На протяжении всего периода существования железных дорог велись поиски конструкций рельсовых стыков, которые обеспечили бы такую же надежность пути в местах соединения рельсов, как и вне стыков. Стыки остаются основными возбудителями динамических, а нередко и ударных воздействий подвижного состава на путь. Регулярные динамические нагрузки на рельсовый стык приводят к интенсивному износу как ходовых частей подвижного состава, так и к дефектам рельсов, а в долгосрочном периоде к просадкам в балласте и болезням земляного полотна. Затраты труда на содержание стыков достигают 20 % всех затрат на текущее содержание пути.
Стыковой путь.
Чтобы сократить число рельсовых стыков в пути, десятилетиями стремились увеличить стандартную длину рельсов. Коренное решение проблемы рельсового стыка воплотилось в так называемом бесстыковом пути, благодаря которому число стыков сокращается в десятки, а при сварке рельсов на перегонах, станциях и в пределах стрелочных переводов, в тысячи раз.
Бесстыковой путь.
Бесстыковой путь является наиболее прогрессивным и совершенным типом железнодорожного пути. Он позволяет: - исключаются удары колес о рельсы при перекатывании через зазоры в стыках и, следовательно, значительно снижается износ рельсов и колес;
- экономить металл за счет уменьшения количества стыковых скреплений;
- снизить динамическое воздействие на путь, возникающее в стыках;
- уменьшить износ рельсов и ходовых частей подвижного состава;
- сократить выход из строя рельсов по стыковым дефектам;
- уменьшить сопротивление движению поездов;
- снизить расходы на содержание и ремонт пути и подвижного состава.
С укладкой бесстыкового пути значительно уменьшается количество стыковых соединителей для участков с автоблокировкой и электрической тягой поездов. Отсутствие стыков уменьшает сопротивление движению поездов, что экономит топливо для тепловозов или электрическую энергию для электровозов. В бесстыковом пути наряду с упругими деформациями, исчезающими после снятия нагрузки, появляются и постепенно накапливаются остаточные деформации. Эти деформации проявляются как в виде износа элементов железнодорожного пути, так и в виде искажений очертаний рельсовых нитей: просадок, перекосов и т.п.
С каждым проходящим по пути колесом подвижного состава усиливается как процесс старения пути и изменения положения рельсовых нитей, так и интенсивность этого процесса. Например, смятие концов рельсов не исчезает, а наоборот, постепенно накапливается. Увеличивается также износ и по длине рельсов. Таким образом, остаточные деформации элементов верхнего строения пути постепенно накапливаются под воздействием движущихся колес. Интенсивность нарастания остаточных деформаций определяется грузонапряженностью линии и скоростями движения поездов.
Все эти остаточные деформации рано или поздно приводят к выходу из строя части рельсовой нити, которая выявляется передвижными средствами дефектоскопирования.
В результате нить протяженностью более 600 метров приходит в негодность. Сменить целую плеть имея дефект на протяжении 0,5 м было бы бессмысленным, поэтому дефектный участок пути вырезается и на его место ставиться «рубок» рельса который образует в некогда целом рельсе 2 стыка.
Возникает вопрос: как в минимально короткие сроки и с минимальными затратами восстановить целостность рельсовой нити, и вот тут на помощь приходит алюминотермитная сварка рельсов в полевых условиях.
Сама мысль о алюминотермитной реакции происходит из второй половины ХVIII века. Французский ученый Антуан Лоран Лавуазье описал принцип экзотермической реакции, практическое внедрение которой в своей эпохе он не мог предполагать.
История термитной сварки насчитывает уже около ста сорока лет. Начало этому процессу было положено еще в 1859 году Русским ученым Н.Н. Бекетовым, который впервые открыл алюминотермию и дал описание алюминотермитной реакции. Ее сущность – получение металлов и сплавов восстановлением их окислов алюминием. Поскольку реакция проходит с выделением большого количества тепла, ее и назвали термитной (от греческого слова therme — теплота).
