Исследование намагниченности концов рельсов в изолирующих стыках разной конструкции

Исследование намагниченности концов рельсов
в изолирующих стыках разной конструкции

Безопасная и надежная работа железнодорожного пути во многом зависит от состояния изолирующих стыков железнодорожных рельсов. Департаментом пути и сооружений железные дороги» совместно с НПП «АпАТэК» выполнена большая работа по внедрению передовых технических решений в области изолирующих стыков. На сети железных дорог установлено более 412 тыс. изостыков с композитными накладками и 14 тыс. клееболтовых стыков с металлокомпозитными накладками «АпАТэК». Это позволило значительно повысить надежность работы изолирующих стыков. Средний срок службы композитных накладок составляет не менее 500 млн. т брутто, а клееболтовые стыки с металлокомпозитными накладками «АпАТэК» обеспечивают работу бесстыкового пути без уравнительных пролетов в период между капитальными ремонтами.

На фоне значительного повышения срока службы изолирующих стыков в последнее время обострилась проблема замыкания рельсов в изолирующем стыке металлическими продуктами износа рельсов и колес. В результате этого имеют место самопроизвольные перекрытия светофоров из-за образования шунтирующего мостика на изолирующем стыке рельсового пути, который выполняет роль элемента электрической цепи в системах автоматического контроля. Так как стык является местом интенсивного механического воздействия колесных пар проходящего подвижного состава и локомотивов, характер распределения магнитного поля может иметь специфические особенности вследствие магнитострикционных эффектов, связывающих напряжения в ферромагнитном металле с его магнитной структурой.

Для выявления фактической ситуации с состоянием магнитного поля в изолирующих стыках на сети железных дорог в соответствии с «Программой проведения исследований намагниченности изолирующих стыков железнодорожных рельсов в условиях эксплуатации на полигонах Московской и Горьковской железных дорог», утвержденной Департаментом пути и сооружений 26.02.2003 г. и согласованной с Департаментом сигнализации, централизации и блокировки, производились периодические измерения в процессе эксплуатации напряженности магнитного поля более чем в 500 изолирующих стыках всех конструкций в разных эксплуатационных условиях. Так, были проведены измерения на Северо-Кавказской дороге и Экспериментальном кольце (ЭК) ВНИИЖТ. Измерения проводились магнитометром «Стык-3D» (рис. 1), разработанным НПП «АпАТэК» совместно со специалистами Института теоретической и прикладной электродинамики (ИТПЭ РАН). Прибор позволяет измерять в реальном масштабе времени три компоненты напряженности магнитного поля в изолирующем стыке, вычислять модуль поля, проводить измерения по головке и подошве рельса, сканировать и хранить в памяти информацию по замерам для 220 стыков и передавать ее в персональный компьютер. Диапазон измерений напряженности магнитного поля составляет 600 эрстед (Э).

Рис. 1. Магнитометр: 1 — направляющая линейка; 2 — соединительный кабель СОМ порта; 3 — измерительный блок с датчиками; 4 — компакт-диск с программным обеспечением и документацией

Измерения были выполнены на однопутных и многопутных участках, где осуществляется разгон и торможение проходящих поездов (электрифицированных на постоянном или переменном токе), в изолирующих стыках с композитными, металлокомпозитными накладками «АпАТэК», объемлющими металлическими накладками, фрезерованными металлическими накладками, металлополимерными накладками «Гефест-Ростов» и в традиционных клееболтовых стыках. Кроме того, для сравнения были проведены замеры в обычных стыках с металлическими накладками.

Измерения выполнялись: на станциях Московской дороги — Узуново, Ожерелье, Рыбное, Рязань-1, Рязань-2, Люберцы-1; на станциях Горьковской дороги — Владимир, Второво, Горький-Московский; на станциях Северо-Кавказской дороги — Ростов-Главный, Ростов-Зоологический, Теремник, Хопры. Регулярные сравнительные измерения также проводились на ЭК ВНИИЖТ.

Исследования показали, что причиной возникновения шунтирующего мостика и эффекта прилипания является неконтролируемая остаточная намагниченность рельсов в районе стыкового зазора изолирующего стыка, которая способствует формированию проводящих цепочек из металлической стружки, образующейся при механическом воздействии тормозных колодок на колеса подвижного состава и колес на рельсы (рис. 2).

