На прошедшем в конце ноября заседании Объединённого учёного совета ОАО «РЖД» руководитель проекта академик РАН Ирина Горячева рассказала, что данное исследование выполнялось в течение нынешнего года при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и ОАО «РЖД».

Его цель – оценка работоспособности рельсов нового поколения в условиях обращения тяжеловесных поездов, в том числе с повышенными осевыми нагрузками. Проведённые исследования показали, что в рельсах предыдущего поколения категории качества ОТ (объёмно-термоупрочнённые) основными источниками зарождения продольных трещин контактной усталости являются скопления в головке рельса на разной глубине неметаллических включений сложного химического состава, причём наиболее вредоносную роль играли окислы алюминия. При дальнейшем развитии продольные трещины способствуют образованию опасных поперечных усталостных трещин. В случае своевременного необнаружения их методами ультразвуковой дефектоскопии они могут привести к излому рельса под поездом. Как выяснили учёные, причина такого явления – исчерпание пластических свойств металла при циклическом нагружении в процессе взаимодействия колеса и рельса при движении поезда.

В отличие от рельсов предыдущего поколения новые рельсы категории качества ДТ350 (дифференцированно-термоупрочнённые) обладают однородной микроструктурой, а дифференцированная термообработка индукционным нагревом повышает их трещиностойкость и ударную вязкость. Однако, как показали исследования, на их поверхности также отмечаются контактно-усталостные повреждения в виде множественных параллельных наклонных трещин при исчерпании пластичности металла.

Учёные оценили динамику распространения подобных трещин в глубину как непосредственно на рельсах, лежащих в пути, так и при физическом моделировании их контактного нагружения на специальных стендах.

Кроме того, они провели электронно-микроскопические исследования поверхностного дефектного слоя металла в головке рельсов новой и старой категорий после пропуска различного тоннажа в эксплуатации. В результате они выяснили, что в поверхностном слое структура металла в обоих случаях носит волокнисто-деформированный характер. При этом степень деформации и повреждения микротрещинами головки рельса более ярко выражена при пропуске большого тоннажа.

Также они установили, что в рельсах новой категории ДТ350 более благоприятно распределяются остаточные напряжения, чем в рельсах категории ОТ. Например, в средней части подошвы дифференцированно-термоупрочнённых рельсов присутствуют меньшие растягивающие напряжения (100 МПа) по сравнению с объёмно-закалёнными (150 МПа). Такое формирование остаточных напряжений связано главным образом с режимами правки металла в холодном состоянии при производстве рельсов. При правке рельсов категории ДТ350 реализуются менее жёсткие режимы за счёт того, что в них имеются более «мягкие» области, которые лучше подвергаются пластической деформации.

На основе полученной информации учёные разработали математическую модель распределения нагрузок в рельсах и выполнили прогнозные расчёты наработки тоннажа, который может быть пропущен по рельсам ДТ350 до начала их выхода из строя. По словам Ирины Горячевой, на линиях с преимущественно грузовым движением значения прогнозного тоннажа для рельсов категории ДТ350 составили 1595 млн тонн брутто для условий умеренного и тёплого климата и 1531 млн тонн брутто для условий холодного климата (при величине одиночного изъятия рельсов в объёме 4 шт./км). Для объёмно-термоупрочнённых рельсов нормативный пропущенный тоннаж составляет 1100 млн тонн брутто, то есть почти в полтора раза меньше, чем у дифференцированно-термоупрочнённых.

По её мнению, разработанный в ходе исследований метод может применяться для оценки работоспособности рельсов различных типов, находящихся в условиях грузового, в том числе тяжеловесного движения. Кроме того, результаты исследований позволят дефектоскопистам точнее определять сроки проведения диагностики состояния рельсов, находящихся в эксплуатации.

Своевременно обнаружить неисправности рельсов поможет также созданная специалистами МГТУ экспериментальная радиолокаторная установка в рамках поддержанного РФФИ и ОАО «РЖД» проекта «Исследование возможностей использования радиолокационной системы апертурного синтеза для высокоскоростной диагностики рельсов».

На заседании ОУС ОАО «РЖД» старший научный сотрудник лаборатории дистанционного зондирования вуза Андрей Журавлёв сообщил, что она состоит из двухкоординатного электромеханического сканера и радиолокатора с непрерывным зондирующим сигналом с переключением частоты в диапазоне от 22,2 до 26,2 ГГц. После обработки отражённого радиолокационного сигнала с её помощью можно получать изображения рельсов с дефектами. Если такую установку разместить на вагоне-дефектоскопе, то диагностику рельсов можно вести на скоростях движения 100 км/ч и более. Применяемые сейчас методы диагностики (ультразвуковые, инфракрасные и др.) не позволяют этого делать с высокой степенью точности.

Как отметил председатель Объединённого учёного совета ОАО «РЖД» профессор Борис Лапидус, внедрение в отрасли подобных современных методов оценки состояния рельсов позволит повысить надёжность работы путевой инфраструктуры, а также обеспечить необходимый уровень безопасности движения тяжеловесных поездов.

Справка «Гудка»
В 2017 году по итогам конкурса Российского фонда фундаментальных исследований, проводимых в интересах ОАО «РЖД», из 244 заявок были отобраны 46 проектов. В их числе проекты «Разработка комплексного научного подхода к исследованию и прогнозированию работоспособности и ресурса рельсов нового поколения в условиях обращения тяжеловесных поездов, в том числе с повышенными осевыми нагрузками» (руководитель Ирина Горячева) и «Исследование возможностей использования радиолокационной системы апертурного синтеза для высокоскоростной диагностики рельсов» (руководитель Андрей Журавлёв).
Задача конкурса – поддержка экспериментальных и теоретических исследований, направленных на получение фундаментальных научных результатов, которые могут быть положены в основу решения практических задач российских железных дорог.