X III K O N F E R E N C JA N A U K O W A
„ P O JA Z D Y S Z Y N O W E ’9 8 ”
Z N P O L IT E C H N IK I Ś L Ą S K IE J 1998 S eria: T R A N S P O R T z. 33, n r kol. 1394
Piotr ADAM IEC Jerzy D ZIU BIŃ SK I
NAPRAWA ELEMENTÓW TORU KOLEJOWEGO
Streszczenie. Przedstawiono charakterystyczne wady i uszkodzenia szyn w torze.
Podano m ożliw ość naprawy i regeneracji elem entów toru w ykonanych ze stali perli- tycznych (szyny) i austenitycznych (krzyżownice) metodam i napawania. Przedstawiono także problem y technologiczne przy łączeniu szyn.
R EPA IR O F RAILW AY T R A C K E L E M E N T S
Sum m ary. C haracteristic defects dam ages o f rails in railway track have been pre
sented. Possibility o f repair and regeneration o f railway track elem ents made o f pearlitic steels (rails) and austenitic steels (crossing) using surfacing technology, have been de
m onstrated. Also technological problem s o f rail joining have been presented.
W PROW ADZENIE
W czasie eksploatacji toru kolejowego następuje zużycie i uszkodzenie jego elementów.
Koszt szyn i rozjazdów stanowi 40% łącznych kosztów nawierzchni toru, zatem zwiększenie ich trw ałości to istotny problem techniczny i ekonomiczny.
Zużycie i uszkodzenie szyn to przede w szystkim: ubytki pionow e i boczne, w ybuksowa- nia, zniekształcenia faliste, zagniecenia końców, odkształcenia pionowe na główce, odkształ
cenia podłużne, odkształcenia poziome [1] oraz pęknięcia eksploatacyjne [2] mające formę pęknięć w zdłużnych podpow ierzchniow ych (typu shelling) i poprzecznych (typu squat). Pęk
nięcia te m ają charakter pęknięć zm ęczeniow ych, których procesem rozprzestrzeniania się rządzą praw a m echaniki pękania. W torze m ogą wystąpić również pęknięcia szyn typu kru
chego, głów nie w obszarze złącza spawanego lub zgrzewanego. W tych przypadkach pęknię
cia zw iązane są zw ykle z wadami spawalniczymi w spoinie lub karbem strukturalnym w stre
fie w pływ u ciepła.
N apraw a zużytych szyn oraz szyn uszkodzonych zmęczeniowo (pęknięcia podpo- w ierzchniow e) polega na usunięciu uszkodzenia, ich powierzchniow ym napaw aniu, natomiast obecność pęknięć poprzecznych szyn w ym aga w ycięcia zniszczonego odcinka szyny i wspa- w ania odcinka now ego [3].
W torze spotyka się dw ie grupy stali, a m ianow icie w ysokow ęglow e stale eutektoidalne ja k o stale szynow e oraz w ysokostopow e stale m anganowe typu Hadfielda na elem enty roz
jazd ó w (krzyżow nice, iglice, szyny dziobowe).
NAPRAW A 1 REG EN ER A C JA SZYN
Typowe napraw ialne uszkodzenia szyn przedstaw iono na rys. 1.
a)
Rys. 1 C h arak tery sty czn e uszkodzenia szyn: zniszczenie końców , b) odkształcenia w skutek poślizgu koła po szynie, c) w y b icia w skutek cyklicznego obciążenia, d) odkształcenia boczne
Fig. 1. C haracteristic d am ages o f rails: a) dam age o f ends, b) strain caused by slippage betw een w heel and rail, c) im pact w ear, d) side strains
Napraw a elem entów toru. 9
U szkodzenia takie zgodnie z przepisam i szwedzkich kolei [4, 5], m ogą być naprawiane metodami spaw alniczym i, m. in. poprzez wspom aganie odcinków szyn i naprawianie miejsc uszkodzonych. Podobne naprawy są prowadzone również w Polsce.
Prace spaw alnicze należy w ykonyw ać przy podgrzewaniu m iejscowym do tem peratur od 300 do 400°C, przy czym dla szyn o w yższych w ytrzym ałościach stosuje się w yższe tem pe
ratury, np. dla szyn 800, 900A, 900B - 300°C, natom iast dla szyn odm iany 1100 - 400°C.
Według zaleceń firmy ESAB [6, 7, 8] do napawania końców szyn należy stosować nisko- stopowe stopiw a zaw ierające Cr (np. 0,1% C, 0,5% Si, 0,7% Mn i 3,2% Cr) o twardości ok.
350HV. Polecane są rów nież niskostopowe stopiwa zawierające Mo (np. 0,06% C, 1,5% Mn.