Рис. 2. Схема намагничивания рельсов в районе стыкового зазора

Величина остаточной намагниченности составляет от нескольких единиц до сотен Э в зависимости от характеристик рельсовой стали и эксплуатационных факторов: географическая ориентация линии; величина стыкового зазора; род тяги и схема канализации обратного тягового тока; материал, из которого изготовлены дроссель-трансформаторные перемычки; погодные условия.

В результате исследований установлено, что изолирующие стыки, включающие в свою конструкцию массивные металлические накладки (к которым относятся традиционные клееболтовые изостыки, металлокомпозитные накладки «АпАТэК», фрезерованные и объемлющие), имеют низкий уровень напряженности магнитного поля — в среднем от 14 до 25 Э. В них происходит шунтирование магнитного поля за счет большой массы металлических накладок и небольшого изолирующего зазора (1...2 мм). Чем меньше масса металлической накладки и больше изолирующий зазор, тем меньше шунтирование магнитного поля. Многочисленные измерения его в эксплуатации и на ЭК ВНИИЖТ показали, что избежать налипания стружки в стыковом зазоре можно при уменьшении магнитного поля не менее чем до величины намагничивания рельса в середине его длины, которая составляет 5...16 Э. Однако помимо величины самого магнитного поля в стыковом зазоре определяющим фактором является то, насколько он отличен от уровня намагниченности самого рельса или плети. Безопасным уровнем магнитного поля в изолирующем стыке можно считать только тот уровень, который не отличается от уровня на всем протяжении рельса или плети. В любом другом случае металлические частицы будут притягиваться именно к тому месту, где есть отличие по уровню магнитного поля. Например, при величине магнитного поля в стыковом зазоре 10 Э и при уровне магнитного поля на протяжении всего рельса 3...5 Э увеличивается вероятность попадания металлических частиц именно в зону стыкового зазора, а при величине магнитного поля в стыковом зазоре 15 Э и уровне магнитного поля на протяжении всего рельса 15...16 Э эта вероятность практически отсутствует.

Во всех стыках изначально имеется магнитное поле, квалифицировать которое по виду накладок или месту установки не представляется возможным в связи с индивидуальными особенностями отдельно взятого стыка, на который влияет заводская намагниченность концов рельсов и эксплуатационные параметры. Это подтверждают результаты измерений в обычных стыках с металлическими накладками, снабженными приварными и обводными соединителями, где магнитное поле может достигать 20 Э, что превышает безопасный уровень.

Теоретически для полного шунтирования поля необходим равный по массе и сечению рельса шунт. Как видно из вышеизложенного, даже металлическая накладка с прямым контактом с рельсом, а также приварными и обводными соединителями не может на 100 % обеспечить шунтирование магнитного поля.

Накладки из металла или с металлическим сердечником позволяют шунтировать магнитное поле до 50 % (чем меньше сечение металла, тем меньше шунтирование), что не обеспечивает безопасности от замыкания стружкой и металлическими предметами. При этом в стыке с объемлющими металлическими накладками напряженность магнитного поля может достигать 40 Э.

Для определения степени намагничивания изолирующих стыков при разной их конструкции были произведены сравнительные измерения, результаты которых приведены в табл. 1.

Таблица 1
Конструкции изолирующих стыков	Значения напряженности магнитного поля, Э
максимальные	минимальные	средние
Объемлющие накладки	40	6	19
Традиционный клееболтовой	36	5	25
Металлокомпозитный «АпАТэК»	32	2	14
Фрезерованные металлические накладки с изолирующей прокладкой	40	20	25
Композитные накладки	296	0	106
Металлополимерные накладки «Гефест-Ростов»	172	14	77

Как видно из табл. 1, изолирующие стыки можно разделить на две группы: с относительно слабой намагниченностью (превышающей безопасный уровень в 4...5 раз) — объемлющие, традиционные клееболтовые, металлокомпозитные накладки «АпАТэК» и фрезерованные металлические накладки; с большой намагниченностью стыков (превышающей безопасный уровень в 40...50 раз) — композитные и металлополимерные накладки «Гефест-Ростов». В клееболтовых стыках с металлокомпозитными накладками «АпАТэК» из-за массивной металлической накладки и тонкого изолирующего слоя происходит сильное шунтирование магнитного поля через металл накладки; средняя напряженность магнитного поля 14 Э.