Алюминотермитная сварка рельсов (полное название: Сварка рельсов алюминотермитная методом промежуточного литья) — процесс, основанный на алюминотермии, при котором используются химические реакции восстановления железа из оксидов, эти реакции сопровождаются выделением тепла и получением расплавленного металла требуемого химического состава.
Алюминотермическая реакция:
2Al + Cr2О3 = Al2О3 + 2Cr
Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3
Эти реакции сопровождаются выделением тепла и получением расплавленного металла требуемого химического состава. Для сварки применяется термит, расфасованный определенными порциями. Работу выполняет бригада из двух-трех человек. Общий вес используемого оборудования не превышает 350—400 кг.
При выполнении сварки и сопутствующих технологических операций используются автономные источники энергии.
Преимущества:
Свое развитие термитная сварка получила благодаря следующим позитивным факторам:
- Полная независимость от электроэнергии и газа;
- Простота и доступность технологии;
- Отсутствие сложного технологического оборудования;
- Возможность выполнения работ в линейных или полевых условиях монтажным персоналом, работниками ремонтных и эксплуатационных служб.
Принципы работы:
Термитной сваркой называют способ сварки, использующий тепло сжигаемой специальной смеси. Смесь порошкообразная, в ее состав входят:
- Оксиды железа в виде железной окалины;
- Порошкообразный алюминий.
Термит на основе алюминия используется для соединения стальных и чугунных изделий.
Термит с использованием оксида железа называется железоалюминиевый. Горение его протекает при температуре в пределах 2700 градусов Ц, что вполне достаточно для плавления железосодержащих сплавов.
Термитная сварка рельсов
Сущность этого технологического процесса практически не меняется уже свыше сотни лет:
Тигель перед началом сварки дополнительно просушивают кислород - пропановым пламенем с избытком кислорода кольцевыми движениями по спирали до верхних краев тигля в течение 55 - 60 с.
Затем на рельсы устанавливают и закрепляют комбинированную стойку, с помощью которой позиционируют горелку и тигель. Полуформы фиксируют относительно стыкового зазора так, чтобы его центр совпал с вертикальной осью литейной формы, а сами полуформы прилегали друг к другу без ступенек по периметру стыковки. Место контакта литейной формы с рельсом уплотняют формовочной смесью.
Перед подогревом проводят регулировку пламени до нормального горения: на газовых редукторах – давление пропана 0,1 МПа и кислорода – 0,50 МПа. После этого газовую горелку устанавливают на комбинированную стойку и начинают подогрев торцов рельсов в стыке.
До заливки формы расплавленным металлом торцы рельсов в стыке предварительно разогревают до температуры 1200–1250°C. Процесс плавления термитной смеси и выпуск расплавленного металла в литейную форму происходят автоматически через 20–28 секунд после начала термитной реакции. К этому моменту подогретые концы рельсов успевают остыть до 850–900 °C.
Жидкий металл является одновременно источником тепла и присадочным материалом, соединяющим концы рельсов 1.
Расплавленный металл поступает из тигля в форму и заполняет оставленный между торцами рельсов зазор. Иногда металл заливают через специальный литник. Постепенно заполняя зазор и свободное пространство между рельсами и стенками формы, металл расплавляет соприкасающиеся с ним стенки рельсов, а застывая, образует с рельсами одно целое - сварное соединение. Вытекаюший из тигля за металлом шлак стекает по желобу, оставляя над металлом лишь слой небольшой толщины - этот слой шлака предохраняет термитный металл от быстрого остывания, чем способствует более свободному выделению газов из жидкого металла и получению более плотного металла литого башмака.
После выпуска термитного металла в литейную форму тигель переносят на вспомогательную стойку. Демонтаж комбинированной стойки и литейной формы проводят после кристаллизации металла сварного шва, которая в зависимости от массы порции термитной смеси, длится 3,0–3,5 мин. Затем головку рельса очищают от песка металлической щеткой и с помощью гидравлического обрезного станка в горячем пластическом состоянии удаляют прибыльную часть сварного шва на головке рельса, после чего рабочую часть головки подвергают шлифованию.
Ориентировочное время остывания составляет 90 - 20 мин в зависимости от температуры окружающего воздуха.