Эксплуатационные свойства крановых рельсов

Крановые рельсы подкрановых путей производственных зданий выполняют при эксплуатации две функции. Во-первых, они являются путями перемещения колес мостовых кранов и должны обладать необходимой прочностью и износоустойчивостью. Во-вторых, рельсы распределяют локальные воздействия колес мостовых кранов на поясные соединения и стенку подкрановых балок и должны обладать необходимой жесткостью на изгиб и кручение. Эти функции взаимосвязаны, так как недостаточная прочность и износоустойчивость рельсов приводит к их интенсивному износу и уменьшению моментов инерции на изгиб и кручение, что в свою очередь вызывает повышение местных напряжений в стенке подкрановых балок и в конечном итоге приводит к усталостным разрушениям подкрановых балок и рельсов.

Конструктивная форма крановых рельсов совершенствовалась вместе с изменениями в конструкции подкрановых балок. Клепаные подкрановые балки использовались с крановыми рельсами «брускового» типа. Многоэлементная конструкция верхней зоны клепаных подкрановых балок позволяла регулировать величину местных напряжений в стенке и обеспечивать прочность заклепок при помощи дополнительных элементов - ламелей. При этом «брусковые» рельсы выполняют в основном первую функцию.

В сварных подкрановых балках крановый рельс является единственным конструктивным элементом, с помощью которого можно регулировать уровень локальных напряжений в верхней зоне стенки и поясных швах. Поэтому в 1952 году потребовалось разработать специальные крановые рельсы, обладающие повышенной жесткостью на изгиб и кручение по сравнению с «брусковыми».

Среди основных требований, предъявляемых к качеству крановых рельсов, главными являются износоустойчивость, прочность и высокая сопротивляемость ударным воздействиям.

В подкрановых путях износоустойчивость крановых рельсов необходимо рассматривать в системе «колесо - рельс». В этой системе, как сле дует из [1], соотношение твердости по Бринеллю рельса и обода колеса должно находиться в диапазоне НВр/НВк = 0,8...0,85. В краностроении применяют термически обработанные колеса, обод которых имеет твердость 300...360 НВ и, следовательно, твердость головки рельса должна быть в пределах 240. ..310 НВ.

Прочность и износоустойчивость крановых рельсов в основном определяются механическими свойствами рельсовой стали и, следовательно, ее химическим составом. Для изготовления крановых рельсов, также как и железнодорожных, используют высокоуглеродистые марки стали (табл. 1). Из табл. 1 следует, что для специальных крановых рельсов, независимо от их типа, используется одна марка стали - К 63. Химический состав этой стали не менялся с 1952 г. (ГОСТ 4121-52), в то время как крановые нагрузки и воздействия от мостовых кранов существенно возросли. Напротив, химический состав рельсовой стали для железнодорожных рельсов дифференцирован в зависимости от их мощности. Кроме того, при необходимости эти стали подвергают термической обработке. Это позволяет для отечественных железнодорожных рельсов добиваться повышенной износоустойчивости, так как, по данным исследования [2], увеличение временного сопротивления с 65 кН/см2 до 82 кН/см2 (в 1,3 раза) приводит к снижению износа в 2 раза, а до 90 кН/см 2 (« в 1,4 раза) - более чем в 3 раза.

Износоустойчивость углеродистой рельсовой стали зависит от содержания в ней углерода и марганца - (С + 0,25 Мп) %, а также ее твердости [3] (рис. 1). Воспользуемся результатами этих исследований и оценим износоустойчивость рельсовой стали К 63.

Данные об изменчивости параметра (С + 0,25 Мп) % были получены из сертификатов качества на крановые рельсы, поставленные на металлургические предприятия Урала Кузнецким металлургическим комбинатом и металлургическим заводом им. Петровского (Украина) по ГОСТ 4121-76* [4]. Статистическая обработка данных

Таблица 1

Химический состав и механические свойства сталей для изготовления крановых и железнодорожных рельсов

