Сварка рельсов. Способ сварки рельсовых стыков Способ сварки рельсовых стыков
Сварка рельсов вторым способом - оплавлением с предварительным прерывистым подогревом состоит из стадии прерывистого подогрева, стадии непрерывного оплавления; стадии осадки и сварки, стадии остывания сварных стыков. В этом способе в отличие от первого разогрев металла рельсов производится путем многократного циклического смыкания и размыкания рельсовых концов. Электроконтактная сварка обеспечивает наиболее высокое качество сварных стыков. Качество сварных стыков определяется степенью пластических деформаций и нагрева металла рельсов. В связи с этим первостепенной является обязательность строгого обеспечения режимов сварки, утверждаемых Главным управлением пути МПС.
7.3. Электродуговая сварка
При электродуговой сварке рельсы соединяют металлом электрода, который расплавляется от тепла дугового разряда.
Электродуговая сварка стыков не требует приложения осадочного давления. Для этой сварки используют переменный ток от трансформатора или постоянный ток от передвижного сварочного агрегата.
Лучшим способом электродуговой сварки является ванный способ, при котором концы рельсов, обрезанные перпендикулярно продольной оси, устанавливают без перелома в плане, а в профиле с возвышением 3-5 мм, и в таком положении закрепляют с зазором 14-16 мм.
Между торцами вводят электрод, через который пропускают ток в 300-350 ампер. Расплавленный металл электрода заполняет зазор между торцами по всему сечению рельса.
Чтобы расплавленный металл электрода не растекался, применяют инвентарные медные формы, которыми закрывается зазор снизу и с боков. Сваренные стыки шлифуют по всему периметру рельса. Качество сваренного стыка зависит от электродов и их обмазки, постоянства жидкого состояния металла до окончания процесса сварки, тщательности обработки шва.
Электродуговую сварку применяют только для рельсов, укладываемых на станционных путях, кроме главных и приемо-отправочных.
7.4. Газопрессовая сварка
Газопрессовая сварка обеспечивает соединение металла при температуре
ниже точки плавления с приложением давления.
Основным достоинством газопрессовой сварки рельсов является высокое качество соединения и получение однородной структуры металла в зоне стыка, поэтому данный вид сварки особенно выгоден в применении к более тяжелым типам рельсов.
Перед сваркой торцы двух рельсов приставляют плотно один к другому и вместе стыка одновременно прорезают торцы обоих рельсов дисковой пилой на рельсорезном станке или при помощи механической ножовки, что обеспечивает плотность прилегания торцов и чистоту металла. Непосредственно перед сваркой торцы рельсов должны быть тщательно промыты четыреххлористым углеродом или дихлорэтаном. Подготовка перед сваркой заключается в предварительном нагреве концов рельс.
Для нагрева рельса применяются многопламенные горелки типа МГ – 50Р,
МГ – 65Р, МГ – 75Р. Многопламенная горелка типа МГ – Р65 представлена на рисунке 1.3.
Рис.7.3: Многопламенная горелка МГ-Р65 (а) и ее ствол (б):
1 – верхняя часть горелки; 2 – колодки с отверстиями для газа; 3 – нижняя часть горелки; 4 – газопровод; 5 и 9 – трубопроводы для проточной воды; 6 – газовая скоба соединяющая 1 и 3; 7 – газовая распределительная камера; 8 – шнур с ниппелем; 10 – надставка, соединяющая ствол со смесительной камерой; 11 – смесительная камера; 12 – ствол горелки; 13 и 14 – штуцера для подачи газа к стволу.
Концы рельсов зажимают гидравлическим прессом и нагревают до температуры 1200 0 С системой многопламенных горелок, совершающих колебательные движения вдоль стыка (50 колебаний в минуту). Одновременно рельсы сжимаются с установленной расчетом силой (10 – 13 тонн) до получения осадки заданной величины (около 20 мм).
Для сварки применяются универсальные газопрессовые станки СГП – 8У или МГП – 9.
После сваривания производится обработка стыка, а затем его нормализация.
7.5. Алюмотермитная сварка
Создание высокоскоростных магистралей и бесстыкового пути устанавливает высокие стандарты качества к рельсам, особенно в местах их соединения. В полной мере этим стандартам отвечает алюмотермитная сварка рельсов.
