RU2073075C1

RU2073075C1 - Railroad rail

Info

Publication number: RU2073075C1
Authority: RU
Inventors: Генрих Майорович Кацнельсон; Евгений Генрихович Кацнельсон
Original assignee: Генрих Майорович Кацнельсон; Евгений Генрихович Кацнельсон
Priority date: 1992-07-22
Filing date: 1992-07-22
Publication date: 1997-02-10

Abstract

FIELD: railroad transport and rail rolling. SUBSTANCE: railroad has head 1, rail foot 2 and rail web 3 whose middle part has increased thickness over the entire length of the rail. Rail ends have bolt holes in web 3 intended for joint with other rails. Thickness of the middle increased thickness part of web having bolt holes equals 1.3-1.8 of web thickness. In the middle part of increased thickness, symmetrical to horizontal plane running through axes of bolt holes, smooth is made with height equalling 0.5-0.65 diameter of bolt hole. Depth of hollow does not exceed the thickness of one-side increased thickness of web middle part. EFFECT: higher efficiency. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и к прокатному производству. The invention relates to railway transport and rolling production.

В качестве ближайшего прототипа настоящего изобретения принят железнодорожный рельс типа Р65 по ГОСТ 16210-77. As the closest prototype of the present invention adopted the rail rail type P65 according to GOST 16210-77.

Известная конструктивная форма сечения железнодорожного рельса порождает два основных его недостатка:
1) В процессе производства рельса известного устройства по всей длине его головки неизбежно возбуждаются значительные по величине остаточные растягивающие напряжения, сокращающие продолжительность его эксплуатации;
2) В рельсах известного устройства часто возникают опасные косые трещины, берущие начало от болтовых отверстий в шейке, которые, в свою очередь, образуются под действием значительных скалывающих (касательных) напряжений и часто повторяющихся ударных нагрузок, возникающих в рельсовых стыках при перекатывании через них колес локомотива и поезда.The well-known structural form of the cross section of the railway rail generates two of its main disadvantages:
1) In the process of manufacturing a rail of a known device along the entire length of its head, significant residual tensile stresses are inevitably excited, reducing the duration of its operation;
2) In the rails of the known device, dangerous oblique cracks often arise, originating from bolt holes in the neck, which, in turn, are formed under the influence of significant shearing (tangential) stresses and often repeated shock loads that occur in the rail joints when the wheels roll through them locomotive and train.

Рассмотрим указанные недостатки более подробно. Consider these shortcomings in more detail.

На заключительном этапе процесса горячей прокатки железнодорожных рельсов из-за значительной разницы в толщине отдельных элементов сечения раската по головке, шейке и подошве их температура оказывается весьма различной. В то время, как массивные (с минимальным отношением поверхности охлаждения к площади своего сечения) головка и средняя часть подошвы к концу процесса сохраняют относительно высокую температуру металла (порядка 920 980^o C), более тонкие элементы сечения профиля средняя часть шейки и концы подошвы - из-за повышенных теплопотерь в предыдущих проходах имеют пониженнуюсреднемассовую температуру металла (порядка 760 830^oC).At the final stage of the hot rolling process of railway rails, due to the significant difference in the thickness of individual elements of the section of the roll along the head, neck and sole, their temperature is very different. While the massive (with a minimum ratio of the cooling surface to the area of its cross-section) head and middle part of the sole by the end of the process retain a relatively high metal temperature (of the order of 920 980 ^o C), the finer profile section elements the middle part of the neck and the ends of the sole - due to increased heat loss in the previous passages have a lower average mass temperature of the metal (about 760 830 ^o C).

Более интенсивное охлаждение этих элементов сечения рельсового раската является следствием повышенного отношения поверхности охлаждения к площади сечения средней части шейки и концевых участков подошвы в последних 5 7 проходах при горячей прокатке. При этом, как известно, основная часть теплопотерь происходит вследствие интенсивного теплового излучения поверхностными слоями металла этих элементов сечения. Кроме того, на шейку рельсового раската в последних проходах попадает вода, стекающая с верхнего рабочего валка, которая, находясь в своеобразном желобе между головкой и подошвой, дополнительно интенсивно ее охлаждает. More intensive cooling of these elements of the section of the rail roll is a consequence of the increased ratio of the cooling surface to the cross-sectional area of the middle part of the neck and end sections of the sole in the last 5 7 passes during hot rolling. In this case, as is known, the bulk of heat loss occurs due to intense thermal radiation from the surface layers of the metal of these section elements. In addition, water flowing from the upper work roll, which, being in a kind of groove between the head and the sole, additionally intensively cools it, gets onto the neck of the rail roll in the last passes.

В результате указанных потерь тепла после окончания горячей прокатки между наиболее горячими элементами сечения рельсового раската (головкой и средней частью подошвы) и наиболее "холодными" частями сечения (средней частью шейки и концами подошвы) возникает значительный температурный перепад - порядка 130 170^oC, а иногда и более.As a result of these heat losses after the end of hot rolling between the hottest elements of the rail section (the head and the middle part of the sole) and the “coldest” sections (the middle part of the neck and the ends of the sole), a significant temperature difference occurs - about 130 170 ^o C, and sometimes more.