Тип рельса	Марка стали	Стандарт	Вид термической обработки	Содержание химических элементов					Механические свойства
				С	Мп	Si	S	Р	МПа	НВ
КР-70... КР-140	К63	ГОСТ 4121-76*	Без обработки	0,53...0,73	0,6...1,0	0,15...0,35	не более 0,050	не более 0,050	750	212
Р65, Р75	М76	ГОСТ 24182-80	Без обработки	0,69...0,82	0,75...1,05	0,13...0,28	не более 0,45	не более 0,035	840	247
Р50	М75	ГОСТ 24182-80	Без обработки	0,67...0,80	0,75... 1,05	0,13...0,28	не более 0,45	не более 0,035	840	247
Р38, Р43	М71	ГОСТ 5876-82	Без обработки	0,64...0,77	0,60...0,90	0,13...0,28	не более 0,050	не более 0,040	800	235
Р50, Р65	М72	ГОСТ 18267-82	Объемнозакаленные	0,68...0,78	0,75...1,05	0,13...0,25	не более 0,045	не более 0,035	1160	341
Р50	НБ-65	ГОСТ 16852-71*	Поверхностнозакаленные	0,58...0,75	0,60... 1,00	0,15...0,30	не более 0,060	не более 0,070	950	279

Обозначения марок сталей: К - кислородно-конверторная; М - мартеновская; НБ - бессемеровская; цифры - среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Рис. 1. Зависимость износоустойчивости рельсовой стали от 2 (С + 0,25 Мп) % (а) и от твердости по Роквеллу и Бринеллю (б); 1- сталь без термической обработки, 2 - сталь с нагрева токами высокой частоты (ТВЧ)

сертификатов при объеме выборки N = 157 позволила получить следующие характеристики случайной величины Х= (С + 0,25 Мп) %:

• -    среднее значение                    X = 0,818;

• -    среднее квадратическое

  отклонение                           5 = 0,0437;

• -    коэффициент, учитывающий

объем выборки                       а = 1, 786;

• -    коэффициент вариации             v = 5,3 %;

^max = х + as =0,818 + 1,786 ■ 0,0437 = 0,896;

Y_mlll = X-as = 0,818- 1,786-0,0437 = 0,740.

Сравнение полученных результатов с кривой 1 на рис. 1, а показывает, что часть крановых рельсов из стали К 63 попадают в зону с низкой износоустойчивостью, что и подтверждается практикой эксплуатации [5].

Для определения показателей качества крановых рельсов использованы результаты их заводских испытаний. На рис. 2 в качестве примера приведены гистограммы изменения нормируемых стандартом [4] механических свойств рельса КР 70, а в табл. 2 - результаты статистической обработки.

Частные независимые выборки механических свойств для отдельных типов рельсов объединены в генеральную совокупность для рельсовой стали К 63 (см. табл. 2.) с использованием дисперсионных отношений. Сравнение твердости по Бринеллю НВ крановых рельсов и стали К 63 с кривыми на рис. 1, б также свидетельствует о том, что рельсовая сталь специальных крановых рельсов имеет низкую износоустойчивость.

Оценка качества крановых рельсов по механическим свойствам выполнена по методике, изложенной в стандарте [5] и определяется положе-

Рис. 2. Гистограммы механических свойств рельсовой стали К 63: а - временное сопротивление ув ; б - твердость по Бринеллю НВ

Таблица 2

Результаты статистической обработки данных заводских испытаний

Механические свойства	Статистические характеристики	Тип кранового рельса				Сталь К 63
		КР 70	КР 80	КР 100	КР 120
Временное сопротивление <тв, МПа	Объем выборки N Среднее значение ств Стандарт S Коэф-т вариации v, % ^ - 1,96 S	304 828,4 43,8 5,3 742,6	105 835,3 40,1 4,8 756,7	99 820,4 43,0 5,2 736,1	68 816,8 62,7 7,7 693,9	576 827,3 45,9 5,5 737,3
Предел текучести <гт, МПа	Объем выборки N Среднее значение ^ Стандарт 5 Коэф-т вариации v, % стт - 1,96 S	306 436,7 33,1 7,6 371,8	109 439,4 35,8 8,1 369,2	104 447,5 38,1 8,5 372,8	68 445,2 48,1 10,8 350,9	584 440,7 35,5 8,1 371,4
Твердость по Бринеллю, НВ	Объем выборки N Среднее значение НВ Стандарт 5 Коэф-т вариации v, % НВ- 1,96 5	137 225,4 18,0 8,0 190,0	29 226,2 16,8 7,4 193,3	48 230,1 12,9 5,6 204,8	35 220,7 11,5 5,2 198,2	247 226,3 15,4 6,8 196,1
Относительное удлинение 510, %	Объем выборки N	308 10,6 1,7 16,5 7,3	108 9,4 1,4 15,4 6,7	93 9,0 1,1 12,5 6,8	68 9,0 2,0 22,4 5,1	575 10,0 1,6 15,4 6,9
	Среднее значение <510
	Стандарт S
	Коэф-т вариации v, %
	^0 - 1,96 5

Примечание: Предел текучести не является нормируемой характеристикой и определяется факультативно по требованию заказчиков.