Алюмотермитная сварка рельсов предназначена для соединения между собой в любом сочетании объемно-закаленных, поверхностно-закаленных и термически не упрочненных рельсов.
Сварка стыков рельсовых плетей и стыков (кроме изолирующих) стрелочных переводов, уложенных на деревянных или железобетонных шпалах и брусьях, может производиться на главных, приемо-отправочных, станционных и горочных путях железных дорог Российской Федерации, на подъездных путях промышленных предприятий, а также в метрополитене.
В основе этого процесса лежит термитная реакция, открытая в 1896 году профессором Гансом Гольдшмидтом, и представляющая собой химическую реакцию восстановления чистого железа из его окиси при помощи алюминия с выделением большого количества тепла:
Fe 2 O 3 + 2Al => 2Fe + Al 2 O 3 + 849 кДж
Термитная реакция происходит в тигле в течение нескольких секунд после поджига термитной порции, состоящей из смеси порошкового алюминия, оксида железа, частиц стали, демпфирующих реакцию, и легирующих добавок, необходимых для получения стали нужного качества. Реакция проходит при температуре свыше 2000 o С с конечным послойным разделением продуктов реакции: жидкой стали (снизу) и легкого шлака (сверху).
В России ВНИИЖТ совместно с иностранными фирмами Снага (Словакия), Электро-Термит (Германия), Рельтех (Чехия и Франция) выполняют работы, связанные с термитной сваркой рельсовых элементов в зоне соединительных путей. При укладке бесстыкового пути термитный способ сварки рельсов (рис.1.4.) играет ведущую роль. В настоящее время в зоне стрелочных переводов он является основным методом соединения рельсов. Это экономически выгодная технология, отличающаяся большой гибкостью применения. В большинстве случаев сварку можно проводить без закрытия перегона. Технология фирмы «Электро-Термит», получив наибольшее распространение по сравнению с другими фирмами, представляет на рынке России два основных метода электро-термитной сварки, а именно так называемый, метод СоВоС (SoWoS) и метод СкФау (SkV) (рис.1.5).
Теперь вот побывал в депо Печатники, где находится целый рельсосварочный завод.
Обожаю снимать всякий такой индастриал, давайте посмотрим как это делается.
01. В метро и на скоростных участках железных дорог обычно применяют безстыковый путь. Он позволяет снизить шум и вибрацию, и увеличить скорость движения поездов. Отрезки рельс свариваются, и шлифуются во время их укладки. Как это происходит на перегонах я недавно показывал в двух подробных репортажах. Но времени для проведения таких работ обычно очень мало, целесообразней привозить сваренные плети, максимально возможной для перевозки длины, которая может составлять до 138 метров.
02. Поэтому рельсы сваривают на специальном заводе. В Московском метро такой завод есть в электродепо Печатники. В 2013 году он прошёл реконструкцию и его производительность поднялась со 150 до 220 километров рельса в год. Метро в Москве активно строят, рельсов нужно много и как можно скорей.
05. Короткие куски рельс, те что вы видите на заглавной картинке, помещают на специальный конвейер, которых на заводе два.
07. Будущая плеть медленно продвигается по конвейеру, проходя несколько ключевых этапов.
08. В нужных местах будущей плети просверливаются отверстия для стыков: путь не может быть безстыковым по всей длине, обычно его участки имеют длину от 250 метров, до нескольких километров, и их соединяют обычными креплениями.
09. Один из самых важных этапов — сварка фрагментов рельса. На заводе она производится с помощью электросварки, а не термита, как на перегоне. Ток напряжением всего 6 вольт, но огромной силы разогревает металл до 2000 градусов Цельсия. Этот же станок срезает с места стыка лишний металл. После чего место стыка проверяется специалистом.
10. На следующем этапе место сварки начисто шлифуют в специальной камере. Вручную. Тяжелая и шумная работа в условиях закрытого пространства.
11. Плеть движется дальше и вот место стыка оказывается в станке лазерной термообработки. Металл снова нагревается до 850 градусов, и быстро охлаждается воздухом. Это делается, что бы устранить возможные микротрещины в металле и повторно закалить место стыка.
12. Процесс управляется компьютером.
13. После лазерной термообработки место стыка охлаждается водой до 40 градусов.