В изолирующих стыках с объемлющими металлическими накладками из-за большого объема металлической накладки происходит сильное шунтирование магнитного поля через металл накладки; средняя напряженность магнитного поля 19 Э. В традиционных клееболтовых, а также изолирующих стыках с фрезерованными металлическими накладками происходит шунтирование магнитного поля через металл накладки. Так как масса фрезерованной накладки меньше, чем объемлющих, то и шунтирует магнитные поля она меньше — средняя напряженность магнитного поля равна 25 Э. В изолирующих стыках с металлокомпозитными накладками «АпАТэК» не происходит шунтирование магнитного поля, в результате чего средняя величина магнитного поля в 5 раз больше, чем в стыке с объемлющими накладками.

Средняя напряженность магнитного поля в изолирующих стыках с композитными накладками «АпАТэК» составила на участках Московской дороги 74 Э, Горьковской дороги — 98 Э. В изолирующих стыках с металлополимерными накладками «Гефест-Ростов» из-за объемного изолирующего слоя толщиной 5...6 мм шунтирование магнитного поля также не происходит.

По результатам замера на участках Северо-Кавказской дороги напряженность магнитного поля составила 77 Э (см. табл. 1). Это также приводит к значительному скапливанию металлической стружки и образованию условий для замыкания изолирующего стыка (рис. 3). Количество скапливаемой стружки в изолирующем стыке зависит не только от силы его намагниченности, но и от места расположения стыка (кривая, участок торможения). Если стык сильно намагничен, но расположен в прямом и не тормозном участке пути, то стружка на нем не скапливается. Если стык расположен в кривой или на тормозном участке пути, то при намагниченности более 5 Э стружка на нем будет скапливаться. Стыки с намагниченностью менее 5 Э составляют 9 % осмотренных.

Рис. 3. Вид стыка рельсов, в зазоре которого скапливается металлическая стружка

Измерения уровня напряженности магнитного поля в изолирующих стыках на ЭК ВНИИЖТ и на Северо-Кавказской дороге показали высокую степень намагничивания (табл. 2) по отношению к безопасному уровню модуля магнитного поля, при котором не происходит налипания металлической стружки, т. е. до 5 Э. При этом сравнение результатов измерений в изолирующих стыках показало, что значимых различий напряженности магнитного поля в стыках с композитными и металлополимерными накладками «Гефест-Ростов» не обнаружено.

Таблица 2
Показатель	Значения напряженности модуля магнитного поля в изолирующих стыках с различными типами накладок, Э, на участках
ЭК ВНИИЖТ	Северо-Кавказской дороги
«Гефест-Ростов»	«АпАТэК»	«Гефест-Ростов»	«АпАТэК»
По результатам измерений среднее значение напряженности магнитного поля	102	100	106	101

В ходе вышеизложенных работ были выявлены неоднократные случаи необъективного списывания реальных причин нарушения работы рельсовых цепей на композитные накладки. В частности, за 8 мес 2003 г. на Горьковской дороге произошло 274 случая отказов по наличию стружки в изолирующих стыках, что составляет 1,6 % общего числа имеющихся изолирующих стыков с композитными накладками. За аналогичный период 2002 г. на Горьковской дороге было зафиксировано 78 случаев отказов, что составляло 0,94 % общего числа имеющихся изолирующих стыков с композитными накладками.

На Кировской дистанции пути Горьковской дороги 2 сентября 2003 г. было проведено комиссионное расследование причин нарушения работы рельсовых цепей из-за замыкания металлической стружкой изолирующих стыков с композитными накладками. Был выявлен ряд факторов, способствующих росту повреждений работы рельсовых цепей по причине замыкания изолирующих стыков металлической стружкой независимо от конструкции изолирующего стыка:

1) уменьшение мощности электромагнитов в вагоне-дефектоскопе (2002 г.), вследствие чего происходит сбрасывание окалин и металлической стружки на изолирующие стыки;

2) замена медных дроссельных перемычек в изолирующих стыках на стальные (2000...2002 гг.), в результате увеличивается сопротивление в перемычках и происходит возрастание намагниченности изолирующих и обычных стыков;

3) увеличение веса поездов (2002 г.), что приводит к увеличению тягового тока.