После полного охлаждения металл каждого элемента сечения рельса приобретает одинаковую температуру, равную температуре окружающей среды. After complete cooling, the metal of each element of the rail section acquires the same temperature equal to the ambient temperature.

Свободная температурная усадка металла каждого элемента сечения рельса при этом должна была бы быть различной, пропорциональной разнице между исходной температурой горячего металла данного элемента сечения в конце процесса прокатки и конечной температурой окружающей среды, которую воспримет полностью охлажденный рельс. The free temperature shrinkage of the metal of each element of the section of the rail in this case should be different, proportional to the difference between the initial temperature of the hot metal of this element of the section at the end of the rolling process and the final ambient temperature that a completely cooled rail will perceive.

После холодной правки неразрывно связанные друг с другом головка, шейка и подошва получают одинаковую длину. Такое положение оказывается возможным только потому, что металл головки и средней части подошвы переводится в состояние упругого растяжения по длине, которое вызывается и уравновешивается упругим продольным сжатием металла средней части шейки и концов подошвы. After cold dressing, the head, neck and sole are inextricably linked to each other and get the same length. This situation is possible only because the metal of the head and the middle part of the sole is translated into a state of elastic extension along the length, which is caused and balanced by the longitudinal longitudinal compression of the metal of the middle part of the neck and the ends of the sole.

Вследствие этого в металле головки и средней части подошвы возникают продольные остаточные растягивающие напряжения, а по шейке и концам полок подошвы возникают соответственно сжимающие остаточные напряжения. As a result of this, longitudinal residual tensile stresses occur in the metal of the head and the middle part of the sole, and compressive residual stresses arise along the neck and ends of the sole flanges.

Многочисленными исследованиями установлено, что остаточные продольные растягивающие напряжения в головке приводят к заметному сокращению продолжительности эксплуатации рельсов, поскольку они способствуют повышению износа рабочих поверхностей головки, приближают момент наступления контактной усталости металла, а также способствуют образованию и развитию дефектов в головке. Numerous studies have found that residual longitudinal tensile stresses in the head lead to a noticeable reduction in the duration of operation of the rails, since they contribute to increased wear on the working surfaces of the head, approximate the onset of contact fatigue of the metal, and also contribute to the formation and development of defects in the head.

Помимо того, при возникновении вертикальных сжимающих напряжений в металле головки рельса, появляющихся от давления колеса, и одновременного наличия продольных остаточных растягивающих напряжений в металле головки возникает плоская схема напряженного состояния с главными напряжениями разных знаков, при которой снижается сопротивление металла наступлению пластической деформации. Чем выше сумма абсолютных значений этих двух главных нормальных напряжений, тем самым, вероятнее наступление необратимых деформаций. In addition, with the occurrence of vertical compressive stresses in the metal of the rail head arising from wheel pressure and the simultaneous presence of longitudinal residual tensile stresses in the head metal, a planar stress state appears with principal stresses of different signs, at which the metal resistance to plastic deformation decreases. The higher the sum of the absolute values of these two main normal stresses, the more likely the onset of irreversible deformations.

Так, например, исследованиями Носкова М.М. и Раузина Я.Р. Пути повышения работоспособности рельсов и крестовин: Науч. труды (ЦНИИ МПС, М. Транспорт, 1971, вып. 434, с. 70 78) установлено, что знак и величина остаточных напряжений в головке рельсов оказывают существенное влияние на предел контактной выносливости. Остаточные растягивающие напряжения в поверхностном слое головки величиной в 860 МПа в 5 раз снижают предел контактной выносливости, в то время как сжимающие остаточные напряжения в 320 МПа повышают его на 30% по сравнению с рельсами, не имеющими в поверхностном слое остаточных напряжений. So, for example, the research of Noskov M.M. and Rauzina Y.R. Ways to improve the performance of rails and crosspieces: Scientific. Proceedings (Central Research Institute of the Ministry of Railways, M. Transport, 1971, issue 434, p. 70 78) established that the sign and magnitude of the residual stresses in the rail head have a significant effect on the contact endurance limit. Residual tensile stresses in the surface layer of the head of 860 MPa value reduce the contact endurance by 5 times, while compressive residual stresses of 320 MPa increase it by 30% compared to rails that do not have residual stresses in the surface layer.

В работе других авторов Шура Е.А. Конюхова А.Д. Остаточные напряжения и прочность железнодорожных рельсов. Научн. труды (ЦНИИ МПС. М. Транспорт, 1973, вып. 491, с. 69 77) установлено, что остаточные растягивающие напряжения в металле головки рельсов приводят к резкому снижению предела выносливости, уменьшению числа циклов нагружения до момента зарождения усталостных трещин, а также до полного износа рельсов, уменьшению критического размера усталостной трещины и сокращению живучести закаленных рельсов. In the work of other authors Shura E.A. Konyukhova A.D. Residual stresses and strength of railway rails. Scientific Proceedings (Central Research Institute of the Ministry of Railways. M. Transport, 1973, issue 491, p. 69 77) established that residual tensile stresses in the metal of the rail head lead to a sharp decrease in the fatigue limit, a decrease in the number of loading cycles until the initiation of fatigue cracks, and also to complete wear of the rails, reducing the critical size of the fatigue crack and reducing the survivability of hardened rails.