14. Последний этап заводской сварки рельса — ультрозвуковая дефектоскопия. На этом этапе проверяется качество получившейся плети, и отсутствия в ней микротрещин, которые могли бы повлиять на прочность рельса при эксплуатации. Эту процедуру, в последствии, повторяют на перегонах регулярно с помощью передвижных дефектоскопических комплексов. Но это уже тема отдельного репортажа.
16. Готовые плети, их длина, как я выше писал достигает 138 метров, вывозят на строящиеся или ремонтируемые перегоны с помощью мотовозов и специальных прицепных тележек
20. Машина для крепления рельс к шпалам.
21. Мотовозы в депо рядом с заводом ждут ночи, чтобы перевезти готовые рельсовые плети на перегоны.
Теперь и вы знаете как это делается)).
Мои другие репортажи по теме
Сварка рельсовых стыков весьма востребована на сегодняшний день. Как известно, когда подвижной состав проходит сборные стыки, они начинают с высокой скоростью расстраиваться. При этом исчезает плавный ход, из-за чего разрушается верхнее покрытие железнодорожного пути. А данный вариант поможет исправить ситуацию.
Основные характеристики
Требуется прокладывать рельсовые пути, которые имеют сваренные стыки, на любых видах путей, в результате получается бесстыковой рельс.
Рельсовая нить разрывается именно в местах, где образован стык. Такой разрыв, даже при установке стыковых накладок, оказывает большое влияние на жесткость конструкции, начинают увеличиваться просадки.
В результате при прохождении подвижного состава рельсового стыка колесо ударяется о головку торца принимающего рельса. Из-за многочисленных ударов в стыковые соединения начинает быстро изнашиваться ходовая часть вагонов, а также уложенных рельсов. За счет сильных ударов колесной пары по набегающему рельсу появляется сколы рельсовых головок и их сминание. Обычно такие дефекты обнаруживаются в 60 см от места стыка. Рельсы начинают ломаться в болтовых отверстиях, изгибаются накладки, деформируются стыковые болты. Все перечисленные недостатки не касаются бесстыкового пути, причем он обладает несколькими положительными качествами:
- почти на 30% снижаются затраты на обслуживание рельсового пути;
- значительно экономится электроэнергия, снижается расход топлива примерно на 10%;
- увеличивается срок эксплуатации верхних путей,
- подвижной состав может работать намного дольше;
- пассажиры испытывают больший комфорт при движении поезда;
- становится надежнее работа автоблокировки и электроцепей.
За счет таких положительных качеств бесстыковой вариант был принят на вооружение всеми главными железнодорожными линиями в мире.
Иногда выбор определенного вида зависит от стоимости работ и производительности. Такой выбор влечет за собой появление в особо ответственных конструкциях сварочных соединений, качество которых находится на очень низком уровне.
Читайте также:
Вернуться к оглавлению
Чтобы получить отличное сварное соединение, требуется иметь материал с хорошей свариваемостью. В основном свариваемость характеризует свойства металла, существующую реакцию на сварочный процесс, а также способность получать такое сварочное соединение, которое будет отвечать всем заданным технологическим требованиям.
Когда детали выполнены из материала, свободно поддающегося сварочному процессу, с получением высококачественного шва особых условий не требуется. Но для деталей из плохо свариваемого материала требуются дополнительные технологические условия. Иногда применяется специальный вид сварки, который намного дороже и сложнее. Причем выполнение работ требует строгого соблюдения технологического процесса.
Сварка рельсов востребована на сегодняшний день так как рельсовая нить разрывается и быстро изнашиваться ходовая часть вагонов.
В состав стали для рельсов входит очень много углерода, почти 82%. Этот материал относится к группе материалов, имеющих плохую свариваемость. При сварке возможно появление трещин, что совершенно недопустимо на рельсах. В них концентрируется напряжение, которое может привести к разрушению стыкового соединения и крушению состава.
Сегодня известно два вида сварки рельсовых стыков:
- контактная;
- алюмотермитная.
Большое распространение получила , однако у нее есть несколько серьезных недостатков, ограничений, когда проводятся ремонтные работы железнодорожных путей:
- для сварки требуются специальные рельсосварочные машины, стоящие очень дорого;
- длительности доставки оборудования и его последующая эвакуация;
- для проведения работ необходимо задействовать многочисленные бригады;
- за неимением большого количества времени, приходится постоянно выполнять работу без соблюдения технологического процесса, в результате чего стык получается очень низкого качества;
- невозможно выполнить сварку стыка прямо в том месте, где переводятся стрелки.