0,35% Mo [6] lub 0,1% C, 1,4% Mn, 1,3% Mo [4, 9]).
a)
b)
Rys.2. Schem at napaw ania szyn Fig.2. Schem e o f raił surfacing
Do napaw ania szyn m ożna w ykorzystać sposoby przedstaw ione na rys. 2. Sposobem za
lecanym napaw ania je st sposób C, który pozw ala zm niejszyć ew entualne nadwyżki dyna
miczne sił pow stających w efekcie obecności karbu strukturalnego w obszarze napoina - szy
na. W tablicy 1 zestaw iono gatunki szyn w Europie wg UIC łącznie ze składem chemicznym , w ytrzym ałością i w arunkam i napawania (tem peratura podgrzewania w stępnego i międzyście- gowa).
Tablica 1 Składy chemiczne i warunki napawania wg UIC
N azw a G atunek Skład chem iczny, % W ytrzym ałość
Rm M P a
Tem peratura podgrzew ania i m ię d z y śc ie g o
w a
C Si Mn Cr
UIC 860 UIC 860 UIC 860 UIC 860 UIC 860 UIC 866
700 800 900A 900B 1100 AM
0,40-0,60 0,50-0,65 0,60-0,80 0,55-0,75 0,60-0,82 0,90-1,30
0,05-0,35 0,15-0,50 0,10-0,50 0,10-0,50 0,30-0,90
0,4
0,80-1,25 0,80-1,20 0,80-1,30 I,30-1,70 0,80-1,30
II,0-14,0
0,80-1,30
680-830 min.780 880-1030 880-1030 m in .1080
670
300-350 300-350 300-350 300-350 400-450 max.200
Do napaw ania szyn stosuje się napaw anie elektrodam i otulonym i oraz drutam i proszko
w ymi zw ykle sam oosłonow ym i [4,5], M ożna w ykorzystać również m etodę napaw ania termi- towego, o czym w spom niano w [6].
NAPRAW A I NAPAW ANIE RO ZJA ZD ÓW 1 K RZYŻOW NIC
Do w ytw arzania elem entów rozjazdów i krzyżownic często w ykorzystuje się w ysokosto- pow e staliw a H adfielda (1,2% C, 0,4% Si, 11,0-14,0% Mn), które cechują się zdolnością do um ocnienia pow ierzchniow ego w czasie eksploatacji. Przykład eksploatacyjnego zużycia elem entu krzyżow nicy przedstaw iono na rys. 3.
W elem entach odlew anych m ogą wystąpić wady odlewnicze, np. rzadzizny (rys. 3b).
M iejsca zużyte lub uszkodzone m ogą być naprawiane metodami napawania.
Rys.3. P rzykłady uszkodzonych krzyżow nic: a) w efekcie zużycia eksploatacyjnego, b) w ady odlew nicze Fig.3. Exam ples o f dam ageg crossings: a) caused by exploitation w ear b) casting defects
Schem at napaw ania krzyżow nic przedstawiono na rys. 4. N apaw anie krzyżownic można przeprow adzić ręcznie elektrodam i otulonym i lub drutami proszkow ym i sam ooslonowym i.
Do napaw ania m ożna w ykorzystać stopiw a wysokostopow e m anganow e (np. 0,8% C, 14%
M n, 3,5% N i), w ysokom anganow e z chrom em (0,3% C, 13,5% Mn, 16% Cr, 1,7% Ni, 0,8%
Mo, 0,6% V) [4,5],
R ów nież w Polsce opracowano m ateriały dodatkowe do napaw ania krzyżownic. Przy na
paw aniu krzyżow nic należy przestrzegać zalecenia technologiczne:
Napraw a elem entów toru.
- w ady w ym agające usuw ania m ateriału należy oczyścić m echanicznie szlifierkam i kąto
w ym i, a w przypadku żłobienia palnikiem gazowym (C2H2 + O2) m iejsca takie należy do
datkowo oczyścić m echanicznie,
- nie należy prow adzić prac spawalniczych w deszczu, przy opadach śniegu, silnym wietrze:
w szczególnych przypadkach należy stosować namioty,
- do napaw ania należy stosować suszone elektrody (350°C/2h), które należy przechowywać w term osach w tem peraturze 120°C,
- miejsca, w których w ystępują pęknięcia, należy szlifować i potw ierdzić ich brak za pomo
cą m etod penetracyjnych,
- m iejsca napaw ane należy szlifować na głębokość co najmniej 2 mm,
- kratery m uszą być zaspaw ane (wypukłe), a napoina starannie oczyszczona z żużla,
- po napaw aniu należy powierzchnię skontrolować penetracyjnie na obecność pęknięć. Ich obecność je st niedopuszczalna.