Исследованиями Люблинского С.П. Изв. Вузов. Черная металлургия. 1982, N 2, с. 121 123, показано, что остаточные растягивающие напряжения в металле головки рельсов способствует увеличению износа в процессе эксплуатации, т.е. снижают ресурс их работы. The studies of Lublinsky S.P. Izv. Universities. Ferrous metallurgy. 1982, N 2, p. 121 123, it is shown that residual tensile stresses in the metal of the rail head contribute to increased wear during operation, i.e. reduce the resource of their work.

В работе Л.И.Мелантьева, В.Л.Порошина, С.И.Фадеева. Содержание и ремонт рельсов. М. Транспорт, 1984, с. 231 (стр. 142) установлено, что в головке наиболее часто используемых рельсов Р65 величина остаточных растягивающих напряжений составляют 150 170 МПа, что отрицательно оказывается на их работоспособность. In the work of L.I. Melantiev, V.L. Poroshin, S.I. Fadeev. Maintenance and repair of rails. M. Transport, 1984, p. 231 (p. 142) it was found that in the head of the most commonly used R65 rails, the value of residual tensile stresses is 150,170 MPa, which negatively affects their performance.

Известны способы снижения остаточных растягивающих напряжений в головке рельсов. Known methods for reducing residual tensile stresses in the rail head.

Так, согласно изобретению, сотрудников французской фирмы Сасилор Р.И. Лероша, И. Бурдона и А.Фаесселя, авт. св. 1232125, рельсовую полосу после прокатки и охлаждения подвергают растяжению до появления по всей длине остаточного удлинения не ниже 0,27% в результате чего в условиях наступления пластического состояния металла по всему сечению рельсовой полосы резко сокращаются остаточные растягивающие напряжения в головке (эффект релаксации). So, according to the invention, employees of the French company Sasilor R.I. Leroche, I. Bourdon and A. Faessel, ed. St. 1232125, the rail strip after rolling and cooling is subjected to stretching until a residual elongation of at least 0.27% appears along the entire length of the metal; as a result of the onset of the plastic state of the metal, the residual tensile stresses in the head sharply decrease over the entire section of the rail strip (relaxation effect).

Для реализации этого способа необходимо располагать соответствующим оборудованием для размещения длинного рельсового раската, устройствами для его пластического растяжения и последующей холодной резки на мерные длины. Подобного оборудования в рельсобалочных цехах отечественных металлургических предприятий нет. To implement this method, it is necessary to have the appropriate equipment to accommodate a long rail roll, devices for its plastic stretching and subsequent cold cutting into measured lengths. There is no similar equipment in the rail and beam shops of domestic metallurgical enterprises.

Известен патент Японии N 59-53628 (кл. C 21 9/04), согласно которому для снятия остаточных растягивающих напряжений на концевых участках головки рельса, которые работают в особо неблагоприятных условиях из-за значительных ударных нагрузок вблизи стыков, их подвергают дополнительной термообработке. Согласно указанному патенту каждый конец рельса нагревают до 1300^oC, при которой металл переводится в пластическое состояние и за счет этого полностью освобождается от остаточных напряжений. Затем за счет выборочного по сечению интенсивного охлаждения отдельных элементов сечения сжатым воздухом или паром в головке рельса инициируют появление полезных сжимающих напряжений.Known Japanese patent N 59-53628 (class C 21 9/04), according to which to relieve residual tensile stresses at the end sections of the rail head, which operate in particularly adverse conditions due to significant shock loads near the joints, they are subjected to additional heat treatment. According to the said patent, each end of the rail is heated to 1300 ^o C, at which the metal is transferred to a plastic state and due to this is completely freed from residual stresses. Then, due to selective cross-sectional intensive cooling of individual section elements with compressed air or steam in the rail head, the use of useful compressive stresses is initiated.

Реализация этого способа требует специального термического оборудования. Кроме того, одновременно с возбуждением в металле головки остаточных сжимающих напряжений, в шейке неизбежно будут образовываться остаточные растягивающие напряжения, которые, в свою очередь, способствуют возникновению и развитию опасных косых трещин, берущих свое начало от внутренней поверхности болтовых отверстий. The implementation of this method requires special thermal equipment. In addition, simultaneously with the excitation of residual compressive stresses in the metal head, residual tensile stresses will inevitably form in the neck, which, in turn, contribute to the occurrence and development of dangerous oblique cracks originating from the inner surface of the bolt holes.