Контактная сварка стыков проигрывает алюминотермитной сварке рельсов. Для нее необходимо иметь:
- сложное и очень дорогое оборудование;
- многочисленную бригаду;
- перерывы при движении поездов.
Алюминотермитная сварка рельсов делается очень быстро. На операцию уходит примерно полминуты. Если считать подготовительные работы и завершающую обработку сварочного шва, требуется около 45 минут.
Надо сказать, что такая сварка позволяет одновременно сваривать несколько стыков, в результате сокращается время, затраченное на работу.
Для сварки стыка необходимо три человека. Их обучение проходит в самые короткие сроки. Масса применяемого оборудования достигает 350 кг. Для проведения сварочных работ, когда используется алюмотермитная сварка и проводятся другие специальные операции, применяются автономные источники подачи топлива.
Чтобы проводить алюминотермитную сварку рельсов, инженерами было создано переносное миниатюрное оборудование, которое может функционировать в автономном режиме прямо в полу.
Технологи смогли подобрать определенный состав термитного раствора и его зернистость. Это помогло добиться термитной реакции, при которой не возникает взрывов, не наблюдается затухания и поддерживается самая оптимальная скорость и нужная температура всех материалов, участвующих в реакции.
Алюминотермитная сварка состоит из нескольких основных технологических шагов:
- начального высокотемпературного подогрева;
- окончательной сварки рельсов.
При проведении монтажных и ремонтных работ на участках железнодорожного полотна, а также в схожих условиях, связанных с прокладкой рельсовых ниток, применяются специальные технологии сварки.
Особенности технологий сварки рельсов выражаются в повышенных требованиях к эксплуатационной надёжности соединений, а также их устойчивости к механическим нагрузкам.
Сварка рельсовых стыков относится к разряду особо ответственных мероприятий, организация и проведение которых невозможны без привлечения оборудования и современных сварочных механизмов.
Основными видами сварочных технологий, применяемых при монтаже и ремонте рельсов, являются:
- электроконтактная сварка;
- электродуговой метод;
- термитная обработка (алюминотермитная сварка рельсов);
- современная газо-прессовая сварка.
Каждый из этих методов отличается определёнными достоинствами и недостатками. Для более полного ознакомления с ними рассмотрим каждый из перечисленных способов сварки более подробно.
Электроконтактный способ
Электроконтактный подход к соединению стыков рельсов основывается на их сильном нагреве и последующем расплаве посредством электрической дуги, которая формируется значительным по величине током низкого напряжения.
Для реализации метода используют специальные машинные комплексы, работающие в автоматическом режиме (МСГР-500, МС-5002 или К-190, например).
Подлежащие обработке рельсы перед началом сварки укладываются либо непосредственно на путях, либо же с небольшим смещением внутри ветки или снаружи колеи (на удалении порядка 260 сантиметров от её оси).
При этом сам сварочный механизм перемещается по восстанавливаемой нитке, то есть представляет собой самоходную рельсосварочную станцию.
В процессе её работы используются сменные контактные головки различного типа, обеспечивающие необходимые режимы сварки (непрерывное оплавление или прерывистый разогрев контактов).
Электродуговой метод
Дуговая бесконтактная сварка относится к наиболее распространенным методикам, применяемым при сопряжении стыков рельсовых ниток.
Согласно этому подходу рельсы сначала укладывают с небольшим зазором, после чего их концы проваривают металлом электродов, расплавляемых посредством дугового разряда. Этот вид бесконтактной сварки не нуждается в приложении избыточного осадочного давления и реализуется с помощью переменного или постоянного токов, поступающих от передвижной сварочной станции.
Наиболее эффективным способом реализации дуговой сварки рельс является так называемый «ванный» метод, согласно которому заранее обрезанные поперёк продольной оси рельсы укладываются строго по линии путей с небольшим возвышением и с зазором приблизительно 14-16 миллиметров.
Между торцами уложенных таким образом рельсовых заготовок вводится рабочий электрод с последующим пропусканием через него тока порядка 300-350 ампер.
В результате такого воздействия расплавленная масса равномерно растекается по зазору и полностью заполняет его. Для предотвращения её стекания наружу зазор между рельсами закрывается специальными блокирующими ограждениями. По завершении сварки образовавшиеся швы шлифуются по всей площади стыка.
