Как стареют железнодорожные колодки в эксплуатации
Рельсовая прокладка находится между подошвой рельса и шпалой, неся полную динамическую нагрузку каждой проезжающей оси и подвергаясь воздействию тепла, солнечного света, влаги и путевых химикатов. Доминируют три механизма старения. Термическое-окислительное старение: при температуре гусеницы летом выше 60 C кислород вступает в реакцию с молекулярными цепями резины и вызывает разрыв цепи или чрезмерное сшивание, что делает колодку твердой и хрупкой. Ультрафиолетовое старение: УФ-излучение разрушает химические связи на резиновой поверхности, вызывая меление и растрескивание, что особенно опасно на открытых линиях без укрытия. Усталостное старение: повторяющиеся нагрузки на ось создают микротрещины внутри колодки, которые растут до тех пор, пока конструкция не выйдет из строя; Тяжелые-линии стареют намного быстрее, чем обычные линии. Влажность и кислотные дожди ускоряют развитие всех трех факторов. В результате срок службы немодифицированных колодок составляет около 5-8 лет, поэтому на линиях, где замена стоит дорого, рекомендуются колодки с длительным сроком службы.
Анти-добавки против старения и принцип их действия
Три аддитивных семейства работают вместе. Антиоксиданты, используя систему соединений затрудненного фенола и фосфита, захватывают свободные радикалы в ходе цепной реакции окисления и разлагают образующиеся пероксиды; эта комбинация продлевает термическую-окислительную долговечность более чем в 3 раза. Ультрафиолетовые стабилизаторы, разделенные на поглотители, преобразующие УФ-энергию в безвредное тепло, и гасители, возвращающие возбужденные молекулы каучука в основное состояние, повышают устойчивость к УФ-излучению примерно на 40 процентов. Анти-агенты против старения на основе нафтиламина и хинолина адсорбируются на активных центрах молекул каучука и подавляют возникновение и рост микро-трещин. Нормы добавления должны оставаться в узком диапазоне: 1,5-2,5 процента антиоксидантов, 2–3 процента УФ-стабилизаторов и 1–1,5 процента антивозрастных агентов. Передозировка изменяет модуль упругости колодки и ухудшает эффективность гашения вибрации, для которой она предназначена.
Оптимизация процесса
Смешивание осуществляется по сегментированному графику: каучуковая основа пластифицируется во внутреннем смесителе при температуре 80-90 C в течение 3-5 минут, затем добавляются антиоксиданты и средства, замедляющие старение, при 100–110 C в течение 5–7 минут и, наконец, УФ-стабилизаторы при 90–100 C в течение 2–3 минут, чтобы они не разлагались под воздействием высокой температуры. Вулканизация проводится в два этапа: сначала при 140-145°С в течение 8-10 минут для формирования подушечки, затем при 120-130°С для более длительной выдержки, оптимизирующей структуру сшивок, при этом плотность сшивок контролируется в пределах 1,5 на 10 в минус 4-й степени моль/см3 для баланса эластичности и стойкости к старению. После обработки на поверхность колодки наносится защитный слой из полиуретана толщиной 5–10 микрон, блокирующий ультрафиолет и кислород, а вымачивание при температуре 50 C в течение 24 часов снимает внутреннее остаточное напряжение, которое в противном случае могло бы привести к растрескиванию при эксплуатации.
Региональные требования к-антистарению
| Климатический регион | Доминирующий фактор старения | Ключевое требование |
|---|---|---|
| Жарко и засушливо внутри страны | Термическое-окислительное и сильное УФ-излучение | Термический-окислительный срок службы 15 лет, изменение УФ-модуля менее 10 процентов. |
| Влажный прибрежный и дождливый | Влажная-жара и плесень | Влажная-жаростойкость более 1000 часов, класс плесени 0 |
| Альпийский | Низко-охрупчивание при низких температурах, замораживание-оттаивание | Ударная вязкость 15 кДж/м2 при минус 40 C, отсутствие растрескивания после 100 циклов замораживания-оттаивания. |
| Высокое плато | Сильный УФ и низкое давление | Защита от ультрафиолета выше 80 процентов, вдвое снижена скорость окисления при низком давлении |
Сопоставьте формулу с доминирующим фактором старения в регионе: больше антиоксидантов и темного защитного покрытия в жарких-засушливых зонах, ингибиторы плесени и более плотная сшивка во влажных зонах, морозостойкая-базовая резина с пластификаторами в альпийских зонах и высокое-содержание УФ-стабилизаторов на плато.
Тестирование и приемка
Тестирование на ускоренное старение является основным методом. Термическое-окислительное старение соответствует стандарту GB/T 3512: 72 часа в печи с горячим-воздухом при температуре 100 C, после чего степень изменения прочности на разрыв и удлинения при разрыве должна оставаться в пределах 20 процентов. Ускоренное старение под воздействием УФ соответствует стандарту GB/T 16422.3: 1000 часов под люминесцентными УФ-лампами без меления и растрескивания, а также с изменением модуля менее 15 процентов. Испытания на естественное воздействие также проводятся в типичных климатических условиях в течение 2 лет с сохранением минимальной-эффективности демпфирования вибрации 80 процентов. Механические проверки после старения требуют изменения твердости по Шору в пределах 5 баллов, сохранения прочности на разрыв более 80 процентов и ударной вязкости при минус 40 С, соответствующей региональному значению. Для принятия согласно TB/T 2626 требуется 100-процентная квалификация по тестам на-антистарение; план отбора проб составляет 3 группы по 5 прокладок на партию, и единственный отказ лишает партию права на поставку.
Термическое-окислительное, УФ-старение и усталостное старение действуют одновременно и сокращают стандартный срок службы колодок до 5–8 лет.
Антиоксиданты, УФ-стабилизаторы и средства против-старения необходимо дозировать в узких интервалах, чтобы избежать изменений модуля упругости.
При приемке согласно TB/T 2626 используются испытания на старение горячим-воздухом GB/T 3512 и испытания на старение под воздействием ультрафиолета GB/T 16422.3.
Часто задаваемые вопросы
Почему летом подкладки рельс становятся твердыми и ломкими?
Высокая температура гусениц ускоряет термическое-окислительное старение: кислород воздействует на молекулярные цепи резины, а разрыв цепи или дополнительное сшивание повышает твердость и снижает эластичность.
Каков практический срок службы стандартной колодки?
Около 5-8 лет нормальной эксплуатации, в зависимости от климата и дорожного движения. Модифицированные прокладки, предотвращающие-старение, рассчитаны на срок службы 15 и более лет в жарких засушливых регионах.
Можно ли судить о старении колодок только по визуальному осмотру?
Поверхностное меление, растрескивание и необратимая деформация являются видимыми признаками, а внутренние усталостные повреждения - нет. Для принятия надежного решения необходимы периодические проверки твердости и модуля упругости.
Почему передозировка добавок, замедляющих-старение, вредна?
Избыточные присадки мигрируют на поверхность, изменяют модуль упругости и уменьшают эффект гашения вибрации, а также могут налетать на контактную поверхность рельса, изменяя характеристики трения.
Какой стандарт регулирует приемку железнодорожных площадок?
Стандартом является TB/T 2626 для резиновых прокладок под бетонным -шпальным рельсом. Испытания на старение проводятся в соответствии с GB/T 3512 и GB/T 16422.3, а испытания на растяжение - в соответствии с GB/T 528.