Для уменьшения склонности к образованию трещин, идущих от болтовых отверстий и пересекающих их под углом 45^o, т.е. по направлению действия максимальных скалывающих напряжений, используют специальные предупредительные меры снятие фасок с обеих сторон каждого болтового отверстия, а также обкатывание металла (с наклепом) вокруг отверстия. Однако, несмотря на эти предупредительные меры, выход железнодорожных рельсов из строя из-за появления косых трещин, пересекающих болтовые отверстия, остается одной из наиболее часто встречающихся причин отказа рельсов и аварий (М.А.Фришман, Н.А.Пономаренко, С.И.Финицкий. Конструкция железнодорожного пути и его содержание М: Транспорт, 1980 -414 стр. см. стр. 57, а также: Черная металлургия. Бюл. научно-технической информации. Металлургия, М. Черметинформация, 1990, вып. 12, с. 52 56, см. стр. 55).To reduce the tendency to the formation of cracks coming from the bolt holes and intersecting them at an angle of 45 ^o , i.e. in the direction of the maximum shearing stresses, special precautionary measures are used to remove bevels on both sides of each bolt hole, as well as to roll in metal (with hardening) around the hole. However, despite these precautionary measures, the failure of railway rails due to the appearance of oblique cracks crossing bolt holes remains one of the most common causes of rail failure and accidents (M.A. Frishman, N.A. Ponomarenko, S. I. Finitsky, The design of the railway track and its contents M: Transport, 1980 -414 p. See p. 57, as well as: Ferrous metallurgy. Bull. Of scientific and technical information. Metallurgy, M. Chermetinformation, 1990, issue 12, p. 52 56, see p. 55).

Указанный вид разрушения железнодорожных рельсов (по классификации МПС - дефекты 53,1 и 53,2) возникает в результате концентрации максимальных скалывающих напряжений вблизи ослабленного болтовым отверстием наиболее тонкого участка сечения шейки и одновременно влияния многократных ударных нагрузок, возникающих при перескакивании колес с одного рельса на другой по месту стыкуемого соединения. The specified type of destruction of railway rails (according to the MPS classification - defects 53.1 and 53.2) arises as a result of the concentration of maximum shear stresses near the thinnest section of the neck section weakened by the bolt hole and at the same time the influence of multiple shock loads that occur when the wheels jump from one rail to another in the place of the joined joint.

Рельс обычно уподобляют балке, воспринимающей изгибающий момент, в которой наибольшие рабочие напряжения возникают в крайних волокнах поперечного сечения в головке и подошве. При этом часто упускают из вида, что опоры рельсов (шпалы) располагаются с относительно малым шагом. А в этих условиях (при коротких балках) определяющее значение приобретают перерезывающие силы и вызываемые ими скалывающие напряжения, максимальные значения которые получают вблизи нейтральной горизонтальной плоскости рельса, т.е. как раз по месту расположения болтовых отверстий. The rail is usually likened to a beam that receives a bending moment, in which the greatest working stresses occur in the extreme fibers of the cross section in the head and sole. It is often overlooked that the rail supports (sleepers) are arranged in relatively small increments. And under these conditions (with short beams), the cutting forces and the shear stresses caused by them, the maximum values that are obtained near the neutral horizontal plane of the rail, become critical. just at the location of the bolt holes.

Наиболее близким к предложенному является железнодорожный рельс по патенту Германии N 23289, кл. НКИ 19a 11/02, 1883 г, содержащий головку, подошву и шейку, в средней части которой по всей длине рельса выполнено утолщение, имеющий по концам болтовые отверстия в шейке для стыковых соединений. Closest to the proposed is the rail according to German patent N 23289, class. NKI 19a 11/02, 1883, containing a head, sole and neck, in the middle part of which a thickening is made along the entire length of the rail, having bolt holes in the neck for butt joints at the ends.

Цель изобретения состоит в увеличении срока службы железнодорожного рельса, обеспечиваемого за счет уменьшения величины остаточных растягивающих напряжений в металле головки, и устранения косых трещин, берущих свое начало от болтовых отверстий в шейке. The purpose of the invention is to increase the service life of the railway rail, provided by reducing the magnitude of the residual tensile stresses in the metal of the head, and eliminate oblique cracks originating from bolt holes in the neck.

Поставленная цель достигается тем, что толщина среднего утолщенного участка шейки, в котором расположены болтовые отверстия, составляет 1,3 1,8 толщины шейки. А также тем, что в средней части утолщения симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей через оси болтовых отверстий выполнена плавная выемкавысотой 0,5 0,65 диаметра болтового отверстия, а глубина выемки не превышает толщины одностороннего утолщения средней части шейки. This goal is achieved in that the thickness of the middle thickened portion of the neck, in which the bolt holes are located, is 1.3 to 1.8 thickness of the neck. And also by the fact that in the middle part of the thickening symmetrically with respect to the horizontal plane passing through the axis of the bolt holes, a smooth recess is made with a height of 0.5 0.65 of the diameter of the bolt hole, and the depth of the recess does not exceed the thickness of the one-sided thickening of the middle part of the neck.

