темных полос хорошо видны на фотографиях, которые представлены на фиг.1-4.

Длина волны колебаний, как это видно на фиг.1, составляет =2·L=26 см. Здесь учтено, что участки с интенсивным износом находятся на расстояниях, равных половине длины волны. При скорости поверхностной волны v=3200 м/сек, частота колебаний составит

f=v/=3200/26×10 ^-2=12,3 кГц.

Измерения периодичности в расположении участков с повышенным износом рельсов показывают, что эти периоды изменяются в пределах примерно одного порядка. Соответственно, и частоты колебаний поверхностных волн изменяются в этих же пределах. Диапазон частот колебаний, определенный вышеуказанным методом, находится в пределах 3-30 кГц.

Из представленных результатов следует, что, в результате взаимодействия колес и рельсов, в последних возникают колебания, приводящие к образованию периодически располагающихся участков повышенного износа поверхности рельсов. Очевидно, что более высокая интенсивность износа металла приводит, в конечном итоге, к более быстрому выходу рельс в целом из строя. Существующие в настоящее время технические решения повышения срока службы рельс не направлены на то, чтобы устранить их износ, связанный с возникающими колебаниями, например [5].

Для предотвращения преждевременного износа, связанного с резонансными поверхностными волнами, в данном изобретении предлагается подавить или ослабить их за счет рассеяния и/или поглощения. Ослабление амплитуды стоячих волн достигается путем изменения угла плоскости торцов рельс по отношению к их продольной оси, так как при этом добротность резонатора, в качестве которого в данном случае является рельс, резко падает. Отраженные от плоскости торца, не перпендикулярной к продольной оси рельс, акустические волны пойдут не строго в обратном направлении и после многократного отражения будут постепенно затухать. При этом стоячая поверхностная волна не будет образовываться или будет меньшей амплитуды, соответственно, не будет возникать дополнительных разрушающих сил. Предлагаемый рельс имеет плоскость торцов не перпендикулярную к продольной оси рельс (см. фиг.5, 6).

Рассмотрим прямоугольный треугольник (фиг.1), катет Н в котором равен ширине поверхности катания рельса, катет L лежит вдоль длины, угол - угол между катетом L и гипотенузой К образованноного треугольника.

Длина катета L определяется длиной полуволны резонансного колебания. Угол определится по формуле =arctg(H:L).

Торцы рельс могут быть выполнены не плоскими, а в виде, имеющем в сечении ломаную линию или плавную кривую, например зигзаг или сегмент эллипса, позволяющие эффективно рассеивать акустическую волну (см. фиг.7).

На торцах рельс может акустически плотно крепиться материал, эффективно поглощающий звуковые колебания (см. фиг.8, 9). В качестве материала эффективно поглощающего акустические колебания используют, например, Рb, его сплавы или "немой" сплав CuMn [6].

На поверхности катания и/или скольжения рельса могут быть выполнены выемки глубиной 0,1-1,0 длины волны акустических резонансных колебаний (см. фиг.10-12).

Вышеуказанные выемки могут быть заполнены материалом, поглощающим акустические колебания (см. фиг.13). В качестве материалов, поглощающих акустические колебания, используются, например, Рb или "немой" сплав CuMn [6].

Хорошие условия для рассеивания поверхностных волн создают выемки, расположенные как перпендикулярно продольной оси рельса, так и под углом к продольной оси. Выемки могут иметь форму, отличную от прямой, например могут иметь форму полумесяца. Наиболее оптимально, когда выемки расположены не строго перпендикулярно и отраженная волна многократно отражается от боковой поверхности. Также, в случае выполнения выемок под углом движение колеса по рельсу будет более плавным (см. фиг.10-13).

Выемки не обязательно должны быть через всю ширину рельса. Они эффективно рассеивают поверхностные волны и в том случае, когда они короткие, но в сумме перекрывают всю ширину рельса (см. фиг.12).

На поворотах рельсовых путей гребень колес скользит по головке рельс, при этом эффективно происходит образование поверхностных волн. Поэтому выемки целесообразно выполнять не только на поверхности катания, но и с внутренней стороны, где скользит гребень колеса (см. фиг.11).

Предлагаемый рельс на поверхности катания и/или скольжения может содержать чередующиеся участки, имеющие различные скорости распространения поверхностных акустических колебаний (см. фиг. 14), например, закаленные и не закаленные участки, с характерным размером участков 0,1-10,0 длин волн акустических резонансных колебаний. Характерный размер от 0,1 до 10 длин волн определяется тем, что через более короткие участки акустическая волна проходит практически без потери энергии, а при участках более 10 размеров длины волны уменьшается количество переходов между участками на протяжении одного рельса и эффективность гашения акустических колебаний падает.

Для изготовления предлагаемых рельсов может быть использован материал, который сам эффективно поглощает звуковые колебания, например, чугун или крупнозернистую сталь с зерном 0,1-1,0 длины волны акустических резонансных колебаний.

Рельс может представлять собой в сечении как форму, традиционно используемую в железнодорожном транспорте с головкой, шейкой и основанием, так и другие формы, например прямоугольную, трапециевидную и др.

Анализ износа рельсов железнодорожного транспорта показывает, что если устранить износ связанный с акустическими колебаниями, то их срок службы на критических участках (повороты, спуски и подъемы) должен возрасти в 1,5-2 раза.

Источники информации

1. Аксенов В.А., Шаламов В.А., Шаламов О.А. "Разработка технологических процессов восстановления рельсов в пути рельсошлифовальными поездами различных типов." Материалы региональной научно-практической конференции, Новосибирск, 1999, с.347-350.

2. Беспалов В.В., Гриценко Б.П. "Некоторые особенности разрушения твердосплавных резцов", Трение и износ, т. 21, №5, с.511-517, 2000 г.

3. Попов В.Л., Колубаев А.В. "Генерация поверхностных волн при внешнем трении упругих твердых тел" // Письма в ЖТФ, т. 21, вып.19, 1995, с.91-94.

4. Патент РФ №2161668, кл. Е 01 В 11/24, 1998.

5. Карпущенко Н.И., Никитин И.В. "Основные факторы, определяющие интенсивность бокового износа рельсов в кривых." Сб. статей Новые технологии - железнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств. Ч. 4, Омск - 2000, с.289-293.

6. Займовский В.А., Колупаева Т.Л. "Необычные свойства обычных металлов". - М.: Наука, с.42-43.