нием значений механических характеристик относительно нормы. Качество оценивается следующими показателями: Р - показатель надежности обеспечения нормы; Д - показатель запаса характеристики относительно нормы; h- показатель уровня характеристики относительно нормы.

Вероятность того, что значение характери стики соответствует норме с доверительной вероятностью у, равна

Ру = P(N,M, у), где N - общий объем выборки данной механической характеристики; М - число результатов контроля, не соответствующих норме.

Оценка показателя запаса характеристики Ду вычисляется по формулам:

• -    при нормировании снизу

Ду — X* — Су ;

• -    при нормировании сверху

\у = Х*-С0, где X» = X - KS ; X* = X + KS ; X - среднее значение механической характеристики; S - среднее квадратическое отклонение; К - множитель, зависящий от объема выборки; Со - нормируемое значение механической характеристики.

Показатель уровня характеристики Иу равен отношению запаса Д к интервалу рассеивания характеристики и при нормировании снизу определяется по формуле

Результаты расчетов представлены в табл. 3 при доверительной вероятности у= 0,95. Из табл. 3 следует, что уровень надежности нормируемых механических характеристик рельсов ниже 0,95, кроме рельсов КР 70 и КР 80. Отрицательные значения показателей качества в табл. 3 говорят о том, что рельсы типа КР из стали К 63 по стандарту [4] не имеют запаса по временному сопротивлению ст_в и твердости по Бринеллю НВ.

Таким образом, проведенные исследования выявили неудовлетворительное качество стандартной рельсовой стали К 63, которая не отвечает современным требованиям к специальным крановым рельсам. Это свидетельствует о необходимости корректировки требований к качеству рельсовой стали в технических условиях на изготовление специальных крановых рельсов.

Существует несколько способов повышения механических свойств рельсовой стали и эксплуатационных характеристик крановых рельсов, среди них:

• -    увеличить в стали содержание углерода;

• - термически обрабатывать рельсы из высокоуглеродистой стали;

• -    использовать для изготовления рельсов легированные стали.

Из исследований [2] следует, что повышение механических свойств и соответственно служебных качеств рельсов за счет увеличения содержания углерода практически исчерпано. Использование для изготовления специальных крановых рельсов стали типа М 76 (см. табл. 1) позволит незначительно повысить их эксплуатационные характеристики.

Термическая обработка рельсов требует специального оборудования, расширения производственных площадей и экономически целесообразна при объемах производства более 100 тыс. тонн в год [7]. Поэтому, в современных условиях для изготовления специальных крановых рельсов наиболее целесообразно использовать легированную рельсовую сталь.

По заказу Магнитогорского металлургического комбината на заводе им. Петровского была организована выплавка 100 тонн стали рельсовой стали К 63, дополнительно легированной ванадием, из которой прокатана опытная партия кранового рельса КР 100. Эта партия рельсов использована в подкрановых путях тяжелого режима в цехах комбината. Наблюдения и исследования износоустойчивости экспериментальных крановых рельсов в условиях эксплуатации проводились в течение пяти лет по специально разработанной программе [8]. Кроме того, проведены лабораторные исследования механических свойств этих рельсов.

Для сравнения выполнены исследования кранового рельса КР 100 из стандартной стали К 63, а также рельса MSZ-100 (Венгрия). Химический состав стали исследованных рельсов приводится в табл. 4.

Из табл. 4 следует, что Европейские крановые рельсы прокатывают из среднеуглеродистых сталей. Однако они отличаются от отечественных

Таблица 3

Качество рельсов КР по механическим свойствам из стали К 63

Тип рельса	Характеристика выборки		Норма Со	Показатели качества
	N     |	М		Р	А	h
Временное сопротивление
КР 70	304	8	750 МПа	0,954	-30,0	-0,14
КР 80	105	0		0,971	-19,0	-0,09
КР 100	99	4	—	0,910	-41,0	-0,18
КР 120	68	10	—	0,760	-100,0	-0,30
Сталь К63	581	22	750 МПа	0,945	-30,0	-0,14
Твердость по Бринеллю, НВ
КР70	137	13	212	0,845	-28,0	-0,30
КР 80	29	2		0,899	-28,0	-0,30
КР 100	48	0	—	0,945	-12,0	-0,17
КР 120	35	2		0,916	-19,0	-0,30
Сталь К63	247	17	212	0,936	-19,0	-0,25