За счет изготовления железнодорожных рельсов с местным утолщением шейки обеспечивается существенное увеличение температуры металла в средней части шейки к моменту окончания процесса горячей прокатки. Оно, в свою очередь, объясняется двумя причинами: во-первых, благодаря местному утолщению в средней части шейки лучше сохраняется тепло (поскольку сокращается отношение поверхности охлаждения к площади сечения указанного участка шейки), а во-вторых, стекающая с верхнего рабочего валка вода не задерживается на выступающем вверх утолщенном участке шейки и вследствие этого меньше его охлаждает. Due to the manufacture of railway rails with local neck thickening, a significant increase in the temperature of the metal in the middle part of the neck is achieved by the time the hot rolling process is completed. It, in turn, is explained by two reasons: firstly, due to local thickening in the middle part of the neck, heat is better preserved (since the ratio of the cooling surface to the cross-sectional area of the specified portion of the neck is reduced), and secondly, the water flowing from the upper work roll lingers on the protruding thickened section of the neck and as a result less cools it.

В результате уменьшается разница между среднемассовой температурой металла головки и шейки, т.е. сокращается исходный температурный перепад по сечению рельсового раската. Кроме того, по утолщенному участку в средней части шейки уменьшается скорость охлаждения после окончания прокатки и, тем самым, отдаляется момент перехода металла шейки в упругое состояние. As a result, the difference between the mass-average temperature of the metal of the head and neck decreases, i.e. the initial temperature difference across the rail section is reduced. In addition, the cooling rate after the end of rolling decreases over a thickened section in the middle part of the neck and, thereby, the moment of transition of the neck metal to the elastic state is delayed.

Все это, в конечном счете, приводит к некоторому выравниванию процессов охлаждения шейки и головки (подошвы), а, следовательно, обеспечивает уменьшение остаточных напряжений, в том числе нежелательных растягивающих напряжений в головке рельса. All this, ultimately, leads to some alignment of the cooling processes of the neck and head (sole), and, therefore, provides a reduction in residual stresses, including unwanted tensile stresses in the rail head.

За счет этого обеспечивается повышение износостойкости металла головки, снижается склонность к зарождению усталостных трещин, повышается предел контактной выносливости, что имеет большое значение при увеличении предельной осевой нагрузки до 24 т (вместо прежних 9, а затем 16 т). Due to this, the wear resistance of the head metal is increased, the tendency to nucleation of fatigue cracks is reduced, the contact endurance limit is increased, which is of great importance when the ultimate axial load is increased to 24 tons (instead of the previous 9, and then 16 tons).

С другой стороны, увеличение толщины средней части шейки, в пределах которой сверлят болтовые отверстия, обеспечиваетсоответствующее уменьшение скалывающих (тангенциальных) напряжений и, тем самым, предотвращает возникновение и развитие косых трещин, берущих свое начало от внутренней поверхности отверстия. On the other hand, an increase in the thickness of the middle part of the neck, within which the bolt holes are drilled, provides a corresponding reduction in shearing (tangential) stresses and, thereby, prevents the occurrence and development of oblique cracks originating from the inner surface of the hole.

Как показали исследования, в зависимости от типа железнодорожных рельсов, условий их эксплуатации и формы боковой поверхности утолщения среднего участка шейки, габаритная толщина ее для достижения поставленных целей должна составлять 1,3 1,8 наименьшей толщины шейки, относительно основного и исходного контура рельса. As studies have shown, depending on the type of railway rails, the conditions of their operation and the shape of the lateral surface of the thickening of the middle portion of the neck, its overall thickness in order to achieve its goals should be 1.3 to 1.8 of the smallest thickness of the neck, relative to the main and initial contour of the rail.

При относительно малых значениях утолщения среднего участка шейки в пределах, указанных выше, боковые поверхности утолщения целесообразно выполнять плоскими, ограниченными прямыми линиями с плавными сопряжениями концов с основным профилем шейки. With relatively small values of the thickening of the middle section of the neck within the limits indicated above, it is advisable to make the lateral surfaces of the thickening flat, limited by straight lines with smooth mates between the ends and the main profile of the neck.

При верхних значениях указанных выше пределов утолщения среднего участка шейки, с целью уменьшения собственной металлоемкости рельса, в средней части утолщения симметрично плоскости, проходящей через оси болтовых отверстий, может выполняться плавная выемка высотой 0,5 0,65 диаметра болтового отверстия, при этом глубина выемки не должна превышать толщины одностороннего утолщения средней части шейки. With the upper values of the thickening limits of the middle section of the neck indicated above, in order to reduce the intrinsic intensity of the rail, in the middle part of the thickening symmetrically to the plane passing through the axis of the bolt holes, smooth excavation with a height of 0.5 0.65 of the diameter of the bolt hole can be performed, while the depth of the notch should not exceed the thickness of the unilateral thickening of the middle part of the neck.

Поскольку наибольшие скалывающие напряжения возникают в плоскости, пересекающей болтовое отверстие под углом 45^o, то начало выемки может располагаться между параллельными линиями, пересекающими болтовое отверстие сверху и снизу, с расстояниями между ними не более 0,65 диаметра болтового отверстия (что соответствует углам в 40^o по местам пересечения параллельными прямыми окружности болтового отверстия).Since the greatest shear stresses occur in the plane crossing the bolt hole at an angle of 45 ^o , the beginning of the recess can be located between parallel lines intersecting the bolt hole above and below, with distances between them no more than 0.65 diameter of the bolt hole (which corresponds to angles of 40 ^o at the intersection of the parallel straight lines of the circumference of the bolt hole).