Термитная обработка
Алюминотермитная технология проверена временем.. В основу применения термитной сварки рельс заложена восстанавливающая реакция, происходящая при контакте основания (алюминия) с ещё одой составляющей – окисью железа.
Возникающий в результате этого металл (восстановленное железо) при рабочих температурах порядка 2000 градусов заливается в специальную огнеустойчивую форму, совпадающую с геометрией свариваемых рельсов.
Указанная реакция сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии.
Сваривать рельсы по термитному методу начали очень давно (с середины 19-го века), однако уже с тех пор этот вид сварки из-за применения алюминия стал называться алюминотермитным.
Важно отметить, что описываемая химическая реакция после поджога специального высокотемпературного горючего (термита) длится лишь несколько секунд.
Помимо двух рассмотренных составляющих (окиси железа и алюминия) в состав рабочей сварной смеси вводятся легирующие добавки и мелкие стальные частицы, слегка тормозящие или демпфирующие протекающий процесс. Добавки необходимы для того, чтобы сталь в зоне сварки приобрела требуемые качества и параметры, характерные для большинства рельсовых изделий.
При рассмотрении особенностей этого вида сварочного процесса следует отметить, что по завершении реакции общая химическая масса разделяется на две фракции: жидкий металл и лёгкий шлак, всплывающий в верхнюю часть формы.
Термитаня технология позволяет сочленять между собой следующие виды путевых изделий:
- поверхностно-закалённые рельсовые заготовки;
- объёмно-закалённые стыкующиеся части рельс,
- не прошедшие специальную термическую обработку рельсы в любых комбинациях.
Данный вид сварки обеспечивает выполнение требований основных стандартов, предъявляемых к высокоскоростным рельсовым магистралям, в части соблюдения нормативов сварочных технологий.
Газопрессовой способ
Эта технология сварки основывается на соединении металлических стыков рельс при относительно низких температурах (заметно ниже границы плавления), но при достаточно высоком давлении.
К основным преимуществам газопрессового метода следует отнести однородность структуры материала в зоне сварки, а также высокую прочность получаемого сочленения.
Благодаря перечисленным достоинствам, этим методом можно эффективно «варить» даже очень тяжёлые и габаритные железнодорожные изделия. Перед сваркой концы таких рельсов плотно пристыкуются один к другому, после чего посредством специального инструмента (рельсорезного станка с дисковой пилой или механической ножовки) осуществляется одновременный их рез.
В результате подготовительных операций обеспечивается требуемая плотность прилегания торцевых частей рельсов с высокой чистотой металлического сопряжения.
Помимо этого, непосредственно перед самим свариванием торцы обрабатываются дихлорэтаном или четыреххлористым углеродом. На этапе подготовки рельс к сварке их концы нагреваются до необходимой температуры посредством специальных комбинированных горелок, обеспечивающих получение достаточной температуры.
После тщательного разогрева концы рельсов зажимаются посредством гидравлического пресса особой конструкции и продолжают разогреваться до 1200 градусов.
В процессе сварки корпуса горелок слегка смещаются относительно обрабатываемого стыка (совершают небольшие колебательные движения). Частота таких периодических перемещений, как правило, не превышает 50-ти колебаний в одну минуту.
Одновременно с этими перемещениями газовой горелки рельсы сжимаются гидравлическим прессом с усилием от 10-ти до 13-ти тонн, точное значение которых определяется путём специальных расчетов. По результатам такой обработки свариваемый металл в месте стыка осаждается примерно на 20 миллиметров.
Для реализации описанной технологической цепочки применяется специальное газопрессовое оборудование (универсальные станки).
По завершении всего комплекса газосварочных операций готовый стык тщательно зачищается от шлаков, а затем приводится к нормальному виду (говорят, что осуществляется его «нормализация»).
Итак, рассмотренные ключевые методики сварки рельсовых стыков применяются в соответствие с техническими требованиями и условиями проведения ремонтно-восстановительных мероприятий.
Из всех подходов особо выделяется алюмотермитная сварка, как максимально отвечающая современным требованиям к бесконтактному восстановлению рельсов или прокладке железнодорожных веток. Именно термитный способ наиболее часто применяется при сооружении и ремонте современных транспортных магистралей.