Таблица 4

Химический состав стали исследованных образцов рельсов

Тип рельса Массовая доля, % С Мп Si S Р Сг № Си V КР 100 0,55 0,71 0,28 0,29 0,34 0,05 0,02 0,01 - Головка 0,55 0,73 0,29 0,30 0,38 0,06 0,01 0,01 — Шейка 0,53 0,71 0,28 0,29 0,32 0,05 0,03 0,01 — Подошва 0,58 0,71 0,29 0,30 0,32 0,05 0,04 0,01 — MSZ-100 0,447 0,66 0,20 0,030 0,025 0,027 0,09 0,133 - Головка 0,45 0,68 0,20 0,030 0,025 0,01 0,09 0,13 — Шейка 0,45 0,66 0,21 0,031 0,026 0,02 0,09 0,13 Подошва 0,44 0,64 0,20 0,028 0,024 0,05 0,09 0,13 — КР 100-V 0,66 0,74 0,21 0,025 0,031 0,05 0,09 0,07 0,19 Головка 0,66 0,74 0,22 0,027 0,030 0,05 0,09 0,06 0,19 Шейка 0,64 0,73 0,21 0,024 0,032 0,05 0,09 0,07 0,18 Подошва 0,67 0,74 0,21 0,024 0,030 0,05 0,08 0,07 0,19 не только химическим составом стали, но и геометрическими размерами, о чем свидетельствуют следующие данные:

	КР100	MSZ-100
- ширина головки, мм	100;	100;
- высота сечения, мм	150;	145;
- ширина подошвы, мм	150;	172;
- толщина шейки, мм	38;	45;
- площадь поперечного сечения, см2	113,4;	125,6;
- момент инерции на изгиб, см4	2806;	2884;
- момент инерции на кручение, см4	765;	—
- вес погонного метра, кг	89,1;	98,0.

Стандартом [4] для оценки механических свойств крановых рельсов предусмотрено испытание на растяжение одного образца от партии с поверхности головки рельса вдоль проката. Это не полностью характеризует служебные качества рельсов, так как рельс в процессе эксплуатации находится в сложном (объемном) напряженном состоянии, о чем свидетельствуют различные по характеру и виду разрушения [5]. Поэтому были проведены испытания на растяжение и ударную вязкость образцов, взятых из различных зон поперечного сечения рельса - вдоль и поперек проката, а также по высоте рельса. Это позволило выявить анизотропию механических свойств в зонах поперечного сечения рельса, потенциально опасных к появлению разрушений.

Результаты испытания образцов рельсовой стали на растяжение и коэффициенты анизотропии представлены в табл. 5. Коэффициент анизотропии -это отношение механических свойств поперек проката и в Z-направлении к соответствующему значению механической характеристики вдоль проката.

Испытания образцов рельсов КР 100 на рас тяжение показали, что при данном химическом составе (см. табл. 4) механические свойства превышают браковочный минимум, предусмотренный в стандарте [4].

Из табл. 5 следует, что легирование стали К 63 ванадием повысило временное сопротивление в 1,3... 1,5 раз, при этом относительное удлинение уменьшилось в 1,5 раза, твердость головки рельса составила 300...320 ед. НВ, что более чем на 40 % превышает нормируемое значение. Следовательно, механические свойства легированной ванадием рельсовой стали в большей мере соответствуют работе рельсов в системе «рельс-колесо», чем свойства высокоуглеродистой стали М 76 (см. табл. 1).

Прочностные характеристики во всех направлениях у испытанных рельсов практически одинаковы. Коэффициенты анизотропии для <т_в изменяются в диапазоне 0,92... 1,00, для <т₀₂ -1,02... 1,06. В то же время наблюдается существенное снижение пластических свойств ( 6 и у ) в поперечном и вертикальном направлениях - коэффициенты анизотропии 3₅ поперек проката изменяются в диапазоне 0,39...0,59, а в Z-направлении - 0,42...0,55.

Параллельно с испытаниями на растяжение на тех же образцах проведены испытания рельсовой стали К 63 на твердость по Виккерсу (HV). Это позволило выявить корреляционную зависимость между <тв и HV. Для рельсовой стали К 63 сгв = 0,345 HV с точностью 1.. .3 %. На основе обработки статистических данных заводских и лабораторных испытаний образцов получено отношение с02/<тв = 0,54. Полученные зависимости использовалась для оценки механических свойств рельсов, находящихся в эксплуатации, методом динамической твердости.