Ширина среднего утолщенного участка шейки рельса может устанавливаться из следующих соображений. Наибольшая толщина указанного участка должна перекрывать наиболее опасный диапазон углов с точки зрения возможного зарождения косых трещин (например, 45±10^o),считая от горизонтальной плоскости, проходящей через ось болтового отверстия. После 55^o, в принципе толщина среднего утолщенного участка шейки может уменьшаться. Однако, по конструктивным соображениям и с учетом дополнительной гарантии от возникновения косых трещин ширину среднего утолщенного участка целесообразно принимать равной диаметру болтового отверстия (или на 2 4 мм больше него).The width of the middle thickened portion of the neck of the rail can be set for the following reasons. The greatest thickness of this section should cover the most dangerous range of angles from the point of view of the possible generation of oblique cracks (for example, 45 ± 10 ^o ), counting from a horizontal plane passing through the axis of the bolt hole. After 55 ^° , in principle, the thickness of the middle thickened portion of the neck can decrease. However, for structural reasons and taking into account an additional guarantee against the occurrence of oblique cracks, it is advisable to take the width of the middle thickened section equal to the diameter of the bolt hole (or 2 4 mm more than it).

Более значительные размеры утолщения среднего участка шейки нежелательны, поскольку излишне утяжеляют собственную массу рельса без дополнительного положительного эффекта. Larger sizes of the thickening of the middle section of the neck are undesirable, since they unnecessarily make the own mass of the rail unnecessarily without additional positive effect.

Утолщение шейки с указанными выше оптимальными габаритными размерами свободно размещается во внутренней канавке, соответствующей каждому типу железнодорожного рельса стандартной боковой накладки и, следовательно, не препятствует их установке и заклиниванию в стыковых соединениях рельсов. The thickening of the neck with the above-mentioned optimum overall dimensions is freely placed in the inner groove corresponding to each type of railway rail of the standard side lining and, therefore, does not prevent their installation and jamming in the butt joints of the rails.

Утолщение среднего участка шейки обеспечивает увеличение температуры конца прокатки этого элемента рельса и, следовательно, способствует сокращению температурного перепада между головкой и шейкой. А это, в свою очередь, обеспечивает снижение нежелательных остаточных растягивающих напряжений в головке рельса. The thickening of the middle portion of the neck provides an increase in the temperature of the end of the rolling of this rail element and, therefore, helps to reduce the temperature difference between the head and the neck. And this, in turn, provides a reduction in unwanted residual tensile stresses in the rail head.

С другой стороны, утолщение среднего участка шейки компенсирует ослабление ее по месту расположения болтовых отверстий, а также уменьшает значение наибольших касательных напряжений, вызывающих образование наклонных к горизонтальной плоскости (под углом 45^o) трещин, берущих свое начало с внутренней поверхности болтового отверстия.On the other hand, the thickening of the middle portion of the neck compensates for its weakening at the location of the bolt holes, and also reduces the value of the greatest tangential stresses, causing the formation of cracks inclined to the horizontal plane (at an angle of 45 ^o ), originating from the inner surface of the bolt hole.

На фиг. 1 изображен железнодорожный рельс с утолщением в средней по высоте части шейки, в пределах которого сверлят болтовые отверстия. In FIG. 1 shows a rail with a thickening in the middle part of the neck, within which bolt holes are drilled.

Условные обозначения: 1 головка рельса, 2 подошва рельса, 3 шейка рельса, 4 болтовые отверстия, 5 утолщения в средней части по высоте шейки, n наименьшая толщина основного контура шейки без учета утолщения, S - толщина среднего утолщенного участка шейки, a ширина среднего утолщенного участка шейки, d диаметр болтового отверстия в шейке. Legend: 1 rail head, 2 rail outsole, 3 rail neck, 4 bolt holes, 5 thickenings in the middle part along the neck height, n is the smallest thickness of the main neck contour without taking into account the thickening, S is the thickness of the middle thickened section of the neck, and the width of the middle thickened section of the neck, d diameter of the bolt hole in the neck.

На фиг. 2 показан вариант выполнения утолщения в средней части шейки рельса с облегчающими канавками. In FIG. 2 shows an embodiment of the thickening in the middle of the neck of the rail with facilitating grooves.

Условные обозначения: S₁ толщина участков с наибольшим утолщением шейки рельса, S₂ толщина шейки рельса по месту расположения облегчающих канавок (по впадинам), c ширина облегчающей канавки по впадине. r радиус дуги сопряжения утолщенного участка с основным контуром шейки железнодорожного рельса.Legend: S _{1 the} thickness of the sections with the greatest thickening of the neck of the rail, S _{2 the} thickness of the neck of the rail at the location of the relief grooves (in the depressions), c the width of the relief groove in the depression. r radius of the arc of conjugation of the thickened section with the main contour of the neck of the rail.

Остальные обозначения как на фиг. 1. Other designations as in FIG. one.

Здесь, как и на фиг. 1, a=d+(2 4) мм. Here, as in FIG. 1, a = d + (2 4) mm.