Кроме того, были выявлены случаи списания на «закорачивание стружкой» всех невыявленных причин нарушения работы рельсовых цепей. В результате проверки рабочих журналов было установлено, что с такой же формулировкой списываются и случаи наложения металлических предметов на изолирующие стыки.

На ряде железных дорог — Калининградской, Северо-Кавказской, Юго-Восточной, Приволжской, Куйбышевской, а также в Московском и Петербургском метрополитенах путем правильного осуществления технических мероприятий проблема «закорачивания стружкой» в изолирующих стыках сведена к минимуму, при этом используются наиболее прогрессивные технические методы: правильная схема канализации обратного тягового тока, регулярная окраска концов рельсов перед установкой композитных накладок, применение типовой (несимметричной) стыковой прокладки.

В настоящее время НПП «АпАТэК» разработана и внедряется технология по монтажу клееболтовых стыков с металлокомпозитными накладками «АпАТэК» непосредственно в пути. Опытные партии стыков установлены на Московской, Октябрьской и Западно-Сибирской дорогах. Монтаж стыка производится в пути методом склейки при укладке рельсовых плетей или после нее. Опыт эксплуатации подобных стыков показал (рис. 4), что даже в тех местах, где наблюдался высокий уровень намагниченности стыка, после монтажа металлокомпозитных накладок «АпАТэК» уровень намагниченности снижается сразу более чем в 4 раза и в дальнейшем (от одной недели до месяца) стык размагничивается полностью до степени намагничивания всего рельса.

Рис. 4. Изменение намагниченности рельсового стыка после монтажа в пути накладок «АпАТэК Р65 М-К»

Изолирующий стык с металлокомпозитными накладками «АпАТэК»  — наиболее эффективная конструкция, которая может обеспечить максимальное шунтирование магнитного поля в зоне стыкового зазора.

Заключение. 1. Изолирующие стыки, имеющие в своей конструкции массивные металлические накладки (к которым относятся традиционные клееболтовые изостыки, металлокомпозитные накладки «АпАТэК», фрезерованные металлические накладки, объемлющие накладки), дают более низкий уровень напряженности магнитного поля (в среднем 14...23 Э).

2. Намагниченность рельсов на электрифицированных участках на переменном токе значительно выше, чем на постоянном токе.

3. Нет существенных различий по намагничиванию стыков на участках пути торможения, разгона или плавного движения.

4. По степени намагничивания стыков путь можно разбить на три группы: участки стыкования постоянного тягового тока с переменным, участки с постоянным и участки с переменным тяговым током.

5. Наибольшая намагниченность стыков наблюдается на участках пути стыкования постоянного тягового тока с переменным.

6. На участках пути с переменным тяговым током намагниченность стыков в среднем на 30 % ниже, чем на путях стыкования токов.

7. На участках пути с постоянным тяговым током намагниченность стыков в среднем на 50 % ниже, чем на путях стыкования токов.

8. Диапазон намагниченности изолирующих стыков зависит от эксплуатационных параметров рельсовых плетей, интенсивности движения поездов, состояния дроссельных соединителей и других факторов.

9. Изолирующие стыки с композитными накладками «АпАТэК» и металлополимерными накладками «Гефест-Ростов» относятся к одной группе по уровню намагничивания (средний уровень напряженности магнитного поля 70...100 Э).

10. Избежать налипания стружки в стыковом зазоре можно при уменьшении напряженности магнитного поля не менее чем до 5 Э.

11. Стыки с безопасной намагниченностью составляют 9 % осмотренных.

Рекомендации. Значительного снижения количества случаев закорачивания стыков стружкой на сети дорог можно добиться путем выявления изостыков с опасным уровнем намагниченности концов рельсов и установки в таких местах клееболтовых стыков с металлокомпозитными накладками «АпАТэК». Установку таких стыков можно выполнять непосредственно в полевых условиях.