Вестник ЮУрГУ, № 14, 2007

Таблица 5

Результаты испытания на растяжение металла крановых рельсов

Тип рельса	Часть рельса	Механические свойства при направлении проката										Коэффициенты анизотропии к для:
		Вдоль проката					Поперек проката
		Кол-во образцов	^в> МПа	ст02 ’ МПа	5;, %	%	Кол-во образцов	^в. МПа	°02> МПа	^5> %	¥, %	МПа	°02 > МПа	^5, %	¥. %
КР100	Головка	1 слой 12	804	473	27,4	23,2	1 слой 3	738	500	П,4	9,2	0,92	1,06	0,42	0,40
		2 слой 13	789	406	28,6	18,1	2 слой 3	790	487	16,4	14,1	1,00	1,20	0,57	0,78
	Шейка	22	790	401	25,9	24,9	6*	778	427	13,5	11,4	0,98	1,06	0,52	0,47
	Подошва	17	855	494	27,1	25,8	-	-	-	-	-	_	-	-	-
MSZ-100	Головка	1 слой 9	698	450	30,3	29,0	1 слой 16	701	478	17,8	16,5	1,00	1,06	0,59	0,57
		2 слой 9	717	417	32,0	26,2	2 слой 6	706	442	14,6	10,7	0,98	1,06	0,46	0,41
	Шейка	18	716	396	31,6	26,1	12*	720	405	17,4	21,3	1,00	1,02	0,55	0,82
	Подошва	15	714	443	32,1	28,7	-	-	-	-	-	-	-	-	-
КР 100-V	Головка	1 слой 12	1040	620	18,0	12,0	1 слой 8	1010	630	9,0	4,0	0,97	1,02	0,50	0,33
		2 слой 12	1030	620	18,0	12,0	2 слой 5	990	640	7,0	2,0	0,96	1,03	0,39	0,17
	Шейка	14	1070	630	19,0	11,5	16*	1070	640	8,0	6,0	1,00	1,02	0,42	0,52
	Подошва	14	1150	700	20,0	15,0	-	-	_	-	-	-	-	-	-

* ■ Механические свойства в вертикальном направлении Z.

В таблице приведены средние значения механических свойств испытанных образцов.

Теория расчета строительных конструкций

Рис. 5. Результаты испытания крановых рельсов на ударную вязкость: а - рельс КР 100; б - рельс КР100-V

б)

Испытания на ударную вязкость проводили на образцах с надрезом Менаже по стандарту [9] при температурах 20 °C, 0 °C, -20 °C, - 40 °C на маятниковом копре с энергией удара 30 кгс-м. На рис. 5 представлены зависимости ударной вязкости стали от температуры образцов рельсов КР 100 иКР 100-V.

Испытания показали, что ударная вязкость высокоуглеродистых рельсовых сталей при положительных температурах достаточно низкая. Легирование ванадием значительно (почти в 6 раз) повышает вязкость разрушения при комнатной температуре при всех направлениях испытаний, но не вносит существенных изменений в значения ударной вязкости при отрицательных температурах и 0 °C по сравнению с обычной рельсовой сталью.

Анизотропия по ударной вязкости при положительной температуре рельсов КР 100 существенное зависит от направления прокатки - коэффициенты анизотропии изменяются в диапазоне 1,0... 1,7. При отрицательных температурах наблюдается слабая анизотропия - 9... 13 %. Легирование стали ванадием сблизило значения ударной вязкости при +20 °C - коэффициенты анизотропии равны 0,93...0,98, но значительно увеличило разброс при 0 °C и отрицательных температурах - коэффициенты анизотропии изменяются в диапазоне 0,57.. .0,85.

Таким образом, исследования показали, что механические свойства рельсовой стаж К 63 не обеспечивают необходимую прочность и износоустойчивость специальных крановых рельсов КР в условиях интенсивной работы мостовых кранов. Для повышения долговечности рельсов необходимо увеличить механические свойства рельсовой стали путем легирования. Легирование ванадием 0,20...0,22 % позволяет повысить прочность и твердость рельсовой стали до 1,5 раз. Испытания рельсов КР 100-V из легированной стали в условиях действующего производства показали, что их износоустойчивость повысилась в 2 раза, а срок службы увеличился в 3-4 раза по сравнению с обычными. При этом стоимость рельсов возрастает на 20...25 %.