В этом варианте устройства участки с наибольшим утолщением (S₁), располагаются сверху и снизу болтовых отверстий, перекрывая наибольшей толщиной наиболее опасные, с точки зрения возникновения наклонных трещин, участки шейки.In this embodiment of the device, the sections with the greatest thickening (S ₁ ) are located above and below the bolt holes, overlapping with the greatest thickness the most dangerous sections of the neck from the point of view of inclined cracks.

На фиг. 3 показаны схемы распределения продольных остаточных напряжений по сечению железнодорожного рельса известного устройства (а) и с утолщением в средней части по высоте шейки (b). In FIG. 3 shows distribution patterns of longitudinal residual stresses over a rail section of a known device (a) and with a thickening in the middle part along the height of the neck (b).

За счет более высокой температуры конца прокатки по шейке в железнодорожном рельсе предлагаемого устройства сокращается температурный перепад между металлом головки и средней частью шейки. При этом обеспечивается сближение температур металла указанных участков сечения рельса в течение всего периода охлаждения после прокатки. Благодаря этому сокращаются нежелательные продольные остаточные растягивающие напряжения в головке рельса

.Due to the higher temperature of the end of rolling along the neck in the rail of the proposed device, the temperature difference between the metal of the head and the middle part of the neck is reduced. This ensures the approximation of metal temperatures of the indicated sections of the rail section during the entire cooling period after rolling. This reduces unwanted longitudinal residual tensile stresses in the rail head

.

А это, в свою очередь, при одной и той же рабочей нагрузке

возникающей от давления колеса, обеспечивает повышенную работоспособность головки, поскольку

Повышается также сопротивление металла головки накоплению усталостных трещин и снижается износ.And this, in turn, with the same workload

arising from pressure of a wheel, provides the increased working capacity of a head as

The resistance of the head metal to the accumulation of fatigue cracks also increases and wear is reduced.

На фиг. 4 показаны схемы распределения скалывающих напряжений τ по сечению железнодорожного рельса известного устройства (а) и с утолщением в средней части шейки (b) по двум поперечным сечениям:
I-I сечение, проходящее по болтовому отверстию;
II-II сечение, расположенное между болтовыми отверстиями в шейке рельса.In FIG. 4 shows a shear stress distribution diagram τ over a rail section of a known device (a) and with a thickening in the middle of the neck (b) over two cross sections:
II section passing through a bolt hole;
II-II section, located between the bolt holes in the neck of the rail.

От давления колеса Р в шейке рельса известного устройства возникают скалывающие напряжения

, достигающие наибольшего значения в плоскости, пересекающей болтовое отверстие под углом 45^o. По этой плоскости возникают и развиваются трещины, показанные на чертеже (типа 53,1 и 53,2 по классификации МПС).From the pressure of the wheel P in the neck of the rail of the known device there are shearing stresses

reaching the greatest value in the plane crossing the bolt hole at an angle of 45 ^o . On this plane, cracks appear and develop, shown in the drawing (type 53.1 and 53.2 according to the classification of the Ministry of Railways).

Благодаря утолщению среднего участка шейки (нижний рисунок) увеличивается площадь опасного сечения, пересекающего шейку под углом 45^o. За счет этого существенно уменьшаются наибольшие скалывающие напряжения

по сравнению с теми, которые возникают в шейке рельса известного устройства

.Due to the thickening of the middle section of the neck (bottom figure), the area of the dangerous section crossing the neck increases at an angle of 45 ^o . Due to this, the largest shear stresses are significantly reduced.

compared with those that occur in the rail neck of a known device

.

На фиг. 5 показан железнодорожный рельс предлагаемого устройства в сборе с боковыми накладками, скрепляющими рельсы друг с другом с помощью болтовых соединений. In FIG. 5 shows the rail of the proposed device assembly with side plates that fasten the rails to each other using bolted connections.

Условные обозначения: 1 железнодорожный рельс, 2 боковые накладки, 3 болтовое соединение. Legend: 1 rail, 2 side linings, 3 bolted connection.

Из чертежа видно, что предлагаемые утолщения в средней части шейки железнодорожного рельса свободно размещаются во внутренних канавках (впадинах) боковых накладок, не требуя изменения их конструкции. From the drawing it is seen that the proposed thickenings in the middle of the neck of the rail are freely placed in the inner grooves (troughs) of the side plates, without requiring a change in their design.

В качестве примеров конкретного выполнения железнодорожного рельса взамен известного рельса типа Р65 изготавливается рельс с сохранением габаритных размеров сечения:
общей высотой 180 мм, с шириной головки 75 мм, с шириной подошвы - 150 мм.As examples of a specific embodiment of a railway rail, a rail is made to replace a known rail of the P65 type, while maintaining the overall dimensions of the section:
with a total height of 180 mm, with a head width of 75 mm, with a sole width of 150 mm.

Симметрично горизонтальной плоскости, проходящей через оси болтовых отверстий диаметром 36 мм (на расстоянии 78,5 мм от опорной поверхности подошвы), выполняется утолщенная часть шейки с размерами: толщиной S=26 мм и шириной a=38 мм. Symmetrically to the horizontal plane passing through the axis of bolt holes with a diameter of 36 mm (at a distance of 78.5 mm from the support surface of the sole), a thickened part of the neck is made with dimensions: thickness S = 26 mm and width a = 38 mm.