W przypadku napaw ania elem entów toru ze stali perlitycznych należy stosować pod
grzewanie w stępne 300-400°C i tem peraturę taką utrzym ywać jako międzyściegową. N ato
m iast w przypadku napaw ania elem entów ze staliwa H adfielda nie stosuje się podgrzewania wstępnego, a tem peratura m iędzyściegow ą nie pow inna przekraczać 200°C. M ożna stosować warstwy pośrednie stopiw a austenitycznego typu 18-8.
a)
e)
Rys.4. S chem at napaw ania krzyżow nic: a) widok ogólny; b, c, d, e) kolejność układania w arstw Fig.4. S chem e o f crossing surfacing: a) general view, b, c, d, e) layers sequence
SPAWANIE SZYN
U szkodzone szyny, które są w ym ieniane w torze, m ogą być spaw ane lub zgrzewane, przy czym m etoda zgrzew ania dużym i zgrzew arkam i iskrowym i, poruszającym i się po szynach (np. firm y H asser-T heurer), je st bardzo kosztow na i rzadko stosowana przy naprawie toru.
Do spaw ania szyn stosuje się m etodę spaw ania term itow ego i spaw ania łukow ego elek
trodam i otulonym i, m etodą MAG oraz drutam i proszkowym i sam oosłonow ym i. M etodę ter- m itow ą stosuje się głów nie w przypadkach braku dostępu w torze do sieci energetycznej.
U zyskane spoiny m a ją zw ykle niekorzystną strukturę dendrytyczną o niskiej udam ości.
W zględy m etalurgiczne preferują stosowanie spawania łukow ego, które um ożliw ia poprzez zastosow anie niskostopow ych m ateriałów dodatkowych, uzyskanie w ysokich własności me
chanicznych spoin [3]. Spaw anie szyn odbyw a się zw ykle przy w ykorzystaniu nakładek for
m ujących m iedzianych, przy czym należy stosować podgrzewania w stępne do tem peratury 350°C i tem peraturę tę utrzym yw ać przez cały czas naprawy. Po spawaniu złącze należy bar
dzo w olno chłodzić, np. w ykorzystując koce azbestowe. Przy spawaniu szyn obow iązują rów nież dodatkow e zalecenia technologiczne związane m.in. z czystością złącza i konieczno
ścią stosow ania m ateriałów przy złej pogodzie i term osów na suszone elektrody.
UWAGI K O Ń C O W E
Stale kolejow e stosow ane do produkcji elem entów toru należą do stali trudno spawal- nych. Stale perlityczne o rów now ażniku Ce ~ 0,8 są skłonne do pękania zim nego w strefie w pływ u ciepła i w arunki ich spaw ania oraz napaw ania w ynikają z konieczności ograniczenia m ożliw ości przem iany m artenzytycznej. Sprow adzają się one do stosow ania podgrzewania w stępnego, w prow adzenia dużej ilości ciepła oraz ograniczenia do m inim um zawartości w o
doru dyfundującego i naprężeń spawalniczych.
Stale w ysokostopow e C-M n o strukturze austenitycznej są skłonne do pękania poligoni- zacyjnego w efekcie niekontrolow anego w ydzielania się w ęglików typu (C .M njjC . M inim ali
zacja tych zjaw isk w ym aga ograniczenia ilości w yprow adzanego ciepła przy spaw aniu i na
pawaniu.
O becnie je d n ak stosow ane techniki napaw ania i spawania elem entów toru pozw alają na uzyskanie napoin i spoin bez w ad spaw alniczych, o wysokiej jakości m etalurgicznej i w łasno
ściach m echanicznych, co najm niej rów nych w łasnościom napaw anych szyn i krzyżownic.
LITERATURA
1. B ałach H.: Trw ałość i niezaw odność eksploatacyjna nawierzchni kolejowej. Wyd. Kom. i Łączności, W arszaw a 1980.
2. Chm iel E., Św iderski Z.: D efektoskopowe badanie elem entów naw ierzchni kolejowej.
Wyd. Kom. i Łączności, W arszawa 1978.
3. D ziubiński J., A dam iec R: Techniki łączenia szyn kolejowych. Zeszyty N aukow e Polit.
Śląskiej ser.Transport z.24, G liwice 1995.
4. D ahl B. i in.: R epair o f rails on side by welding. Svetsaven nr 2, 1995, s.10.
Naprawa elem entów toru. 13
5. Peters G., Paschold R.: Instandsetzungsschweissungen an Schienen a u f den Strecken der schwedischen. Bahn. Schweissen u. Schneiden. Praktiker nr 9, 1995, s.436.
Recenzent: D rhab.inż. Paweł Piec
Abstract
C haracteristic defects dam ages o f rails in railway track have been presented (Fig. 1 and 3).
Possibility o f repair and regeneration o f railway track elem ents made o f pearlitic steels (rails) (Fig. 2) and austenitic steels (crossing) (Fig. 4) using surfacing technology (Table 1), have been dem onstrated. Also technological problem s o f rail joining have been presented.
Surfacing technological recom m endations o f railway track elem ents are as follows:
- using high heat input and preheating in the case o f pearlitic steels, - using lim ited heat input in the case o f austenitic steels.