Таким образом, относительно исходного контура шейки известного устройства, у которого n=18 мм, утолщение S=1,44 n. Thus, with respect to the initial neck contour of a known device, in which n = 18 mm, the bulge S = 1.44 n.

При этом, общая масса одного метра железнодорожного рельса увеличится на 2,38 кг. At the same time, the total mass of one meter of the rail will increase by 2.38 kg.

Как свидетельствует опыт эксплуатации железнодорожных рельсов более тяжелых типов, их технико-экономические показатели оказываются более высокие, чем у рельсов меньшей массы (М.А.Фришман, Н.А.Пономаренко, С.И.Финицкий. Конструкция железнодорожного пути и его содержание. М. Транспорт, 1980, с. 414, с. 45, а также М.А.Чернышев, З.Л.Крейнис. Железнодорожный путь, М. Транспорт, 1985, с. 302, с. 111). As experience in the operation of heavier types of railway rails testifies, their technical and economic indicators turn out to be higher than those of lower mass rails (M.A. Frishman, N. A. Ponomarenko, S. I. Finitsky. Construction of the railway track and its contents. M. Transport, 1980, p. 414, p. 45, and M.A. Chernyshev, Z. L. Kreinis. Railway Track, M. Transport, 1985, p. 302, p. 111).

Наряду с этим за счет уменьшения остаточных растягивающих напряжений в головке рельса, как минимум, вдвое (не более 70 80 МПа) будет обеспечен повышенный ресурс его работы и, кроме того, полностью будет исключена вероятность возникновения опасных косых трещин, пересекающих болтовые отверстия. Along with this, by reducing the residual tensile stresses in the rail head by at least half (not more than 70 80 MPa), an increased service life will be provided and, in addition, the possibility of dangerous oblique cracks crossing bolt holes will be completely eliminated.

В качестве примера выполнения утолщения в средней части шейки рельса Р65 с облегчающими канавками может быть принят железнодорожный рельс, как и в первом примере, но с утолщенной частью шейки S₁=28 мм, габаритной шириной утолщенного участка а=38 мм и с облегчающими канавками с размерами: с=23 мм, e=12 мм, S₂=20 мм.As an example of thickening in the middle part of the neck of the rail P65 with facilitating grooves, a railway rail can be adopted, as in the first example, but with a thickened part of the neck S ₁ = 28 mm, overall width of the thickened section a = 38 mm and with facilitating grooves with dimensions: c = 23 mm, e = 12 mm, S ₂ = 20 mm.

Масса 1 м такого железнодорожного рельса возрастает всего лишь на 1,87 кг, но при этом эксплуатационные качества рельсов и надежность безопасной работы существенно перекроют дополнительные материальные издержки. The weight of 1 m of such a railway rail increases by only 1.87 kg, but at the same time, the operational qualities of the rails and the reliability of safe operation will significantly block the additional material costs.

Известные боковые накладки для стыкового крепления железнодорожных рельсов типа Р65 со стороны, обращенной к шейке, имеет выемку шириной 56 мм и глубиной 21 мм. Known side pads for the butt fastening of railway rails of the type P65 from the side facing the neck, has a recess of a width of 56 mm and a depth of 21 mm.

Таким образом, предлагаемые утолщения в средней части шейки свободно размещаются во впадинах существующих боковых накладок. Thus, the proposed thickenings in the middle part of the neck are freely placed in the hollows of the existing side plates.

Железнодорожные рельсы (согласно настоящему патенту) могут применяться для верхнего строения пути как в случае выполнения с разборными стыковыми соединениями, так и в бесстыковых участках. Railway rails (according to the present patent) can be used for the superstructure of a track both in case of execution with collapsible butt joints and in jointless sections.

Для изготовления железнодорожных рельсов предлагаемого устройства понадобиться согласовать соответствующие технические условия. Затем потребуется внести изменения в калибровку прокатных валков, конструкцию роликоправильной машины и приемные шаблоны. После этого может быть организовано промышленное производство железнодорожных рельсов повышенной надежности. For the manufacture of railway rails of the proposed device, you need to agree on the relevant technical conditions. Then you will need to make changes to the calibration of the rolls, the design of the roller straightening machine and the receiving templates. After that, industrial production of high-reliability rail rails can be organized.

Claims

1. A railway rail containing a head, a sole and a neck, in the middle part of which a thickening is made along the entire length of the rail, having bolt holes in the neck at the ends, designed for butt joints with other rails adjacent to it on both sides of the ends, characterized in that the thickness of the middle thickened portion of the neck, in which the bolt holes are located, is 1.3 to 1.8 thickness of the neck.

2. The rail according to claim 1, characterized in that in the middle part of the thickening symmetrically with respect to the horizontal plane passing through the axis of the bolt holes, a smooth recess is made with a height of 0.5 to 0.65 diameters of the bolt hole, while the depth of the recess does not exceed the thickness of the unilateral thickening the middle part of the neck.